À quoi servent les aimants ?

Tu penses peut-être que les aimants sont intéressants ; tu penses peut-être qu’ils sont ennuyeux ! A quoi servent-ils, me direz-vous, à part dans les tours de magie enfantins et dans les brocantes ?

Vous pourriez être surpris de voir combien de choses autour de vous fonctionnent par magnétisme ou électromagnétisme. Tout appareil électrique doté d’un moteur électrique (de votre brosse à dents électrique à votre tondeuse à gazon) utilise des aimants pour transformer l’électricité en mouvement.Les moteurs utilisent l’électricité pour générer un magnétisme temporaire dans des bobines de fil. Le champ magnétique ainsi produit se heurte au champ fixe d’un aimant permanent, faisant tourner la partie intérieure du moteur à grande vitesse. Vous pouvez exploiter ce mouvement de rotation pour entraîner toutes sortes de machines.

Il y a des aimants dans votre réfrigérateur qui maintiennent la porte fermée. Les aimants lisent et écrivent des données (informations numériques) sur le disque dur de votre ordinateur et sur les cassettes des vieux baladeurs. D’autres aimants dans tes haut-parleurs ou tes écouteurs t’aident à transformer la musique stockée en sons que tu peux entendre. Si vous souffrez d’une maladie interne grave, vous pouvez subir un type de scanner corporel appelé RMN (résonance magnétique nucléaire), qui dessine le monde sous votre peau en utilisant des modèles de champs magnétiques. Les aimants sont utilisés pour recycler vos déchets métalliques (les boîtes de conserve en acier sont fortement magnétiques, mais les boîtes de boisson en aluminium ne le sont pas, de sorte qu’un aimant est un moyen facile de séparer les deux métaux différents).

Photo : Un scanner RMN comme celui-ci construit une image détaillée du corps d’un patient (ou, dans ce cas, de sa tête) sur un écran d’ordinateur en utilisant l’activité magnétique des atomes dans les tissus de son corps. Vous pouvez voir le patient entrer dans le scanner en haut et l’image de sa tête sur l’écran en bas. Photo reproduite avec l’aimable autorisation du Warren Grant Magnuson Clinical Center(CC) et des USNational Institutes of Health (NIH).

Quels matériaux sont magnétiques ?

Le fer est le roi des matériaux magnétiques – le métal auquel nous pensons tous lorsque nous pensons aux aimants. La plupart des autres métaux courants (tels que le cuivre, l’or, l’argent et l’aluminium) sont, à première vue, non magnétiques et la plupart des non-métaux (y compris le papier, le bois, le plastique, le béton, le verre et les textiles tels que le coton et la laine) sont également non magnétiques. Mais le fer n’est pas le seul métal magnétique. Le nickel, le cobalt et les éléments qui appartiennent à une partie du tableau périodique (l’ordre utilisé par les chimistes pour décrire tous les éléments chimiques connus) connue sous le nom de métaux des terres rares (notamment le samarium et le néodyme) font également de bons aimants. Certains des meilleurs aimants sont des alliages (mélanges) de ces éléments entre eux et avec d’autres éléments. Les ferrites (composés de fer, d’oxygène et d’autres éléments) font également de superbes aimants. Le calcaire (également appelé magnétite) est un exemple de ferrite que l’on trouve couramment à l’intérieur de la Terre (il a la formule chimique FeO-Fe2O3).

Les matériaux comme le fer se transforment en bons aimants temporaires lorsque vous mettez un aimant à proximité, mais ont tendance à perdre une partie ou la totalité de leur magnétisme lorsque vous retirez à nouveau l’aimant. En revanche, les alliages de fer et les métaux des terres rares conservent la majeure partie de leur magnétisme même lorsque vous les retirez d’un champ magnétique, ce qui en fait de bons aimants permanents. Nous appelons ces matériauxmagnétiquement durs.

Est-il vrai de dire que tous les matériaux sont soit magnétiques, soit non magnétiques ? Les gens avaient l’habitude de le penser, mais les scientifiques savent maintenant que les matériaux que nous considérons comme non magnétiques sont également affectés par le magnétisme, mais de façon extrêmement faible. La mesure dans laquelle un matériau peut être magnétisé s’appelle sa susceptibilité.

