Contenu
- Comprendre le magnétisme et les domaines
- Comment fonctionnent les électroaimants?
- Choisir une perméabilité de base et relative
- Quel est le meilleur noyau pour un électro-aimant?
- Quels matériaux sont principalement utilisés pour la fabrication de noyaux électromagnétiques?
Le fer est largement considéré comme le meilleur noyau d'électroaimant, mais pourquoi? Ce n’est pas le seul matériau magnétique, et il existe de nombreux alliages tels que l’acier que vous pouvez vous attendre à utiliser davantage à l’époque moderne. Comprendre pourquoi vous êtes plus susceptible de voir un électroaimant à noyau de fer plutôt qu’un autre matériau vous donne une brève introduction à de nombreux points clés de la science de l’électromagnétisme, ainsi qu’une approche structurée permettant d’expliquer quels matériaux sont principalement utilisés pour la fabrication d’électroaimants. En bref, la réponse réside dans la «perméabilité» du matériau aux champs magnétiques.
Comprendre le magnétisme et les domaines
L'origine du magnétisme dans les matériaux est un peu plus complexe que vous ne le pensez. Bien que la plupart des gens sachent que des choses comme les aimants en barre ont des pôles «nord» et «sud», et que des pôles opposés attirent et repoussent des pôles correspondants, l’origine de la force n’est pas aussi bien comprise. Le magnétisme découle finalement du mouvement de particules chargées.
Les électrons «gravitent» autour du noyau de l'atome hôte, un peu à la manière dont les planètes gravitent autour du Soleil, et les électrons portent une charge électrique négative. Le mouvement de la particule chargée - vous pouvez l’imaginer comme une boucle circulaire même s’il n’est pas aussi simple que cela - conduit à la création d’un champ magnétique. Ce champ est uniquement généré par un électron - une minuscule particule d’une masse d’environ un milliardième de milliardième de milliardième de gramme - ne vous étonnez donc pas que le champ d’un seul électron ne soit pas si grand. Cependant, cela influence les électrons dans les atomes voisins et conduit à l'alignement de leurs champs sur ceux d'origine. Ensuite, le champ de ceux-ci influence les autres électrons, ils influencent à leur tour les autres et ainsi de suite. Le résultat final est la création d'un petit «domaine» d'électrons où tous les champs magnétiques produits par ceux-ci sont alignés.
N'importe quel élément macroscopique, c'est-à-dire un échantillon suffisamment grand pour que vous puissiez le voir et interagir avec lui, a suffisamment de place pour de nombreux domaines. La direction du champ dans chacun est effectivement aléatoire, de sorte que les différents domaines ont tendance à s’annuler. L’échantillon de matériau macroscopique n’aura donc pas de champ magnétique net. Toutefois, si vous exposez le matériau à un autre champ magnétique, tous les domaines sont alignés sur celui-ci. Ils sont donc également alignés les uns sur les autres. Lorsque cela se produira, l'échantillon macroscopique du matériau aura un champ magnétique, car tous les petits champs «travaillent ensemble», pour ainsi dire.
La mesure dans laquelle un matériau maintient cet alignement de domaines après la suppression du champ externe détermine les matériaux que vous pouvez appeler «magnétiques». Les matériaux ferromagnétiques maintiennent cet alignement après la suppression du champ externe. Comme vous avez pu le savoir si vous connaissez votre tableau périodique, ce nom vient du fer (Fe), et le fer est le matériau ferromagnétique le plus connu.
Comment fonctionnent les électroaimants?
La description ci-dessus souligne que déplacer électrique charges produisent magnétique des champs. Ce lien entre les deux forces est crucial pour comprendre les électroaimants. De la même manière que le mouvement d'un électron autour du noyau d'un atome produit un champ magnétique, le mouvement des électrons faisant partie d'un courant électrique produit également un champ magnétique. Cela a été découvert par Hans Christian Oersted en 1820, quand il a remarqué que l'aiguille d'un compas était déviée par le courant traversant un fil électrique à proximité. Pour une longueur de fil droite, les lignes de champ magnétique forment des cercles concentriques entourant le fil.
