AIMANTS

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 xix^e et au début du xx^e 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.

Généralités

Définitions générales

Lorsqu'on place un matériau ferromagnétique de volume v dans un champ magnétique H_e, 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 H_d dirigé des pôles nord vers les pôles sud donc de sens contraire à J. Pour un corps uniformément aimanté dont la surface est ellipsoïdale, H_d est aussi uniforme et proportionnel à J :

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

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

où 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 J_s du matériau à la température θ.

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, B_r = 4πJ_r. Puis, le champ intérieur devenant négatif, on parvient à annuler B et J pour les valeurs _BH_c et _JH_c de H. _JH_c est le champ coercitif d'aimantation, _BH_c est le champ coercitif d'induction, ou champ coercitif H_c. Dans le deuxième quadrant de la figure, 4πJ > B puisque H < O, par suite, en grandeur on a _JH_c > H_c. 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), H_c = 43 800 A ( m^-1, _JH_c = 533 200 A ( m^-1.

En poursuivant le tracé de la courbe, on passe par les points − B_s, − B_r, + H_c, + B_s ; on a décrit le cycle d'hystérésis.

Grandeurs caractéristiques des aimants permanents

D'une façon générale, un aimant permanent est utilisé pour produire u [...]

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