Comment différents matériaux réagissent au magnétisme

Les scientifiques ont un certain nombre de mots différents pour décrire comment les matériaux se comportent lorsqu’on les place près d’un aimant (ce qui est une autre façon de dire lorsqu’on les place à l’intérieur d’un champ magnétique). D’une manière générale, nous pouvons diviser tous les matériaux en deux types appelés paramagnétiques et diamagnétiques, tandis que certains des matériaux paramagnétiques sont également ferromagnétiques. Il est important de bien comprendre ce que ces mots confus signifient réellement…

Paramagnétique

Faites un échantillon d’un matériau magnétique et suspendez-le à un fil pour qu’il se balance dans un champ magnétique, et il se magnétisera et s’alignera pour que son magnétisme soit parallèle au champ. Comme les gens le savent depuis des milliers d’années, c’est exactement comme cela que se comporte l’aiguille d’une boussole dans le champ magnétique terrestre. Les matériaux qui se comportent de cette manière sont dits paramagnétiques. Les métaux tels que l’aluminium et la plupart des non-métaux (dont on pourrait penser qu’ils ne sont pas du tout magnétiques) sont en fait paramagnétiques, mais à un degré si faible que nous ne le remarquons pas. Le paramagnétisme dépend de la température : plus un matériau est chaud, moins il est susceptible d’être affecté par des aimants proches.

Photo : Nous pensons que l’aluminium (utilisé dans les canettes de boisson comme celles-ci) est non magnétique. Cela nous aide à séparer pour le recyclage nos canettes en aluminium (qui ne collent pas aux aimants) de celles en acier (qui le font). En fait, les deux matériaux sont magnétiques. La différence est que l’aluminium est très faiblement paramagnétique, tandis que l’acier est fortement ferromagnétique. Photo courtoisie de l’US Air Force.

Ferromagnétique

Certains matériaux paramagnétiques, notamment le fer et les terres rares, deviennent fortement magnétisés dans un champ et restent généralementmagnétisés même lorsque le champ est supprimé. On dit que ces matériaux sont ferromagnétiques, ce qui signifie simplement qu’ils sont « magnétiques comme le fer ». Cependant, un matériau ferromagnétique perd son magnétisme si vous le chauffez au-delà d’un certain point, appelé température de Curie. La température de Curie du fer est de 770°C (1300°F), tandis que celle du nickel est de 355°C (~670°F). Si vous chauffez un aimant en fer à 800°C (~1500°F), il cesse d’être un aimant. Vous pouvez également détruire ou affaiblir le ferromagnétisme si vous frappez un aimant de façon répétée.

Diamagnétique

On peut penser que les matériaux paramagnétiques et ferromagnétiques sont des  » fans  » du magnétisme : en un sens, ils  » aiment  » le magnétisme et y répondent positivement en se laissant magnétiser. Tous les matériaux ne répondent pas avec autant d’enthousiasme. Si vous suspendez certains matériaux dans des champs magnétiques, ils s’énervent intérieurement et résistent : ils se transforment en aimants temporaires pour résister à la magnétisation et repoussent faiblement les champs magnétiques extérieurs. Nous appelons ces matériaux des diamagnétiques. L’eau et de nombreuses substances organiques (à base de carbone), comme le benzène, se comportent de cette manière. Attachez un matériau diamagnétique à un fil et suspendez-le dans un champ magnétique et il tournera de façon à faire un angle de 180° avec le champ.

Qu’est-ce qui cause le magnétisme ?

Au début du 20e siècle, avant que les scientifiques ne comprennent correctement la structure des atomes et leur fonctionnement, ils ont proposé une idée facile à comprendre appelée la théorie du domaine pour expliquer le magnétisme. Quelques années plus tard, lorsqu’ils ont mieux compris les atomes, ils ont constaté que la théorie du domaine fonctionnait toujours, mais qu’elle pouvait elle-même être expliquée, à un niveau plus profond, par la théorie des atomes. Tous les différents aspects du magnétisme que nous observons peuvent être expliqués, en fin de compte, en parlant soit des domaines, soit des électrons dans les atomes, soit des deux. Examinons tour à tour ces deux théories.

Expliquer le magnétisme avec la théorie des domaines

Imaginez une usine quelque part qui fabrique de petites barres aimantées et les expédie aux écoles pour leurs cours de sciences. Imaginez un type appelé Dave qui doit conduire leur camion, transportant des tas de boîtes en carton, chacune contenant un aimant, vers une école différente. Dave n’a pas le temps de s’inquiéter de la façon dont les boîtes sont empilées, alors il les empile dans son camion comme il veut. L’aimant à l’intérieur d’une boîte peut être orienté vers le nord tandis que celui d’à côté est orienté vers le sud, l’est ou l’ouest. Dans l’ensemble, les aimants sont tous mélangés de sorte que, même si des champs magnétiques s’échappent de chaque boîte, ils s’annulent tous les uns les autres.

La même usine emploie un autre chauffeur de camion appelé Bill qui ne pourrait pas être plus différent.Il aime que tout soit bien rangé, alors il charge son camion d’une manière différente, empilant toutes les boîtes proprement pour qu’elles s’alignent exactement de la même façon. Pouvez-vous voir ce qui va se passer ? Le champ magnétique d’un carton s’alignera avec celui de tous les autres cartons… transformant ainsi le camion en un aimant géant. La cabine sera comme un pôle nord géant et l’arrière du camion un énorme pôle sud !

