Aimants & magnétisme - page 6/8
Les aimants permanents
Voici une vidéo qui explique ce qu'est réellement un aimant :
Source : Science Actu FR
Caractéristiques des aimants permanents
Les matériaux composant l’aimant permanent ont un effet significatif sur la puissance finale de l’aimant. Les matériaux utilisés détermineront aussi comment son flux est affecté par la température et comment l'aimant peut être facilement démagnétisé en s'opposant aux champs magnétiques.
Il existe quatre classes principales d'aimants permanents, du moins au plus puissant :
Caractéristiques qualitatives des quatre classes :
Classe |
Points positifs |
Points négatifs |
Ferrite |
Faible coût, bonne tenue en température |
Faible puissance magnétique |
Alnico |
Faible coût, haute tenue en température |
Démagnétisable par un champ externe fort |
SmCo |
Puissant, bonne tenue en température |
Température limitée à 300°, fragile, coût élevé |
NdFeB |
Le plus puissant |
Température limitée à 80°, fragile, coût élevé |
Caractéristiques techniques générales des quatre classes :
Classe |
Br |
Hc |
BH max |
T coef de Br |
T max |
T de Curie |
Ferrite |
0,39 T |
0,32 Oe |
3,5 MGOe |
-0,20 % |
280 ° |
460 ° |
Alnico |
1,25 T |
0,064 Oe |
5,5 MGOe |
-0,02 % |
540 ° |
800 ° |
SmCo |
1,05 T |
0,92 Oe |
26 MGOe |
-0,04 % |
300 ° |
750 ° |
NdFeB |
1,28 T |
1,23 Oe |
40 MGOe |
-0,12 % |
80 ° |
310 ° |
Br : Rémanence est la mesure de sa densité de flux résiduelle magnétique en Tesla, qui est le flux maximal l'aimant est capable de produire. 1 Tesla est égal à 10.000 Gauss ou 1 Weber par m². La rémanence Br mesure l'induction ou la densité de flux persistante dans un aimant après magnétisation.
Hc : Mesure de la force d’excitation coercitive magnétique des champs en Oersted, ou le point auquel l'aimant devient démagnétisé par un champ externe. (1Oersted est égal à 2,02Ampère-tours/pouce). Avec la valeur de l'excitation coercitive Hc on peut savoir quelle est l'intensité du champ magnétique opposé nécessaire pour complètement démagnétiser un aimant. Autrement dit, plus sa valeur est grande et plus l'aimant gardera ses capacités magnétiques quand il sera soumis à un champ de direction opposée. Il sera fait une différence entre l'excitation coercitive bHc d'intensité de flux et l'excitation coercitive jHc de polarisation. Si l'aimant est plongé dans un champ contraire de valeur bHc, il n'y a plus de flux magnétique visible. L'aimant lui-même est toujours magnétique, les champs s'annulent simplement. C'est seulement si l'aimant est soumis à un champ contraire de valeur supérieur à jHc qu'il perdra sa magnétisation.
BHmax : Terme de densité d'énergie complète. Plus haut est le nombre, plus puissant est l'aimant. Ce produit représente l'énergie maximum qui peut être emmagasinée dans un aimant. Le produit énergétique maximum est la surface du plus grand rectangle inscrit dans le cycle d'hystérésis du matériau. L'unité utilisée est le MGOe (méga Gauss Oersted) ou le kJ.m³ (kilo joule par mètre cube).
T coef de Br : est le coefficient de température de Br en termes de % par degré Centigrade. Cela vous dit comment le flux magnétique change en ce qui concerne la température. -0.20 signifie que pour une augmentation de température de 100 degrés Centigrade, son flux magnétique diminuera de 20 %.
T max : Température maximale l'aimant à laquelle fonctionnera. Après les baisses de température au-dessous de cette valeur, il se comportera toujours comme il a fait avant qu'il n'ait atteint cette température (réversible).
T de curie : Température Curie à laquelle l'aimant deviendra démagnétisé. Après les baisses de température au-dessous de cette valeur, il ne se comportera plus comme avant qu'il n'ait atteint cette température. Si l'aimant est chauffé entre Tmax et Tcurie, il se remettra partiellement, mais non entièrement (non réversible).
Températures critiques des aimants (en °C) |
|||
Classe |
Température minimum |
Température maximum |
Température de Curie |
Ferrite |
- 60 ° |
280 ° |
460 ° |
Alnico |
- 269,15 ° |
540 ° |
800 ° |
SmCo |
- 269,15 ° |
300 ° |
750 ° |
NdFeB |
- 196,15 ° |
80 ° |
310 ° |
Le tableau ci-dessus présente la fourchette de température de fonctionnement des différentes classes d'aimants, entre minimum et maximum.
