AIMANTS

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Les aimants permanents sont des corps ferromagnétiques qui, une fois aimantés, conservent un certain état magnétique dont l'effet le plus sensible est d'attirer un morceau de fer.

C'est en 1600 que paraît le premier ouvrage sur les aimants : De magnete. Son auteur, William Gilbert, essaya de créer des aimants artificiels, en utilisant le champ magnétique terrestre pour magnétiser des barres de fer. La découverte par Hans Christian Œrsted en 1820 de l'électromagnétisme, c'est-à-dire du champ magnétique créé par un courant électrique, freina pour un temps l'étude des aimants permanents. Quelques améliorations techniques furent apportées à la fin du xixe et au début du xxe siècle, notamment dans la fabrication d'alliages magnétiques. Cependant, ce sont les tentatives d'explication théorique du magnétisme par Pierre Curie, Paul Langevin, Pierre Weiss et plus tard Louis Néel qui donnèrent un regain d'intérêt aux aimants permanents. L'année 1931 fait date avec la découverte par le Japonais Mishima des alliages fer-nickel-aluminium qui sont à la base de l'essor prodigieux de cette branche de l'industrie. Les domaines d'applications des aimants permanents sont innombrables. Les plus importants sont : l'électronique, les télécommunications, l'électro-acoustique, l'électrotechnique et les instruments de mesure, enfin les appareils de contrôle ; la recherche moderne les utilise également dans les spectrographes de masse et les accélérateurs de particules.

Louis Néel

Photographie : Louis Néel

Le physicien français Louis Néel, en 1970, lors du banquet qui suit la remise du prix Nobel qui lui a été attribué pour ses travaux sur le ferromagnétisme. 

Crédits : Hulton Getty

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Généralités

Définitions générales

Lorsqu'on place un matériau ferromagnétique de volume v dans un champ magnétique He, il prend un moment magnétique M. On définit en tout point une intensité d'aimantation ou aimantation J ; si la substance est uniformément aimantée, M = Jv. On représente, symboliquement, l'existence du vecteur J par des charges + et − (ou pôles nord et sud) réparties à la surface et dans le volume de la substance. Ces pôles créent à leur tour un champ magnétique ou champ démagnétisant Hd dirigé des pôles nord vers les pôles sud donc de sens contraire à J. Pour un corps uniformément aimanté dont la surface est ellipsoïdale, Hd est aussi uniforme et proportionnel à J :

N est le coefficient de désaimantation, constant pour une direction d'aimantation donnée.

Lignes de champ magnétique

Photographie : Lignes de champ magnétique

Un aimant, situé sous un plan où repose de la limaille de fer, oriente toutes les particules métalliques selon les courbes du champ magnétique du pôle nord au pole sud de l'aimant. 

Crédits : J. R. Eyerman/ The LIFE Picture Collection/ Getty Images

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Matériau ferromagnétique

Dessin : Matériau ferromagnétique

Matériau ferromagnétique aimanté. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Dans les applications d'aimants permanents, on parlera plutôt d'induction magnétique B que d'aimantation J et on écrira :

H, champ magnétique qui règne à l'intérieur de l'aimant, est égal à la somme géométrique des champs magnétiques appliqué et démagnétisant. Par analogie avec le flux hydraulique, on définit alors un flux d'induction magnétique à travers une surface s :
il a la propriété d'être conservatif :
Ce flux magnétique pourra être utilisé dans tout l'espace environnant l'aimant.

Cycle d'hystérésis

Si l'on part d'un corps désaimanté (J = 0) et qu'on le place, à une température θ déterminée, dans un champ magnétique extérieur que l'on fait croître progressivement, on peut tracer les caractéristiques J (H) et B (H) du matériau, H étant le champ qui règne à l'intérieur de la substance. Lorsque H croît indéfiniment, on atteint l'aimantation à saturation Js du matériau à la température θ.