Ce qui se passe à l’intérieur de ces deux camions est ce qui se passe à une échelle minuscule à l’intérieur des matériaux magnétiques. Selon la théorie des domaines, un matériau comme une barre de fer contient des poches minuscules appelées domaines. Chaque domaine est un peu comme une boîte avec un aimant à l’intérieur. Vous voyez où nous voulons en venir ? La barre de fer est exactement comme le camion. Normalement, toutes ses « boîtes » sont disposées au hasard et il n’y a pas de magnétisme global : le fer n’est pas magnétisé. Mais arrangez toutes les boîtes dans l’ordre, faites en sorte qu’elles soient toutes orientées dans le même sens, et vous obtenez un champ magnétique global : hé presto, la barre est magnétisée.Lorsque vous approchez un aimant d’une barre de fer non magnétisée et que vous le caressez systématiquement et de façon répétée de haut en bas, ce que vous faites, c’est réarranger toutes les « boîtes » magnétiques (domaines) à l’intérieur pour qu’elles pointent dans le même sens.

La théorie des domaines explique ce qui se passe à l’intérieur des matériaux lorsqu’ils sont magnétisés. Dans un matériau non magnétisé (à gauche), les domaines sont disposés de manière aléatoire et il n’y a pas de champ magnétique global. Lorsque vous magnétisez un matériau (à droite), en caressant un barreau aimanté sur lui de manière répétée dans la même direction, les domaines se réarrangent de sorte que leurs champs magnétiques s’alignent, produisant un champ magnétique combiné dans la même direction.

Cette théorie explique comment le magnétisme peut apparaître, mais peut-elle expliquer certaines des autres choses que nous savons sur les aimants ? Si vous coupez un aimant en deux, nous savons que vous obtenez deux aimants, chacun avec un pôle nord et un pôle sud. C’est logique selon la théorie des domaines. Si vous coupez un aimant en deux, vous obtenez un aimant plus petit mais toujours rempli de domaines, qui peuvent être disposés du nord au sud comme dans l’aimant original. Qu’en est-il de la disparition du magnétisme lorsque vous frappez ou chauffez un aimant ? Cela peut aussi s’expliquer. Imaginez à nouveau la camionnette remplie de boîtes ordonnées. Conduisez-le de façon irrégulière, à très grande vitesse, et c’est un peu comme si vous le secouiez ou le marteliez. Toutes les boîtes se mélangent car elles sont orientées différemment et le magnétisme global disparaît.Chauffer un aimant l’agite intérieurement et mélange les boîtes à peu près de la même façon.

Expliquer le magnétisme avec la théorie atomique

La théorie des domaines est assez facile à comprendre, mais ce n’est pas une explication complète. Nous savons que les barres de fer ne sont pas pleines de boîtes remplies de petits aimants et, si l’on y réfléchit, essayer d’expliquer un aimant en disant qu’il est rempli de plus petits aimants n’est pas vraiment une explication, car cela amène immédiatement la question suivante : de quoi sont faits les plus petits aimants ? Heureusement, il existe une autre théorie vers laquelle nous pouvons nous tourner.

Au 19e siècle, les scientifiques ont découvert qu’ils pouvaient utiliser l’électricité pour faire du magnétisme et le magnétisme pour faire de l’électricité. JamesClerk Maxwell a déclaré que les deux phénomènes étaient en réalité des aspects différents de la même chose – l’électromagnétisme – comme les deux faces d’une même feuille de papier. L’électromagnétisme était une idée brillante, mais il s’agissait davantage d’une description que d’une explication : il montrait comment les choses étaient plutôt que d’expliquer pourquoi elles étaient ainsi. Ce n’est qu’au 20e siècle, lorsque les scientifiques ultérieurs ont réussi à comprendre le monde à l’intérieur des atomes, que l’explication de l’électromagnétisme est enfin apparue.

Nous savons que tout est fait d’atomes et que les atomes sont constitués d’un morceau central de matière appelé noyau. De minuscules particules appelées électrons se déplacent en orbite autour du noyau, un peu comme les satellites dans le ciel au-dessus de nous, mais elles tournent en même temps sur leur axe (comme des toupies). Nous savons que les électrons transportent des courants électriques (flux d’électricité) lorsqu’ils se déplacent dans des matériaux tels que les métaux, car les électrons sont en quelque sorte de minuscules particules d’électricité. Au XIXe siècle, les scientifiques savaient que l’électricité en mouvement donnait naissance au magnétisme. Au XXe siècle, il est apparu clairement que le magnétisme était dû aux électrons qui se déplacent à l’intérieur des atomes et créent des champs magnétiques tout autour d’eux. Les domaines sont en fait des groupes d’atomes dans lesquels les électrons en rotation produisent un champ magnétique global orienté dans un sens ou dans l’autre.