Au-delà de la température maximum, il y a une détérioration progressive du magnétisme variable suivant l'aimant, sa taille et sa forme. Cette détérioration est réversible si la température revient dans la plage normale de fonctionnement. Au dessus de la température de Curie, il y a détérioration irréversible du magnétisme.
Tous les aimants sont caractérisés par un ordre magnétique au niveau atomique. Si l'on chauffe cet aimant, on perturbe cet ordre. L'élévation de température donne une liberté de plus en plus grande à la structure atomique de l'aimant.
Exemple : si l'on chauffe un métal jusqu'à son point de fusion, ses atomes deviennent de plus en plus agités et finalement, les forces coercitives internes qui maintiennent ce métal à l'état solide sont rompues et il devient liquide.
Le niveau de température atteint détermine le degré de désorganisation et, passé la température de Curie (de Pierre Curie, prix Nobel de physique) le matériau de l'aimant devient paramagnétique.
À son refroidissement, sa structure sera définitivement altérée. Suivant le matériau, seule une remagnétisation pourra éventuellement rendre les propriétés magnétiques à l'aimant.
Les sens possibles de polarisation des aimants
De nombreuses possibilités se présentent pour la polarisation des aimants. Les principales sont :
La force d'adhérence d'un aimant
La force d'adhérence indiquée par les fournisseurs d'aimants est une valeur maximale théorique, obtenue dans des conditions optimales. Quand on parle, dans le langage courant, de force magnétique, on pense la plupart du temps soit à la force d'adhérence sur une plaque métallique, soit à la force d'attraction sur une pièce métallique, ou un autre aimant, à une distance donnée.
Pour estimer cette force, il n'est pas suffisant de seulement prendre en compte le matériau utilisé, mais aussi le volume de l'aimant, sa forme, ses proportions (par ex. le rapport hauteur/diamètre pour un disque), ainsi que la combinaison avec d'autres matériaux, comme par exemple lorsque l'aimant est assemblé à une plaque en fer, ou serti dans un pot métallique, ou est "autonome".
Cette force d'adhérence est aussi dépendante de la température d'utilisation. Les données des températures maximales peuvent être utilisées sans problème pour des aimants ayant des proportions optimales. Mais, par exemple, si un aimant est très fin par rapport à son diamètre ou sa longueur, il aura une plus faible inertie thermique et la température maximale d'utilisation sera donc plus vite atteinte.
En ce qui concerne la force, pour deux aimants de tailles et de magnétisations différentes, c'est en général la différence de volume qui sera plus déterminante que la différence de magnétisation. Pour cette raison, les gros aimants sont en général plus forts que les petits, même si leur valeur de magnétisation est plus faible.
En pratique, la force d'adhérence dépend des éléments suivants:
En principe, pour une application bien précise, ne vous fiez pas à l'indication de la force d'adhérence qui est donnée, il est nécessaire d'effectuer des tests dans les conditions réelles d'utilisation.
Calcul de la force de contact exercée par un aimant
Ces formules sont une approximation théorique, en pratique le résultat est fortement dépendant des conditions réelles du test (voir ci-dessus).
Connaissant l'intensité du champ magnétique B (en Teslas) de l'aimant à sa surface, on peut calculer sans difficulté la force requise pour le décoller d'une surface ferromagnétique :
avec F : la force en Newtons (1 Newton = 0,102 kg), B : l'intensité du champ magnétique en Teslas, S : la surface de l'aimant en mètres², µ : la perméabilité du vide (ou de l'air)
Exemple: un aimant cylindrique de 2 cm de diamètre, aimanté axialement, ayant un champ magnétique B = à 1,5 T, collé sur une surface métallique demandera une force de 281,25 N ou 28,68 kg pour être décollé.
Caractéristiques magnétiques :
Penchons-nous plus particulièrement sur ces aimants NdFeB qui sont actuellement les plus puissants disponibles sur le marché et accessibles au grand public. On sait maintenant que leurs défauts sont la température limite d'utilisation assez basse et leur fragilité mécanique aux chocs et à l'usure.
