Aimants & magnétisme - page 2/8
Les champs magnétiques
Le champ magnétique
Un champ magnétique se manifeste par l'existence d'une force affectant dans son environnement certains matériaux et agissant sur les charges électriques en mouvement. Cette force se déploie à la vitesse des ondes électromagnétiques (299792,458 km/s) dans l'environnement en lignes de flux. La puissance de cette force décroit en fonction de l'inverse du carré de la distance qui sépare l'émetteur du champ magnétique et son point d'action.
Ce schéma montre le fonctionnement de la loi en carré inverse. Les lignes représentent le flux émanant de la source. Le nombre total de lignes de flux dépend de l'intensité de la source et est constant avec l'accroissement de la distance. La densité de flux est inversement proportionnelle au carré de la distance à la source car l'aire d'un secteur de disque s'accroit avec le carré de son rayon. L'intensité du champ est donc inversement proportionnelle au carré de la distance à la source.
On peut s'imaginer un champ magnétique en le comparant à une source de chaleur, le foyer de cette source de chaleur représentant l'émetteur du champ magnétique. Comme la chaleur, on ne voit pas le champ magnétique. Si à la distance de 1 mètre du foyer l'on reçoit une quantité de chaleur donnée, à 2 mètres nous en recevrons 4 fois moins et à 3 mètre 9 fois moins, etc...
Un champ magnétique se propage librement dans l'espace et dans la plupart des matériaux.
Le champ magnétique est d'origine quantique
Voici une vidéo qui explique ce qu'est un champ électromagnétique :
Source : ScienceClic
Grandeur des champs magnétiques
Un champ magnétique (B) se mesure en Teslas. Le Tesla est l'unité pour la densité du flux magnétique. Le nom de cette unité a été attribué en l'honneur de Nikola Tesla. C'est quasiment la seule trace du travail de ce grand savant que l'on peut trouver dans les ouvrages scientifiques officiels...
1 Tesla = 1 Vs/m ou 10.000 Gauss
La perméabilité magnétique d'un milieu
La faculté d'un milieu donné se laisser traverser par un champ magnétique s'appelle la perméabilité magnétique. On désigne par µ la perméabilité magnétique. Cette valeur dépend ainsi du milieu dans lequel il est produit, le champ magnétique varie linéairement avec l'excitation magnétique(H). Elle s'exprime en Henry par mètre (H.m-1). La référence ou constante universelle est µ0, la perméabilité du vide. Cette constante vaut 4.Π.10-7 H/m. La perméabilité magnétique d'un matériau µ, s'exprime par le produit de la perméabilité du vide µ0 et de la perméabilité relative µr de ce matériau. Dans le vide, l'air, les gaz, le cuivre, l'aluminium, la terre, et d'autres matériaux, µr est égale ou proche de 1.
Quelques exemples de perméabilité magnétique relative µr (valeurs maximales à température ambiante)
La susceptibilité magnétique des matériaux
La grandeur qui détermine l'interaction entre un matériau et un champ magnétique est la susceptibilité magnétique χ (ou µr-1) de ce matériau. La susceptibilité magnétique permet la classification des matériaux. Un élément dont χ est plus petite que zéro sera dit diamagnétique. Un élément dont χ est plus grand que zéro sera dit paramagnétique. La susceptibilité des matériaux ferromagnétiques varie avec la température selon une loi de la forme : χ 
ou Cm est la constante de Curie et T la température.
Classification des matériaux du point de vue magnétique
Les matériaux diamagnétiques :
Leur susceptibilité magnétique χ est très faible ( µr plus petite ou égale à 1), négative et pratiquement constante, et l'aimantation disparaît avec le champ d'excitation.
Exemples : Silicium, Cuivre, Zinc, Germanium, Sélénium, Argent, Plomb, Eau, Or...
Les matériaux paramagnétiques :
Leur susceptibilité magnétique χ est faible ( µr plus grande ou égale à 1), positive et pratiquement constante, et l'aimantation disparaît avec le champ d'excitation.
Exemples : Sodium, Aluminium, Manganèse, Tantale, Tungstène, Platine, Uranium, Baryum, Strontium, Oxygène liquide, Calcium, Lithium, Technétium...
Les matériaux ferromagnétiques :
Leur susceptibilité magnétique χ est élevée ( µr beaucoup plus grande que 1), positive et variable avec l'excitation magnétique. D’autre part, la température influence particulièrement χ et au delà de la température de Curie, un matériau ferromagnétique se comporte comme un matériau paramagnétique.
Exemples : Fer, Cobalt, Nickel, Mumétal et leurs alliages. Il est à noter que les éléments Fer (26), Cobalt (27) et Nickel (28) se suivent dans le tableau périodique des éléments.
Détection et mesure d'un champ magnétique
Si l'on ne peut voir un champ magnétique se propager dans l'espace dans les conditions courantes d'observation, il est possible de le matérialiser et de le mesurer à l'aide de certains outils ou médiums.
La boussole : détecter la direction et le sens des lignes de forces du champ magnétique.