Artwork : Le magnétisme est causé par les électrons qui gravitent et tournent à l’intérieur des atomes. Notez que cette image n’est pas dessinée à l’échelle : la majeure partie d’un atome est un espace vide et les électrons sont en fait beaucoup plus éloignés du noyau que je ne l’ai dessiné ici.

Comme la théorie des domaines, la théorie atomique peut expliquer beaucoup de choses que nous savons sur les aimants, y compris le paramagnétisme (la façon dont les matériaux magnétiques s’alignent avec les champs magnétiques). La plupart des électrons d’un atome existent en paires qui tournent dans des directions opposées, de sorte que l’effet magnétique d’un électron dans une paire annule l’effet de son partenaire. Mais si un atome possède quelques électrons non appariés (les atomes de fer en ont quatre), ceux-ci produisent des champs magnétiques nets qui s’alignent les uns sur les autres et transforment l’atome entier en un mini-aimant. Lorsque vous placez un matériau paramagnétique tel que le fer dans un champ magnétique, les électrons changent leurmouvement pour produire un champ magnétique qui s’aligne sur le champ extérieur.

Qu’en est-il du diamagnétisme ? Dans les matériaux diamagnétiques, il n’y a pas d’électrons non appariés, donc cela ne se produit pas. Les atomes ont peu ou pas de magnétisme global et sont moins affectés par les champs magnétiques extérieurs. Cependant, les électrons qui orbitent en leur sein sont des particules chargées électriquement et, lorsqu’ils se déplacent dans un champ magnétique, ils se comportent comme n’importe quelle autre particule chargée électriquement dans un champ magnétique et subissent une force. Cela modifie très légèrement leurs orbites, produisant un certain magnétisme net qui s’oppose à la chose même qui le provoque (selon le morceau classique de la théorie électromagnétique connu sous le nom de loi de Lenz, qui est liée à la loi de conservation de l’énergie).En conséquence, le faible champ magnétique qu’ils produisent s’oppose au champ magnétique qui le provoque – ce qui est exactement ce que nous voyons lorsque les matériaux diamagnétiques essaient de « combattre » le champ magnétique dans lequel ils sont placés.

Une brève histoire du magnétisme

• Monde antique : Le magnétisme est connu des anciens Grecs, Romains et Chinois. Les Chinois utilisent des boussoles géomantiques (celles avec des inscriptions en bois disposées en anneaux autour d’une aiguille magnétique centrale) dans leFeng Shui. Les aimants tirent leur nom de Manisa en Turquie, un lieu autrefois appelé Magnésie, où l’on trouvait dans le sol du lodestone magnétique.
• 13e siècle : Les boussoles magnétiques sont utilisées pour la première fois pour la navigation dans les nations occidentales. Le Français Petrus Perigrinus(également appelé Peterof Maricourt) fait les premières études correctes du magnétisme.
• 17e siècle : Le médecin et scientifique anglais WilliamGilbert(1544-1603) publie On Magnets, samonumentale étude scientifique du magnétisme, etpropose que la Terre est un aimant géant.
• 18e siècle : L’Anglais John Michell(1724-93) et le Français CharlesAugustin de Coulomb (1736-1806) étudient les forces que peuvent exercer les aimants. Coulomb fait également d’importantes études sur l’électricité, mais ne parvient pas à relier l’électricité et le magnétisme comme parties d’un même phénomène sous-jacent.
• 19e siècle : Le Danois Hans Christian Oersted(1777-1851), les Français André-Marie Ampère(1775-1836) et Dominique Arago(1786-1853), et l’Anglais Michael Faraday(1791-1867) explorent les liens étroits entre électricité et magnétisme. James Clerk Maxwell (1831-1879) publie une explication relativement complète de l’électricité et du magnétisme (la théorie de l’électromagnétisme) et suggère que l’énergie électromagnétique se déplace en ondes (ouvrant la voie à l’invention de la radio).Pierre Curie (1859-1906) démontre que les matériaux perdent leur magnétisme à partir d’une certaine température (connue aujourd’hui sous le nom de température de Curie). Wilhelm Weber (1804-1891)développe des méthodes pratiques pour détecter et mesurer l’intensité d’un champ magnétique.
• 20e siècle : Paul Langevin (1872-1946) développe les travaux deCurie avec une théorie expliquant comment le magnétisme est affecté par la chaleur. Le physicien français Pierre Weiss (1865-1940) propose qu’il existe des particules appelées magnétrons, équivalentes aux électrons, à l’origine des propriétés magnétiques des matériaux et expose la théorie des domaines magnétiques.Deux scientifiques américains, Samuel Abraham Goudsmit (1902-78) et George Eugene Uhlenbeck (1900-88), montrent comment les propriétés magnétiques des matériaux résultent du mouvement de rotation des électrons à l’intérieur de ceux-ci.

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