La limaille de fer montre magnifiquement les champs opposés des mêmes pôles de deux barres magnétiques. Spencer Grant/Choix du photographe RF/Getty Images Tout a commencé lorsque nous sommes allés acheter un aimant pour une démonstration sur les gilets pare-balles liquides. Nous voulions montrer qu'un champ magnétique pouvait faire en sorte que certains liquides se comportent comme des solides. En plus des boîtes de Pétri et de la limaille dont nous avions besoin, le catalogue Steve Spangler Science avait un aimant en néodyme qu'il a décrit comme "super puissant". Nous avons commandé nos fournitures, en espérant que l'aimant serait assez puissant pour créer un effet que nous pourrions capturer sur film.
L'aimant n'a pas simplement transformé notre fluide de fer et de pétrole en un solide - parfois, sa traction sur le fluide a fissuré la boîte de Pétri qui la tenait. Une fois que, l'aimant s'est soudainement envolé de la main d'un vidéaste et dans un plat plein de limaille sèche, ce qui a nécessité une ingéniosité considérable pour l'enlever. Il adhérait aussi si fermement au dessous d'une table en métal que nous avons dû utiliser une pince-étau pour le récupérer. Lorsque nous avons décidé qu'il serait plus sûr de garder l'aimant dans une poche entre les prises, les gens se sont retrouvés momentanément collés à la table, une échelle et la porte du studio.
Autour du bureau, l'aimant devint un objet de curiosité et le sujet d'expériences impromptues. Sa force surnaturelle et sa tendance à sauter soudainement et bruyamment des prises imprudentes à la surface métallique la plus proche nous ont fait réfléchir. Nous connaissions tous les bases des aimants et du magnétisme - les aimants attirent des métaux spécifiques, et ils ont le nord et le sud poteaux . Les pôles opposés s'attirent tandis que comme les pôles se repoussent. Les champs magnétiques et électriques sont liés, et le magnétisme, avec la gravité et les forces atomiques fortes et faibles, est l'une des quatre forces fondamentales de l'univers.
Mais aucun de ces faits n'a conduit à une réponse à notre question la plus fondamentale. Qu'est-ce qui fait qu'un aimant colle exactement à certains métaux ? Par extension, pourquoi ne collent-ils pas à d'autres métaux ? Pourquoi s'attirent-ils ou se repoussent-ils, en fonction de leur positionnement ? Et qu'est-ce qui rend les aimants en néodyme tellement plus puissants que les aimants en céramique avec lesquels nous jouions quand nous étions enfants ?
La limaille de fer (à droite) s'aligne le long des lignes de champ magnétique d'un aimant cylindrique en néodyme. Pour comprendre les réponses à ces questions, il est utile d'avoir une définition de base d'un aimant. Les aimants sont des objets qui produisent champs magnétiques et attirer des métaux comme le fer, nickel et cobalt. Le champ magnétique lignes de force sortir l'aimant de son pôle nord et entrer dans son pôle sud. Permanent ou dur les aimants créent leur propre champ magnétique tout le temps. Temporaire ou mou, tendre les aimants produisent des champs magnétiques en présence d'un champ magnétique et pendant une courte période après avoir quitté le champ. Électro-aimants produisent des champs magnétiques uniquement lorsque l'électricité traverse leurs bobines de fil.
La limaille de fer (à droite) s'aligne le long des lignes de champ magnétique d'un aimant néodyme cubique. Jusque récemment, tous les aimants ont été fabriqués à partir de métal éléments ou alliages . Ces matériaux ont produit des aimants de différentes forces. Par exemple:
Contenu
De nombreux appareils électroniques d'aujourd'hui nécessitent des aimants pour fonctionner. Cette dépendance aux aimants est relativement récente, principalement parce que la plupart des appareils modernes nécessitent des aimants plus puissants que ceux que l'on trouve dans la nature. Magnétite , une forme de magnétite , est l'aimant naturel le plus puissant. Il peut attirer de petits objets, comme des trombones et des agrafes.
Au XIIe siècle, les gens avaient découvert qu'ils pouvaient utiliser de la magnétite pour magnétiser des morceaux de fer, créer un boussole . Le frottement répété de l'aimant le long d'une aiguille de fer dans une direction a magnétisé l'aiguille. Il s'alignerait alors dans une direction nord-sud lorsqu'il était suspendu. Finalement, Le scientifique William Gilbert a expliqué que cet alignement nord-sud d'aiguilles magnétisées était dû au fait que la Terre se comportait comme un énorme aimant avec des pôles nord et sud.
