11.3. Ferroaimants et électroaimants

Ferromagnétisme

Seuls certains matériaux, tels que le fer, le cobalt, le nickel et le gadolinium, présentent de forts effets magnétiques. Ces matériaux sont appelés ferromagnétiques, d’après le mot latin pour fer, ferrum. Un groupe de matériaux fabriqués à partir d’alliages d’éléments de terres rares sont également utilisés comme aimants puissants et permanents; L’un des plus populaires est le néodyme. Non seulement les matériaux ferromagnétiques réagissent fortement aux aimants (de la même manière que le fer est attiré par les aimants), mais ils peuvent également être magnétisés eux-mêmes, c’est-à-dire qu’ils peuvent être induits à être magnétiques ou transformés en aimants permanents.

Fig. 11.5 Un morceau de fer non magnétisé est placé entre deux aimants, chauffé, puis refroidi, ou simplement tapoté à froid. Le fer devient un aimant permanent avec les pôles alignés comme indiqué : son pôle sud est adjacent au pôle nord de l’aimant d’origine et son pôle nord est adjacent au pôle sud de l’aimant d’origine. Notez qu’il existe des forces d’attraction entre les aimants. (crédit : orpenstax.org)

Lorsqu’un aimant est amené à proximité d’un matériau ferromagnétique non magnétisé, il provoque une aimantation locale du matériau, comme dans la Fig. 11.5. Il en résulte l’attraction du matériau auparavant non magnétisé vers l’aimant. Ce qui se passe à l’échelle microscopique est illustré à la Fig. 11.6. Les régions du matériau appelées domaines agissent comme de petits barreaux magnétiques. À l’intérieur des domaines, les pôles des atomes individuels sont alignés. Chaque atome agit comme un minuscule barreau magnétique. Les domaines sont petits et orientés de manière aléatoire dans un objet ferromagnétique non magnétisé. En réponse à un champ magnétique externe, les domaines peuvent atteindre une taille millimétrique, s’alignant comme le montre la Fig. 11.6 (b). Cette magnétisation induite peut être rendue permanente si le matériau est chauffé puis refroidi en présence d’autres aimants.

Fig. 11.6 (a) Un morceau de fer non magnétisé (ou un autre matériau ferromagnétique) a des domaines orientés de manière aléatoire. (b) Lorsqu’ils sont magnétisés par un champ externe, les domaines montrent un plus grand alignement, et certains se développent aux dépens des autres. Les atomes individuels sont alignés à l’intérieur des domaines ; Chaque atome agit comme un minuscule barreau magnétique. (crédit : orpenstax.org)

À l’inverse, un aimant permanent peut être démagnétisé par des coups violents ou en le chauffant en l’absence d’un autre aimant. L’augmentation du mouvement thermique à une température plus élevée peut perturber et rendre aléatoire l’orientation et la taille des domaines. Il existe une température bien définie pour les matériaux ferromagnétiques, appelée température de Curie, au-dessus de laquelle ils ne peuvent pas être magnétisés. La température de Curie pour le fer est de \(1043\,K(=770°C)\), ce qui est bien au-dessus de la température ambiante. Il existe plusieurs éléments et alliages qui ont des températures de Curie beaucoup plus basses que la température ambiante et qui ne sont ferromagnétiques qu’en dessous de ces températures.

Électroaimants

Au début du 19^e siècle, on a découvert que les courants électriques provoquaient des effets magnétiques. La première observation significative a été faite par le scientifique danois Hans Christian Oersted (1777-1851), qui a découvert qu’une aiguille de boussole était déviée par un fil porteur de courant. C’était la première preuve significative que le mouvement des charges avait un lien avec les aimants.

L’électromagnétisme est l’utilisation du courant électrique pour fabriquer des aimants. Ces aimants créés temporairement grâce à un courant électrique sont appelés électroaimants. Les électroaimants sont utilisés pour tout, d’une grue de chantier de démolition qui soulève des wagons mis au rebut, au contrôle du faisceau d’un accélérateur de particules de \(90\,km\) de circonférence, en passant par les aimants des machines d’imagerie médicale (voir la Fig. 11.7).

Fig. 11.7 Instrument d’imagerie par résonance magnétique (IRM). L’appareil utilise une bobine cylindrique supraconductrice pour le champ magnétique principal. Le patient entre dans ce tunnel sur la civière. (crédit : Bill McChesney, Flickr)

La Fig. 11.8 montre que la réponse de la limaille de fer à proximité d’une bobine parcourue par un courant et à proximité d’un aimant droit sont sont similaires. En fait, les électroaimants et les aimants ont les mêmes caractéristiques de base - par exemple, ils ont des pôles nord et sud qui ne peuvent pas être séparés et pour lesquels les pôles identiques se repoussent et les pôles différents s’attirent.

