1. AIMANTS PERMANENTS II. Magnétisme et électromagnétisme

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Gabriel Gauvin
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1 1 Aimants permanents 1.1 Terminologie On apple «aimant permanent» tout corps capable d attirer d autres corps en fer, encobalt et en nickel (appelés matériaux «ferromagnétiques») etviceversa. L intensité des forces magnétiques diminue rapidement lorsqu on éloigne les deux corps l un de l autre. Un aimant agit à travers des matériaux comme l air, l eau ou le bois. On distingue entre : lesaimantsnaturels :danslanature,ontrouvecertainesrochesappartenantàlafamille des oxydes de fer comme la magnétite ( Magneteisenstein ) (Fe 3 O 4 )oul hématite (Fe 2 O 3 ), qui sont des aimants permanents. Ce sont ces roches qui ont été utilisées pour frabriquer les premières boussoles. lesaimantsartificiels :cesontdesaimantsproduitsparl homme.lesaimantssynthétiques sont produits par frittage 1 d un alliage de poudres de terres rares 2 qui forme alors une céramique polarisée sous le champ intense d un électroaimant. 1.2 Pôles magnétiques Les propriétés magnétiques d un aimant sont particulièrement importantes aux extrémités, appelées «pôles magnétiques». Les pôles apparaissent toujours par paires et ne sont pas identiques : on distingue le pôle nord et le pôle sud. Le pôle nord d un aimant est souvent peint en rouge, le pôle sud envert. Deux pôles de mêmes noms se repoussent! Deux pôles de noms différents s attirent! 1. Le frittage est un procédé de fabrication consistant à chauffer une poudre sans la mener jusqu à la fusion. ous l effet de la chaleur, les grains se soudent entre eux. 2. Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines 40

2 Figure II.1 Attraction / Répulsion entre deux aimants Une barre aimantée, mobile autour d un axe vertical, s immobilise à peu près suivant la direction ord-ud géographique. Le pôle qui pointe vers le ord est appelé pôle nord de l aimant. pôle ord terrestre pôle ud terrestre Figure II.2 Barre aimantée suspendue à un fil 1.3 Différentes formes d aimants Les aimants apparaissent sous des formes très diversifiées. Les formes les plus courantes sont : 1. la barre aimantée (ou barreau aimanté) : Figure II.3 Barre aimantée 41

3 2. l aimant «en U» : 1.4 Expériences avec des aimants Aimantation d un fil de fer Figure II.4 Aimants en U Faisons glisser (plusieurs fois dans le même sens) un pôle d aimant sur un morceau de fil de fer. Alafin,onconstatequelemorceaudefilestdevenului-mêmeunaimant permanent possédant un pôle nord et un pôle sud. Figure II.5 Aimantation d un fil de fer 42

4 1.4.2 Expérience de l aimant brisé Coupons un aimant permanent en son milieu. ligne de coupure Figure II.6 Expérience de l aimant brisé On pourrait s attendre à ce qu on ait isolé un pôle nord d un côté et un pôle sud de l autre. Cependant, chacun des deux morceaux est encore un aimant permanent complet avec un pôle sud et un pôle nord. On pourra répéter cette expérience en sectionnant une nouvelle fois chacun des fragments obtenus, mais on n arrivera jamais à isoler un pôle d aimant :toutaimant,sipetitsoit-il, possède deux pôles de noms différents. 1.5 Représentation modélisée d un aimant Aujourd hui, on admet que les atomes de fer possèdent eux-mêmes des propriétés magnétiques : nous appelons ces tout petits aimants des aimants élémentaires. Dans le fer ou l acier non aimantés, lesaimantsélémentairessontorientésauhasard,defaçon que leur action globale vers l extérieur est nulle. 43

5 pièce de fer aimant élémentaire Figure II.7 Aimants élémentaires - fer non aimanté i on glisse le pôle d un aimant le long du morceau de fer (exp ), de plus en plus d aimants élémentaires prennent la même orientation. Le fer devient ainsi un aimant. Figure II.8 Aimants élémentaires - fer aimanté Le modèle des aimants élémentaires permet aussi d expliquer l expérience de l aimant brisé : Figure II.9 Aimant brisé - Explication 44