Une aiguille de boussole n'est pas aussi puissante que la plupart des aimants permanents utilisés aujourd'hui. Mais le processus physique qui magnétise les aiguilles de boussole et les morceaux d'alliage de néodyme est essentiellement le même. Il repose sur des régions microscopiques appelées domaines magnétiques , qui font partie de la structure physique de matériaux ferromagnétiques , comme le fer, cobalt et nickel. Chaque domaine est essentiellement un minuscule, aimant autonome avec un pôle nord et sud. Dans un matériau ferromagnétique non magnétisé, chacun des pôles nord pointe dans une direction aléatoire. Des domaines magnétiques orientés dans des directions opposées s'annulent, le matériau ne produit donc pas de champ magnétique net.
Dans un matériau ferromagnétique non magnétisé, domaines pointent dans des directions aléatoires. Dans les aimants, d'autre part, la plupart ou tous les domaines magnétiques pointent dans la même direction. Plutôt que de s'annuler, les champs magnétiques microscopiques se combinent pour créer un grand champ magnétique. Plus il y a de domaines pointant dans la même direction, plus le champ global est fort. Le champ magnétique de chaque domaine s'étend de son pôle nord au pôle sud du domaine qui le précède.
Dans un aimant, la plupart ou tous les domaines pointent dans la même direction. Cela explique pourquoi la rupture d'un aimant en deux crée deux aimants plus petits avec les pôles nord et sud. Cela explique également pourquoi les pôles opposés s'attirent - les lignes de champ quittent le pôle nord d'un aimant et pénètrent naturellement dans le pôle sud d'un autre, créant essentiellement un aimant plus grand. Comme les pôles se repoussent parce que leurs lignes de force se déplacent dans des directions opposées, se heurter les uns aux autres plutôt que de se déplacer ensemble.
La connexion du pôle nord d'un aimant au pôle sud d'un autre aimant crée essentiellement un aimant plus grand.
La limaille de fer s'aligne le long des champs magnétiques de quatre petits aimants. Après avoir retiré l'aimant, les dépôts continueront à avoir leurs propres champs magnétiques faibles. Pour faire un aimant, tout ce que vous avez à faire est d'encourager les domaines magnétiques d'un morceau de métal à pointer dans la même direction. C'est ce qui se passe lorsque vous frottez une aiguille avec un aimant - l'exposition au champ magnétique encourage les domaines à s'aligner. D'autres façons d'aligner les domaines magnétiques dans un morceau de métal comprennent :
Deux de ces méthodes font partie des théories scientifiques sur la formation de l'aimant dans la nature. Certains scientifiques pensent que la magnétite devient magnétique lorsqu'elle est frappée par la foudre. D'autres théorisent que des morceaux de magnétite sont devenus des aimants lorsque la Terre s'est formée pour la première fois. Les domaines se sont alignés avec le champ magnétique terrestre alors que l'oxyde de fer était fondu et flexible.
La méthode la plus courante de fabrication d'aimants aujourd'hui consiste à placer du métal dans un champ magnétique. Le terrain exerce couple sur le matériel, encourager les domaines à s'aligner. Il y a un léger retard, connu comme hystérèse , entre l'application du champ et le changement de domaines - il faut quelques instants pour que les domaines commencent à bouger. Voici ce qui se passe :
La force de l'aimant résultant dépend de la quantité de force utilisée pour déplacer les domaines. Sa permanence, ou rémanence , dépend de la difficulté d'encourager les domaines à s'aligner. Les matériaux difficiles à magnétiser conservent généralement leur magnétisme plus longtemps, tandis que les matériaux faciles à magnétiser reviennent souvent à leur état non magnétique d'origine.
Vous pouvez réduire la force d'un aimant ou le démagnétiser entièrement en l'exposant à un champ magnétique aligné dans la direction opposée. Vous pouvez également démagnétiser un matériau en le chauffant au-dessus de sa Point de Curie , ou la température à laquelle il perd son magnétisme. La chaleur déforme le matériau et excite les particules magnétiques, provoquant le désalignement des domaines.
Aimants d'expéditionGrand, les aimants puissants ont de nombreuses utilisations industrielles, de l'écriture de données à l'induction de courant dans les fils. Mais l'expédition et l'installation d'énormes aimants peuvent être difficiles et dangereuses. Non seulement les aimants peuvent endommager d'autres articles en transit, ils peuvent être difficiles voire impossibles à installer à leur arrivée. En outre, les aimants ont tendance à collecter un réseau de débris ferromagnétiques, qui est difficile à enlever et peut même être dangereux.
