Par Karen G. Blaettler
Mis à jour le 24 mars 2022
Le magnétisme est un phénomène subtil mais puissant qui alimente tout, des boussoles à l'électronique moderne. Comprendre les matériaux qui créent les champs magnétiques aide à démystifier les forces invisibles qui attirent et repoussent les objets qui nous entourent.
Un aimant est tout objet qui génère un champ magnétique et peut interagir avec d’autres champs magnétiques. Chaque aimant a deux pôles – nord (positif) et sud (négatif) – et les lignes de champ vont du pôle nord au pôle sud. Les pôles opposés s'attirent, tandis que les pôles semblables se repoussent.
Les aimants permanents peuvent être classés selon les matériaux qu'ils contiennent. Les plus courants incluent :
Magnétite naturelle, la magnétite est l'aimant permanent le plus faible à ce jour, le premier utilisé pour la navigation. Sa force magnétique est modeste, mais elle a joué un rôle central dans le développement précoce de la boussole.
Développé dans les années 1930, Alnico est composé d'environ 35 % d'aluminium, 35 % de nickel, 15 % de cobalt, avec des traces de cuivre, de titane et d'aluminium supplémentaire. Les aimants Alnico excellent dans les environnements à haute température (jusqu'à 540°C) et résistent à la corrosion, ce qui les rend idéaux pour les équipements audio et les applications industrielles. Cependant, ils sont moins puissants que les aimants modernes aux terres rares et peuvent se démagnétiser s'ils sont exposés à des champs externes puissants.
Les aimants en ferrite combinent l'oxyde de fer avec l'oxyde de baryum (BaO·6Fe2 O3 ) ou de l'oxyde de strontium (SrO·6Fe2 O3 ). Ils sont peu coûteux, résistants à la corrosion et très résistants à la démagnétisation, mais leur fragilité limite certaines applications.
Introduits pour la première fois en 1967, ces aimants aux terres rares présentent une composition de base de SmCo5 et, depuis 1976, un alliage Sm2 (Co, Fe, Cu, Zr)17 . Ils conservent leurs performances à des températures allant jusqu'à ~500°C et restent stables dans des conditions humides, mais leur coût élevé et leur fragilité limitent leur utilisation généralisée.
Inventés en 1983, les aimants NdFeB contiennent environ 70 % de fer, 5 % de bore et 25 % de néodyme. Ce sont les aimants permanents les plus puissants disponibles dans le commerce, offrant des rapports puissance/poids exceptionnels (jusqu'à 1 300×). En raison de leur faible température de Curie (~ 350 °C) et de leur sensibilité à la corrosion, ils sont généralement plaqués de nickel, d'aluminium, de zinc ou d'époxy.
Les matériaux en fer doux, tels que les clous et les trombones, deviennent magnétisés lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique. L'alignement des moments magnétiques atomiques est temporaire; une fois retiré du champ ou soumis à la chaleur, à un choc ou au temps, le magnétisme se dissipe. Dans certains cas, une exposition suffisamment forte peut même induire une magnétisation permanente.
Lorsque le courant électrique traverse une bobine de fil, le champ magnétique résultant est renforcé par un noyau de fer doux. L'augmentation de la force du courant renforce le champ ; couper le courant éteint instantanément l’aimant. Les électro-aimants sont indispensables dans des applications allant des machines IRM aux aimants de levage industriels.
Le champ magnétique de la planète provient d’un effet dynamo :un noyau externe de fer-nickel liquide en rotation entourant un noyau interne solide. Ce mouvement génère un champ comparable à celui d’un barreau magnétique incliné d’environ 11° par rapport à l’axe de rotation. Les pôles magnétiques de la Terre sont à l’opposé de ses pôles géographiques, ce qui explique pourquoi l’aiguille d’une boussole pointe vers le nord géographique. Ce champ géomagnétique forme la magnétosphère, déviant le vent solaire et créant des aurores. De plus, le champ s'imprime sur la lave en refroidissement, offrant des preuves cruciales de la tectonique des plaques et des inversions du champ magnétique.
En explorant les divers matériaux qui produisent des champs magnétiques, nous obtenons un aperçu de la science derrière la technologie quotidienne et des forces dynamiques qui façonnent notre planète.