On les trouve sous des désignations comme N30, 42M, 27SH, 25UH ... Ces désignations définissent deux informations relatives à l'aimant :
Caractéristiques physiques des aimants Néodyme-Fer-Bore
Codification |
Rémanence Br en Tesla |
Force coercitive Hc en kOe |
Produit énergétique BH max en MGOe |
Température Max d'utilisation en °C |
||||
|
|
|
|
<= 80 |
||||
|
|
|
|
<= 80 |
||||
|
|
|
|
<= 80 |
||||
N38 |
1,22 - 1,26 |
10,8 - 11,5 |
36 - 38 |
<= 80 |
||||
|
|
|
|
<= 80 |
||||
|
|
|
|
<= 80 |
||||
|
|
|
|
<= 80 |
||||
|
|
|
|
<= 80 |
||||
|
|
|
|
<= 80 |
||||
|
|
|
|
<= 80 |
||||
|
|
|
|
<= 100 |
||||
|
|
|
|
<= 100 |
||||
|
|
|
|
<= 100 |
||||
|
|
|
|
<= 100 |
||||
|
|
|
|
<= 100 |
||||
|
|
|
|
<= 100 |
||||
|
|
|
|
<= 100 |
||||
|
|
|
|
<= 100 |
||||
|
|
|
|
<= 100 |
||||
|
|
|
|
<= 120 |
||||
|
|
|
|
<= 120 |
||||
|
|
|
|
<= 120 |
||||
|
|
|
|
<= 120 |
||||
|
|
|
|
<= 120 |
||||
|
|
|
|
<= 120 |
||||
|
|
|
|
<= 120 |
||||
|
|
|
|
<= 120 |
||||
|
|
|
|
<= 120 |
||||
|
|
|
|
<= 150 |
||||
|
|
|
|
<= 150 |
||||
|
|
|
|
<= 150 |
||||
|
|
|
|
<= 150 |
||||
|
|
|
|
<= 150 |
||||
|
|
|
|
<= 150 |
||||
|
|
|
|
<= 150 |
||||
|
|
|
|
<= 150 |
||||
|
|
|
|
<= 180 |
||||
|
|
|
|
<= 180 |
||||
|
|
|
|
<= 180 |
||||
|
|
|
|
<= 180 |
||||
|
|
|
|
<= 180 |
||||
|
|
|
|
<= 180 |
||||
|
|
|
|
<= 180 |
||||
|
|
|
|
<= 200 |
||||
|
|
|
|
<= 200 |
||||
|
|
|
|
<= 200 |
||||
|
|
|
|
<= 200 |
||||
|
|
|
|
<= 200 |
Caractéristiques mécaniques :
Les différents composants de l´alliage des aimants NdFeB sont les suivants : Fer 61,3%, Néodium 35%, Dysprosium 1,8%, Bore 1,4% et Aluminium 0,5%.
Ses caractéristiques mécaniques sont :
Fabrication : Les différentes étapes de sa fabrication sont : Fusion des métaux, alliage, concassage, pré-broyage, mélange, broyage, pressage en champ magnétique, frittage, usinage (affiler/scier), traitement de la surface, aimantation. La magnétisation est soit parallèle soit perpendiculaire au sens du pressage.
Usinage : Mécaniquement, les aimants en néodyme se comportent comme la porcelaine et la céramique : ils sont sensibles aux chocs et à la torsion (meulage avec arrosage uniquement). Les aimants ne doivent être usinés qu’avec du matériel adapté. L'alliage de néodyme est fortement pyrophorique et va certainement s'enflammer s'il est porté au rouge en atmosphère ordinaire. La poudre composant ces aimants est extrêmement inflammable. Elle ne doit donc en aucun cas être récoltée au moyen d’un aspirateur.
Manipulation : Le néodyme est un matériau fritté et donc, cassant. Les aimants peuvent se briser ou éclater. Cela se produit le plus souvent lors de collisions incontrôlées ou répétées entre deux aimants ou lors de contraintes mécaniques. Il est aussi possible, lors de telle collision, que des éclats soient projetés. Lors de la manipulation de gros aimants, il est conseillé de porter des gants et des lunettes de protection. Dans tous les cas, les aimants doivent être manipulés avec précaution et tout choc entre deux aimants doit être évité.
Protection de surface - Plaquage : Les aimants en Néodyme sont fortement sensibles à la corrosion et peuvent être protégés par une couche de nickel, de chrome, d'or, d'époxy, d'argent, de pyralène, etc. Cette couche s'use lors de chocs répétés au niveau du point d'impact. Aussi, nous vous conseillons de séparer les aimants les uns des autres à l'aide de plastique, de papier ou de carton.
Stockage : Les aimants en Néodyme sont très sensibles à l’humidité, à l’acide et à la poussière. Aussi, il faut veiller à les stocker dans des endroits secs, propres et à température ambiante. Ne pas stocker les aimants à proximité de tous matériels électriques ou électroniques.
Fixation mécanique : La fixation des aimants en Néodyme peut se faire de plusieurs manières :
Collage : Nous avons testé deux colles très résistantes qui ont donné satisfaction :
Encrassement courant : Nettoyer avec un chiffon imbibé d'essence F ou d'acétone dans les cas les plus résistants.
Encrassement par la colle : Afin de ramollir la colle faire préalablement baigner, le temps nécessaire, l'aimant dans le diluant conseillé par le fabricant. Sinon, l'acétone dilue de nombreux amalgames. L'outil de décapage le plus adapté (et le plus dangereux pour les doigts) est la lame de rasoir. Eliminer la colle par copeaux successifs, jusqu'à la surface de l'aimant. Pour finir, lisser proprement la surface de l'aimant avec le fil de lame de rasoir. Un dernier nettoyage au diluant supprimera les dernières traces de colle.