La moitié colorée (en général) de l'aiguille aimantée est attirée par le Nord magnétique, c'est donc un Sud. Ici le pôle de l'aimant présenté vers la boussole est donc un Sud.
Si vous déplacez l'aimant, l'aiguille suivra la direction des lignes de forces du champ magnétique.
Conseil : Il est préférable d'utiliser une boussole usagée qui ne sera plus affectée à l'orientation.
Le détecteur de champ magnétique : une boussole tridimensionnelle.
Monté sur une articulation lui permettant de se mouvoir dans les trois dimensions, le barreau central aimanté prend l'orientation des lignes de force locales.
En déplaçant le détecteur autour de l'aimant, l'orientation du barreau aimanté permet de se faire une représentation spatiale du champ magnétique.
Attention : l'axe du petit barreau aimanté est fragile. En cas de collage du détecteur à un aimant, mieux vaut décoller les deux objets en tirant sur le barreau aimanté lui-même.
Le détecteur de pôles électronique : Nord ou Sud ?
Ce petit appareil électronique équipé d'un détecteur à cellule à effet Hall, n'a qu'une seule vocation : nous indiquer le pôle Nord ou Sud de l'aimant face auquel il se trouve.
Il est surtout utile face à un montage composé d'aimants permanents dont on ne connait pas les orientations respectives.
Il est aussi très pratique, pour s'assurer rapidement du sens de positionnement, lors de la phase de montage ou de collage d'un système que l'on équipe d'aimants.
Le Teslamètre : mesurer un champ magnétique.
Le Teslamètre est un appareil de mesure électronique, muni d'une sonde à effet de Hall, qui permet de mesurer la valeur du champ magnétique ainsi que son orientation. L'appareil doit être réglé (réglage du zéro) pour s'affranchir des perturbations magnétiques locales, comme le champ magnétique terrestre ou l'influence du bâtiment où la mesure est effectuée.
Spectre magnétique par l'utilisation de la limaille de fer : un grand classique.
Ci-dessous, un spectre magnétique (à gauche) réalisé par saupoudrage de limaille de fer sur un calque posé sur un ensemble rotor-stator (à droite). Les aimants cylindriques sont montés en répulsion, Nord contre Nord.
Astuces :
Il n'est pas toujours facile de se procurer de la limaille de fer homogène, fine et propre. Un moyen simple et peu onéreux de vous en fabriquer est d'acheter de la paille ou laine de fer très fine, celle utilisée pour polir les chromes. À l'aide d'une paire de ciseau usagée, découpez-la en particules les plus courtes possible. Ensuite, saupoudrez la limaille obtenue en la tamisant sur le calque, posé sur l'émetteur du champ magnétique, à l'aide d'une fine passoire. À la fin de l'expérience récupérez soigneusement la limaille déposée sur le calque, elle pourra resservir pour d'autres tests.
Vous pouvez aussi récupérer du "développeur" de photocopieur ou imprimante. Celui ci est un carrier métallique recouvert de plastique ultra fin, surtout si celui-ci vient d’un copieur ou imprimante couleur, et il existe en quatre couleurs, noir, rouge, bleu et jaune.
Note : le rôle du "développeur" est de se mélanger avec l’encre ou toner et de pouvoir ainsi véhiculer ce mélange a l’aide d’aimants et de constituer ce que l’on appel dans le métier une brosse magnétique douce et non abrasive pour reproduire une image latente avant finalisation d’une copie ou impression. (info M.G.)
Nettoyage de la limaille de fer collée sur un aimant : voir le nettoyage des aimants.
Spectre magnétique par l'utilisation d'un film détecteur de flux :
Le film détecteur de flux est un substrat plastifié encapsulant des nanoparticules ferromagnétiques.
Ce film détecteur met en évidence la ligne (claire) de séparation des polarités magnétiques et les zones polaires (sombres) de flux intenses.
Il est ici posé sur un rotor équipé de deux aimants semi-circulaires (180°) reformant ainsi un cercle complet.
Les deux faces Nord sont au centre et les faces Sud orientées vers l'extérieur.
Ces films détecteurs de flux sont disponibles auprès des fournisseurs que nous avons sélectionnés.
Spectre magnétique par l'utilisation d'un liquide ferrofluide :
En approchant un aimant près du ferrofluide, des pointes se hérissent et suivent les lignes du champ magnétique. Plus fort est le champ magnétique et plus dense et pointue sera la forme.
Le liquide ferrofluide est constitué d'une huile minérale dans laquelle baignent, en suspension, des nanoparticules ferromagnétiques (magnétite ou hématite) enveloppées d'une fine pellicule qui empêche leur agglomération.
Le liquide ferromagnétique ne conserve pas la magnétisation en l'absence d'un champ magnétique externe.
Attention : extrêmement salissant !
Bibliographie :
(*) Le cours de physique de Feynman - Les cours de référence - Éditions Dunod
La raison est ce qui effraie le plus chez un fou.
(Anatole France)
