Contenu
- TL; DR (Trop long; n'a pas lu)
- Définir les aimants et le magnétisme
- Types d'aimants
- Aimants permanents
- Aimants temporaires
- Électro-aimants
- Le plus grand aimant des mondes
Les aimants semblent mystérieux. Des forces invisibles rapprochent des matériaux magnétiques ou, avec le retournement d'un aimant, les séparent. Plus les aimants sont puissants, plus l'attraction ou la répulsion est forte. Et, bien sûr, la Terre elle-même est un aimant. Alors que certains aimants sont en acier, il existe d’autres types d’aimants.
TL; DR (Trop long; n'a pas lu)
La magnétite est un minéral magnétique naturel. Le noyau terrestre en rotation génère un champ magnétique. Les aimants Alnico sont composés d'aluminium, de nickel et de cobalt et contiennent de plus petites quantités d'aluminium, de cuivre et de titane. Les aimants en céramique ou en ferrite sont composés d'oxyde de baryum ou de strontium allié à de l'oxyde de fer. Le samarium cobalt, qui contient un alliage de samarium-cobalt avec des oligo-éléments (fer, cuivre, zircon) et les aimants au bore et au fer de néodyme, est deux aimants à base de terres rares.
Définir les aimants et le magnétisme
Tout objet qui produit un champ magnétique et interagit avec d'autres champs magnétiques est un aimant. Les aimants ont une extrémité ou un pôle positif et une extrémité ou un pôle négatif. Les lignes du champ magnétique se déplacent du pôle positif (également appelé pôle nord) au pôle négatif (sud). Le magnétisme fait référence à l'interaction entre deux aimants. Les opposés s'attirent, de sorte que le pôle positif d'un aimant et le pôle négatif d'un autre aimant s'attirent.
Types d'aimants
Il existe trois types généraux d’aimants: les aimants permanents, les aimants temporaires et les électroaimants. Les aimants permanents conservent leur qualité magnétique sur de longues périodes. Les aimants temporaires perdent rapidement leur magnétisme. Les électroaimants utilisent le courant électrique pour générer un champ magnétique.
Aimants permanents
Les aimants permanents conservent leurs propriétés magnétiques pendant de longues périodes. Les changements dans les aimants permanents dépendent de la force de l'aimant et de la composition des aimants. Les changements se produisent généralement en raison de changements de température (généralement une température croissante). Les aimants chauffés à leur température de Curie perdent en permanence leur propriété magnétique car les atomes se déplacent hors de la configuration qui provoque l'effet magnétique. La température de Curie, nommée d'après le découvreur Pierre Curie, varie en fonction du matériau magnétique.
La magnétite, un aimant permanent naturel, est un aimant faible. Les aimants permanents les plus puissants sont l’alnico, le néodyme, le bore, le samarium-cobalt et des aimants en céramique ou en ferrite. Ces aimants répondent tous aux exigences de la définition des aimants permanents.
Magnétite
La magnétite, également appelée lodestone, fournissait les aiguilles du compas des explorateurs allant des chasseurs de jade chinois aux voyageurs du monde entier. La magnétite minérale se forme lorsque le fer est chauffé dans une atmosphère pauvre en oxygène, ce qui donne le composé oxyde de fer Fe3O4. Des éclats de magnétite servent de compas. Les boussoles remontent à environ 250 av. en Chine, où ils ont été appelés des pointeurs du sud.
Alnico Alliage Aimants
Les aimants Alnico sont des aimants couramment utilisés composés d’un composé à 35% d’aluminium (Al), 35% de nickel (Ni) et 15% de cobalt (Co) avec 7% d’aluminium (Al), 4% de cuivre (Cu) et 4% de titane ( Ti). Ces aimants ont été développés dans les années 1930 et sont devenus populaires dans les années 1940. La température a moins d’effet sur les aimants Alnico que d’autres aimants créés artificiellement. Les aimants Alnico peuvent être démagnétisés plus facilement, cependant, les aimants Alnico en barre et en fer à cheval doivent être stockés correctement pour éviter leur démagnétisation.
Les aimants Alnico sont utilisés de nombreuses manières, en particulier dans les systèmes audio tels que les haut-parleurs et les microphones. Les avantages des aimants Alnico sont notamment une résistance élevée à la corrosion, une résistance physique élevée (ne pas ébrécher, se fissurer ou se casser facilement) et une résistance élevée aux températures (jusqu'à 540 degrés Celsius). Les inconvénients comprennent une force d'attraction magnétique plus faible que celle des autres aimants artificiels.
Aimants en céramique (ferrite)
Dans les années 1950, un nouveau groupe d'aimants a été développé. Les ferrites hexagonales dures, également appelées aimants en céramique, peuvent être découpées en tranches plus minces et exposées à des champs démagnétisants de faible niveau sans perdre leurs propriétés magnétiques. Ils sont également peu coûteux à faire. La structure moléculaire de la ferrite hexagonale est présente à la fois dans l’oxyde de baryum allié à l’oxyde de fer (BaO <6Fe).2O3) et oxyde de strontium allié à l’oxyde de fer (SrO ∙ 6Fe2O3) La ferrite de strontium (Sr) a des propriétés magnétiques légèrement meilleures. Les aimants permanents les plus couramment utilisés sont les aimants en ferrite (céramique). Outre le coût, les aimants en céramique ont notamment pour avantages une bonne résistance à la démagnétisation et une résistance élevée à la corrosion. Ils sont cependant fragiles et se cassent facilement.