6 1.6 Désaimantation Lorsde la désaimantation d un aimant, ses aimants élémentaires perdent leur ordre d orientation de façon qu aucune direction n est privilégiée (cf. fig. II.7). On peut désaimanter un aimant : soit en l exposant à des chocs ou des vibrations violentes(p.ex. en le laissant tomber) soitenlechauffant à haute température. Au-delà d une certaine température caractéristique (appelée «point de Curie» 3 ), chaque matériau ferromagnétique perd totalement son aimantation, même s il sera ultérieurement refroidi (bien qu il pourra évidemment être réaimanté après). matériau θ C ( C) cobalt 1115 fer 770 nickel 354 Table II.1 Points de Curie de matériaux ferromagnétiques 1.7 pectres et champs magnétiques Expérience Plaçons une plaque de verre au-dessus d une barre aimantée resp. d un aimant en U. aupoudrons la plaque de grains de limaille de fer, puistaponslégèrementsurlaplaque. On observe que les grains de limaille de fer forment des lignes fermées autour de l aimant qui ne se coupent jamais. Ces sont les «lignes de champ».leslignesdechampsortent toutes du pôle nord d un aimant et rentrent dans son pôle sud. ionplaceunepetiteaiguilleaimantée sur une telle ligne de champ, l aiguille s oriente à ce qu elle soit tangentielle à la ligne de champ au point où elle la touche. Le nord d une telle aiguille s oriente dans le sens des lignes de champ. La région autour d un aimant dans laquelle se trouvent ces lignes de champ est appelée «champ magnétique». Lechampmagnétiqueestreprésentéeparunvecteur,noté B. Le champ magnétique B est en tout point tangentiel aux lignes de champ et orienté dans le sens des lignes de champ. L ensemble des lignes de champ autour d un aimant s appelle «spectre magnétique» de l aimant. 3. Cette température tire son nom de Pierre Curie, le physicien français qui l a découverte en

7 1.7.2 pectres d aimants barreaimantée: aiguille aimantée ligne de champ B B Figure II.10 pectre magnétique d une barre aimantée Le champ magnétique est d autant plus intense que la densité des lignes de champ est élevée.l intensitéduchampmagnétiqueestdoncparticulièrementintensedanslarégion des pôles. aimantenu: B Figure II.11 pectre magnétique d un aimant en U Ici, l intensité du champ est encore maximale dans la région des pôles. 46

8 Mais, le spectre de l aimant en U présente une particularité intéressante : Entre ses deux armatures, les lignes de champ : sonttouteséquidistantes onttoutesmêmedirection onttouteslemêmesens Le champ a donc partout même direction, même sens et même intensité : on dit que le champ magnétique entre les armatures d un aimant en U est «uniforme». 1.8 Le champ magnétique de la Terre axe de rotation PM PG boussole PG PM δ Figure II.12 pectre magnétique d une barre aimantée Comme une aiguille aimantée pointe son pôle nord vers le pôle ord géographique,c estlàqu est situé le pôle sud magnétique de la Terre. Le pôle nord magnétique est situé dans l hémisphère ud. i on suivait constamment le nord indiqué par une boussole, on n aboutirait pas exactement au pôle ord géographique, mais en un endroit du Canada situé à quelque 1000 km du pôle ord géographique ; c est là que se situe le pôle sud magnétique. En effet, la direction de l aiguille aimantée ne se confond pas exactement avec la direction ord-ud géographique. On appelle déclinaison magnétique δ l angle formé par l aiguille aimantée et le méridien géographique. La 47

9 déclinaison varie en cours du temps. En 2015, la déclinaison au Luxembourg est de 1 17 ouest ; elle diminue de 8 par an. Les lignes de champ du champ magnétique terrestre sont presque perpendiculaires à la surface terrestre aux pôles, elles sont horizontales à l équateur. Dans nos régions, elles forment avec la surface terrestre un angle d environ 65 ;cetangleestappeléinclinaison. L inclinaisonpeut être mesurée à l aide d une aiguille aimantée mobile autour d un axe horizontal. 48

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