Les électroaimants exploitent ce phénomène en utilisant une bobine de fil. Au fur et à mesure que le courant traverse la bobine, le champ magnétique généré par chaque boucle s'ajoute au champ généré par les autres boucles, produisant ainsi une extrémité définitive «nord» et «sud» (ou positive et négative). C'est le principe de base qui sous-tend les électroaimants.
Cela seul suffirait à produire du magnétisme, mais les électro-aimants sont améliorés avec l’ajout d’un «noyau». C’est un matériau autour duquel le fil est enroulé et, s’il s’agit d’un matériau magnétique, ses propriétés contribueront au champ produit par la bobine de fil. Le champ produit par la bobine aligne les domaines magnétiques dans le matériau, de sorte que la bobine et le noyau magnétique physique fonctionnent ensemble pour produire un champ plus puissant que l'un ou l'autre ne pourrait l'être seul.
Choisir une perméabilité de base et relative
La «perméabilité relative» du matériau répond à la question de savoir quel métal convient aux noyaux d'électroaimant. Dans le domaine de l'électromagnétisme, la perméabilité du matériau décrit sa capacité à former des champs magnétiques. Si un matériau a une perméabilité plus élevée, il magnétisera plus fortement en réponse à un champ magnétique externe.
Le «relatif» dans le terme établit une norme pour la comparaison de la perméabilité de différents matériaux. La perméabilité de l'espace libre est donnée le symbole μ0 et est utilisé dans de nombreuses équations traitant du magnétisme. C'est une constante avec la valeur μ0 = 4π × 10−7 henries par mètre. La perméabilité relative (μr) d'un matériau est défini par:
μr = μ / μ0
Où μ est la perméabilité de la substance en question. La perméabilité relative n'a pas d'unités; c'est juste un nombre pur. Donc, si quelque chose ne répond pas du tout à un champ magnétique, il en a une perméabilité relative, ce qui signifie qu'il répond de la même manière qu'un vide complet, autrement dit «espace libre». Plus la perméabilité relative est élevée, plus la réponse magnétique du matériau est grande.
Quel est le meilleur noyau pour un électro-aimant?
Le meilleur noyau pour un électroaimant est donc le matériau présentant la perméabilité relative la plus élevée. Tout matériau ayant une perméabilité relative supérieure à un augmentera la résistance d’un électro-aimant lorsqu’il est utilisé comme noyau. Le nickel est un exemple de matériau ferromagnétique et sa perméabilité relative est comprise entre 100 et 600. Si vous utilisiez un noyau de nickel pour un électro-aimant, la force du champ généré serait considérablement améliorée.
Cependant, le fer a une perméabilité relative de 5 000 quand il est pur à 99,8%, et la perméabilité relative du fer doux à 99,95% est de 200 000. Cette énorme perméabilité relative explique pourquoi le fer est le meilleur noyau pour un électroaimant. Plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors du choix d’un matériau pour un noyau d’électroaimant, notamment le risque de gaspillage dû aux courants de Foucault, mais d’une manière générale, le fer est économique et efficace. Il est donc soit intégré au matériau du noyau, soit fabriqué à partir de le fer.
Quels matériaux sont principalement utilisés pour la fabrication de noyaux électromagnétiques?
De nombreux matériaux peuvent fonctionner comme des noyaux électromagnétiques, mais certains sont courants: le fer, l'acier amorphe, les céramiques ferreuses (composés céramiques à base d'oxyde de fer), l'acier au silicium et les rubans amorphes à base de fer. En principe, tout matériau présentant une perméabilité relative élevée peut être utilisé comme noyau d'électroaimant. Certains matériaux ont été spécialement conçus pour servir de noyaux d'électroaimants, notamment le permalloy, qui a une perméabilité relative de 8 000. Un autre exemple est le Nanoperm à base de fer, qui a une perméabilité relative de 80 000.
Ces chiffres sont impressionnants (et dépassent tous les deux la perméabilité du fer légèrement impur), mais la clé de la domination des noyaux de fer réside en réalité dans un mélange de leur perméabilité et de leur prix abordable.