Aimants Samarium-Cobalt
Les aimants Samarium-Cobalt ont été développés en 1967. Ces aimants, avec une composition moléculaire de SmCo5, est devenu le premier aimant permanent commercial en terres rares et en métaux de transition. En 1976, un alliage de samarium et de cobalt avec des oligo-éléments (fer, cuivre et zircon) a été mis au point, avec une structure moléculaire de Sm2(Co, Fe, Cu, Zr)17. Ces aimants ont un grand potentiel d'utilisation dans les applications à haute température, jusqu'à environ 500 ° C, mais le coût élevé des matériaux limite l'utilisation de ce type d'aimant. Le samarium est rare, même parmi les éléments de terres rares, et le cobalt étant classé comme métal stratégique, les approvisionnements sont contrôlés.
Les aimants Samarium-Cobalt fonctionnent bien dans des conditions humides. Parmi les autres avantages, citons la résistance élevée à la chaleur, la résistance aux basses températures (-273 ° C) et la résistance élevée à la corrosion. Comme les aimants en céramique, cependant, les aimants en samarium-cobalt sont fragiles. Comme indiqué, ils sont plus chers.
Aimants au néodyme et au bore de fer
Les aimants néodyme-fer-bore (NdFeB ou NIB) ont été inventés en 1983. Ces aimants contiennent 70% de fer, 5% de bore et 25% de néodyme, un élément des terres rares. Les aimants NIB se corrodent rapidement, ils reçoivent donc une couche protectrice, généralement du nickel, pendant le processus de production. Des revêtements en aluminium, en zinc ou en résine époxy peuvent être utilisés à la place du nickel.
Bien que les aimants NIB soient les aimants permanents les plus puissants connus, ils possèdent également la température de Curie la plus basse, environ 350 ° C (certaines sources indiquent même que 80 ° C), par rapport aux autres aimants permanents. Cette basse température de Curie limite leur utilisation industrielle. Les aimants néodyme-bore au fer sont devenus un élément essentiel de l'électronique domestique, y compris les téléphones portables et les ordinateurs. Les aimants néodyme-fer-bore sont également utilisés dans les machines d'imagerie par résonance magnétique (IRM).
Les avantages des aimants NIB incluent le rapport poids / puissance (jusqu'à 1 300 fois), une résistance élevée à la démagnétisation à des températures confortables et une rentabilité optimale. Les inconvénients incluent une perte de magnétisme à des températures inférieures à Curie, une faible résistance à la corrosion (si le placage est endommagé) et une fragilité (peut se briser, se fendre ou se fragmenter lors de collisions soudaines avec d'autres aimants ou métaux. Voir Ressources pour Magnetic Fruit, une activité utilisant des aimants NIB .)
Aimants temporaires
Les aimants temporaires sont constitués de ce qu'on appelle des matériaux de fer doux. Le fer doux signifie que les atomes et les électrons peuvent s'aligner dans le fer et se comportent alors comme un aimant. La liste des métaux magnétiques comprend des clous, des trombones et d’autres matériaux contenant du fer. Les aimants temporaires deviennent des aimants lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique ou placés dans un champ magnétique. Par exemple, une aiguille frottée par un aimant devient un aimant temporaire, car l'aimant entraîne l'alignement des électrons dans l'aiguille. Si le champ magnétique ou l'exposition à l'aimant est suffisamment forte, les fers doux peuvent devenir des aimants permanents, au moins jusqu'à ce que la chaleur, les chocs ou le temps causent une perte d'alignement des atomes.
Électro-aimants
Le troisième type d'aimant se produit lorsque l'électricité passe à travers un fil. Enrouler le fil autour d'un noyau en fer doux amplifie la force du champ magnétique. L'augmentation de l'électricité augmente la force du champ magnétique. Lorsque l'électricité circule dans le fil, l'aimant fonctionne. Arrêtez le flux d'électrons et le champ magnétique s'effondre. (Voir Ressources pour une simulation PhET de l'électromagnétisme.)
Le plus grand aimant des mondes
Le plus grand aimant au monde est en réalité la Terre. Le noyau interne solide en fer-nickel de la Terre, qui tourne dans le noyau externe en fer-nickel liquide, se comporte comme une dynamo, générant un champ magnétique. Le champ magnétique faible agit comme un barreau aimanté incliné d'environ 11 degrés par rapport à l'axe de la Terre. L'extrémité nord de ce champ magnétique est le pôle sud de la barre magnétique. Puisque les champs magnétiques opposés s’attirent, l’extrémité nord d’une boussole magnétique pointe vers l’extrémité sud du champ magnétique terrestre situé près du pôle nord (autrement dit, le pôle magnétique terrestre est situé près du pôle nord géographique). , bien que vous voyiez souvent ce pôle magnétique sud étiqueté comme le pôle magnétique nord).
Le champ magnétique terrestre génère la magnétosphère qui entoure la Terre. L’interaction du vent solaire avec la magnétosphère est à l’origine des lumières nord et sud, appelées Aurora Borealis et Aurora Australis.
Le champ magnétique terrestre influe également sur les minéraux de fer contenus dans les coulées de lave. Les minéraux de fer dans la lave s'alignent avec le champ magnétique terrestre. Ces minéraux alignés "gèlent" en place lorsque la lave se refroidit. Les études des alignements magnétiques dans les flux de basalte de part et d'autre de la dorsale médio-atlantique fournissent des preuves non seulement des inversions du champ magnétique terrestre, mais également de la théorie de la tectonique des plaques.