Encrassement par la limaille de fer : L'aimant sera débarrassé au mieux de sa limaille manuellement ou à l'aide d'air comprimé puis, pour les particules résiduelles, par décollage avec un adhésif. Ne jamais utiliser de cire chaude, comme nous l'avons vu préconisé sur certains sites Web, sa température de fusion qui est de l'ordre de 80° atteint déjà la limite basse d'altération du magnétisme des aimants Néodyme.
Si comme nous l'avons vu, le champ magnétique planétaire semble indispensable à la vie, la question de l'incidence des champs des aimants surpuissants fabriqués aujourd'hui sur la santé des organismes biologiques reste posée... Comme en toutes choses, c'est une question d'équilibre et de dosage.
Le champ magnétique d'un aimant Néodyme-Fer-Bore logé au creux de notre main nous baigne dans un champ statique 20.000 fois supérieur à celui de notre planète. Il convient donc de rester prudent...
De récentes études ont montré que les forces magnétiques issues d'aimants permanents sont trop faibles pour avoir une influence mesurable sur l'organisme humain. Le sujet n'est pas clos. On espère que dans le futur, d'autres méthodes de mesure seront mises au point et permettront de mettre en évidence l'influence des aimants sur l'organisme. Si de telles influences existaient, savoir si elles seraient néfastes ou bénéfiques à la santé est une autre question. Par précaution, le mieux est d'éviter les contacts prolongés avec les aimants de toutes dimensions et de respecter une distance de sécurité d'au moins un mètre avec les gros aimants.
Les thérapeutes alternatifs qui travaillent avec des aimants et les vendeurs d'aimants à usage thérapeutique clament que la science ne dispose pas encore des moyens nécessaires pour démontrer les effets magnétiques sur le corps humain... La magnétothérapie reste un choix médical et philosophique personnel.
Les gros aimants ont une force phénoménale quand ils s'attirent. Un doigt ne représenterait pas une grosse résistance s'il venait à se retrouver pris entre ceux-ci. Lors de la manipulation de gros aimants, portez toujours des gants et manipulez-les avec grande précaution.
Les aimants NdFeB sont beaucoup plus puissants que les aimants normaux. Conservez une distance de sécurité entre l'aimant et tout objet sensible aux champs magnétiques. Ceci inclut: téléviseurs, moniteurs, cartes de crédit, ordinateurs, cartes bancaires, disquettes et autres supports de données, cassettes audio et vidéo, montres mécaniques, appareils auditifs et haut-parleurs. Les pacemakers peuvent être endommagés en présence d'un fort champ magnétique.
Note de l'Office Fédéral de la Santé Publique :
Le recours aux aimants puissants sous différentes formes et tailles est très courant au quotidien, p. ex., dans les jouets, ou dans les objets usuels, tels que bijoux ou vêtements. En dépit de leur dimension (quelques millimètres), les aimants peuvent développer une force d'adhérence élevée et générer, de manière localisée, un fort champ magnétique statique (qui ne varie pas dans le temps).
Les champs magnétiques statiques localisés tels qu'ils sont créés par les aimants puissants peuvent dérégler le fonctionnement des implants électroniques actifs, tels que stimulateurs cardiaques ou défibrillateurs, et des implants pouvant être activés par application d'un aimant, et ainsi mettre les patients en danger. L'association d'un aimant et d'un objet contenant du fer ou de deux aimants produit d'importantes forces d'attraction. Sous un tel effet, l'aimant peut être projeté dans l'air et se briser en petits morceaux sous l'effet du choc. La précaution est donc de mise lors de la manipulation d'aimants puissants.
Les petits aimants peuvent être très dangereux pour les enfants. Si ces derniers en ingèrent plusieurs, l'attraction qui se crée entre eux peut causer des lésions au niveau de l'estomac ou de l'intestin, pouvant aller jusqu'à une occlusion intestinale.
Conseils pour une manipulation sûre des aimants :
Ci-dessus, des aimants ferrite bon marché utilisés dans le domaine de l'élevage bovin. (Taille : 60 x 20 x 15 mm, Poids : 100 g). On les donne à avaler aux ruminants suspectés d'avoir ingéré un objet ferreux contondant, clou ou autre, afin que celui-ci soit attiré et se colle à l'aimant. Le risque de perforation d'un organe digestif est ainsi fortement diminué. L'aimant restera dans la panse du bovin jusqu'à la fin de sa vie. L'histoire ne dit pas si ces animaux bucoliques apprécient le poids sur l'estomac et les champs magnétiques...
Le commencement de toutes les sciences, c'est l'étonnement de ce que les choses sont ce qu'elles sont.
(Aristote)