Hystérésis

Dessin : Hystérésis

Cycle d'hystérésis. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Quand on fait décroître H, les courbes représentatives de J et de B ne passent pas par les mêmes points et, au moment où H est nul, il subsiste une certaine induction, dite induction rémanente, Br = 4πJr. Puis, le champ intérieur devenant négatif, on parvient à annuler B et J pour les valeurs BHc et JHc de H. JHc est le champ coercitif d'aimantation, BHc est le champ coercitif d'induction, ou champ coercitif Hc. Dans le deuxième quadrant de la figure, 4πJ > B puisque H < O, par suite, en grandeur on a JHc > Hc. Cette différence entre les deux valeurs des champs coercitifs, assez peu importante pour la plupart des matériaux (quelques centaines d'ampères par mètre pour les aimants fer-cobalt-nickel-aluminium), devient considérable dans certains cas. Par exemple pour le silmanal (Ag - Mn - Al), Hc = 43 800 A ( m-1, JHc = 533 200 A ( m-1.

En poursuivant le tracé de la courbe, on passe par les points − Bs, − Br, + Hc, + Bs ; on a décrit le cycle d'hystérésis.

Grandeurs caractéristiques des aimants permanents

D'une façon générale, un aimant permanent est utilisé pour produire un champ magnétique He de valeur déterminée, dans un entrefer de longueur le et de section Se données. La figure représente schématiquement un circuit magnétique classique avec un aimant de longueur moyenne la et de section Sa. En appliquant à ce circuit les deux équations fondamentales de la magnétostatique, c'est-à-dire le théorème d'Ampère (∫le H ( →dl = 0 le long d'un contour fermé) et la conservation du flux (div B = 0), on  obtient Ha ( la + He ( le = 0, d'où Ha = − (le/la) He et Ba Sa = Be Se.

Circuit magnétique

Dessin : Circuit magnétique

Circuit magnétique à aimant. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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On voit que, dans l'aimant, l'induction Ba est positive et le champ Ha est négatif. La partie utile du cycle d'hystérésis d'un aimant est donc celle qui est située dans le deuxième quadrant, c'est-à-dire celle qui est comprise entre les points Br et Hc. D'une façon générale, l'aimant permanent travaille toujours sous l'influence de son champ démagnétisant. Lors du tracé du cycle d'hystérésis, on a dépensé, pour aimanter le matériau, une certaine énergie proportionnelle à l'aire du cycle.

Matériau à aimant

Dessin : Matériau à aimant

Courbe caractéristique d'un matériau à aimant. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Quand on supprime le champ magnétisant, l'aimant conserve une partie de cette énergie sous forme d'énergie magnétique disponible pour utilisation dans l'espace environnant. On démontre que la densité d'énergie magnétique dans un milieu est égale à BH/8π.

Un aimant dont le point de fonctionnement est en A (ce qui signifie qu'à l'intérieur de cet aimant règnent l'induction Ba et le champ Ha, coordonnées de A) sera donc capable de fournir une énergie proportionnelle au produit BaHa, c'est-à-dire proportionnelle à l'aire du rectangle représenté sur la figure. Plus l'aire de ce rectangle sera étendue, plus l'énergie disponible sera élevée. Pour un matériau donné, il existe sur le cycle un point pour lequel le produit BH est maximum : c'est « le point de (BH)max ». Il est évident qu'un aimant donné produira le maximum d'énergie si, d'une part, son cycle est étendu – donc si Br et Hc sont élevés – et, d'autre part, s'il est possible d'inscrire sous ce cycle un rectangle de dimensions importantes – donc si le cycle est lui-même rectangulaire. En résumé, les trois grandeurs fondamentales d'un aimant sont : l'induction rémanente Br, le champ coercitif Hc, le produit d'énergie maximum (BH)max.

Matériau à aimant

Dessin : Matériau à aimant

Courbe caractéristique d'un matériau à aimant. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Origines de l'hystérésis magnétique

Le développement des matériaux à aimants permanents a pour but de rechercher le (BH)max le plus élevé possible de façon que l'aimant soit le plus efficace possible. Accroître le (BH)max revient d'abord à accroître Br et Hc. On ne peut espérer une augmentation considéra [...]

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Louis Néel

Louis Néel
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Lignes de champ magnétique

Lignes de champ magnétique
Crédits : J. R. Eyerman/ The LIFE Picture Collection/ Getty Images

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Matériau ferromagnétique
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Hystérésis

Hystérésis
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  • : ingénieur, chef de département à la Société d'études et de recherches magnétiques

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Pour citer l’article

Roger FONTAINE, « AIMANTS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/aimants/