Fig. 11.8 La limaille de fer à proximité (a) d’une bobine parcourue par un courant et (b) d’un aimant agit comme de minuscules aiguilles de boussole, montrant la forme de leurs champs. Leur réponse à une bobine parcourue par un courant et à un aimant permanent est très similaire, en particulier près des extrémités de la bobine et de l’aimant. (crédit : orpenstax.org)

La combinaison d’un ferroaimant et d’un électroaimant peut produire des effets magnétiques particulièrement puissants (Voir Fig. 11.9). Chaque fois que des effets magnétiques puissants sont nécessaires, tels que le levage de ferraille ou dans les accélérateurs de particules, les électroaimants sont renforcés par des matériaux ferromagnétiques. Les limites de la puissance de ces électroaimants sont imposées par la résistance de la bobine - elle surchauffera et fondra si elle est parcourue par un courant suffisamment élevé.

Fig. 11.9 Un électroaimant avec un noyau ferromagnétique peut produire des effets magnétiques très puissants. L’alignement des domaines dans le noyau produit un aimant dont les pôles sont alignés avec l’électroaimant. Les deux champs magnétique - de la bobine et du noyau - s’additionnent pour créer un champs magnétique total important. (crédit : orpenstax.org)

La Fig. 11.10 montre quelques utilisations de combinaisons d’électroaimants et de ferromagnétiques. Les matériaux ferromagnétiques peuvent agir comme des dispositifs de mémoire, car l’orientation des champs magnétiques de petits domaines peut être inversée ou effacée (code binaire). Le stockage d’informations magnétiques sur bandes vidéo et disques durs d’ordinateur est l’une des applications les plus courantes. Cette propriété est vitale dans notre monde numérique.

Fig. 11.10 Un électroaimant induit des régions de magnétisme permanent sur une disquette recouverte d’un matériau ferromagnétique. Les informations qui y sont stockées sont numériques (une région est magnétique ou non) ; Dans d’autres applications, il peut être analogique (avec une intensité variable), comme sur les bandes audios. (crédit : orpenstax.org)

Le courant : La source du magnétisme

Un électroaimant crée du magnétisme avec un courant électrique. Dans les sections suivantes, nous explorons cela de manière plus quantitative, en trouvant la force et la direction des champs magnétiques créés par divers courants. Mais qu’en est-il des ferromagnétiques ? La Fig. 11.11 montre des modèles de la façon dont les courants électriques créent du magnétisme au niveau submicroscopique. (Notez que nous ne pouvons pas observer directement les trajectoires des électrons individuels autour des atomes. Un modèle - ou une image visuelle - cohérent avec toutes les observations directes, est donc proposé.) Les courants, y compris ceux associés à d’autres particules submicroscopiques comme les protons, nous permettent d’expliquer le ferromagnétisme et tous les autres effets magnétiques. Le ferromagnétisme, par exemple, résulte d’un alignement coopératif interne des spins des électrons, possible dans certains matériaux mais pas dans d’autres.

Le fait qu’il est impossible de séparer les pôles magnétiques nord et sud est crucial pour affirmer que le courant électrique est la source de tout magnétisme. (C’est très différent du cas des charges positives et négatives, qui sont facilement séparées). Une boucle de courant produit toujours un dipôle magnétique, c’est-à-dire un champ magnétique qui agit comme une paire de pôles nord et de pôles sud. Étant donné que des pôles magnétiques nord et sud isolés, appelés monopôles magnétiques, ne sont pas observés, les courants sont utilisés pour expliquer tous les effets magnétiques. Si des monopôles magnétiques existaient, alors nous devrions modifier cette connexion sous-jacente selon laquelle tout magnétisme est dû au courant électrique. Il n’y a aucune raison connue pour laquelle les monopôles magnétiques ne devraient pas exister - ils ne sont tout simplement jamais observés - et donc les recherches au niveau subnucléaire se poursuivent. S’ils n’existent pas, nous aimerions savoir pourquoi. S’ils existent, nous aimerions en avoir la preuve.

Courants électriques et magnétisme

Le courant électrique (et donc le mouvement des électrons*) est la source de tout magnétisme.

Fig. 11.11 (a) Dans le modèle planétaire de l’atome, un électron orbite autour d’un noyau, formant une boucle de courant fermée et produisant un champ magnétique avec un pôle nord et un pôle sud. (b) Les électrons ont un spin et peuvent être grossièrement représentés comme une charge rotative, formant un courant qui produit un champ magnétique avec un pôle nord et un pôle sud. Ni le modèle planétaire ni l’image d’un électron en rotation ne sont complètement cohérents avec la physique moderne. Cependant, ils fournissent un moyen utile de comprendre les phénomènes. (crédit : orpenstax.org)

PhET simulation : Aimants et électro-aimants

Aimants et électro-aimants
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