Pour cette raison, les installations qui utilisent de très gros aimants ont souvent des équipements sur place qui leur permettent de transformer des matériaux ferromagnétiques en aimants. Souvent, le dispositif est essentiellement un électro-aimant.
Lire la suite
Une vue simplifiée d'un atome, avec un noyau et des électrons en orbite Si vous avez lu Comment fonctionnent les électroaimants, vous savez qu'un courant électrique circulant dans un fil crée un champ magnétique. Les charges électriques en mouvement sont également responsables du champ magnétique dans les aimants permanents. Mais le champ d'un aimant ne vient pas d'un grand courant traversant un fil - il vient du mouvement de électrons .
Beaucoup de gens imaginent les électrons comme de minuscules particules en orbite autour d'un atome noyau la façon dont les planètes tournent autour d'un soleil. Comme l'expliquent actuellement les physiciens quantiques, le mouvement des électrons est un peu plus compliqué que cela. Essentiellement, les électrons remplissent la coquille d'un atome orbitales , où ils se comportent à la fois comme des particules et des ondes. Les électrons ont un charger et un Masse , ainsi qu'un mouvement que les physiciens décrivent comme tournoyer vers le haut ou vers le bas. Vous pouvez en savoir plus sur les électrons dans Comment fonctionnent les atomes.
Généralement, les électrons remplissent les orbitales de l'atome dans paires . Si l'un des électrons d'une paire tourne vers le haut, l'autre tourne vers le bas. Il est impossible que les deux électrons d'une paire tournent dans la même direction. Cela fait partie d'un principe de mécanique quantique connu sous le nom de Principe d'exclusion de Pauli .
Même si les électrons d'un atome ne se déplacent pas très loin, leur mouvement suffit à créer un minuscule champ magnétique. Puisque les électrons appariés tournent dans des directions opposées, leurs champs magnétiques s'annulent. Atomes d'éléments ferromagnétiques, d'autre part, ont plusieurs électrons non appariés qui ont le même spin. Le fer, par exemple, a quatre électrons non appariés avec le même spin. Parce qu'ils n'ont pas de champs opposés pour annuler leurs effets, ces électrons ont un moment magnétique orbital . Le moment magnétique est un vecteur - il a une grandeur et une direction. Il est lié à la fois à la force du champ magnétique et au couple exercé par le champ. Les moments magnétiques d'un aimant entier proviennent des moments de tous ses atomes.
Un atome de fer et ses quatre électrons non appariés Dans des métaux comme le fer, le moment magnétique orbital encourage les atomes voisins à s'aligner le long des mêmes lignes de champ nord-sud. Le fer et les autres matériaux ferromagnétiques sont cristallins. En refroidissant à partir d'un état fondu, des groupes d'atomes avec un spin orbital parallèle s'alignent dans la structure cristalline. Cela forme les domaines magnétiques discutés dans la section précédente.
Vous avez peut-être remarqué que les matériaux qui font de bons aimants sont les mêmes que les matériaux que les aimants attirent. C'est parce que les aimants attirent des matériaux qui ont des électrons non appariés qui tournent dans la même direction. En d'autres termes, la qualité qui transforme un métal en aimant attire également le métal vers les aimants. De nombreux autres éléments sont diamagnétique -- leurs atomes non appariés créent un champ qui repousse faiblement un aimant. Certains matériaux ne réagissent pas du tout avec les aimants.
Cette explication et sa physique quantique sous-jacente sont assez compliquées, et sans eux, l'idée d'attraction magnétique peut être mystifiante. Il n'est donc pas surprenant que les gens aient regardé les matériaux magnétiques avec méfiance pendant une grande partie de l'histoire.
Aimants de mesureVous pouvez mesurer les champs magnétiques à l'aide d'instruments tels que gaussmètres , et vous pouvez les décrire et les expliquer en utilisant de nombreuses équations. Voici quelques-unes des bases :
Train Transrapid à l'Emsland, Centre d'essai en Allemagne Image utilisée sous licence de documentation libre GNU Chaque fois que vous utilisez un ordinateur, vous utilisez des aimants. Un disque dur repose sur des aimants pour stocker des données, et certains moniteurs utilisent des aimants pour créer des images sur l'écran. Si votre maison a une sonnette, il utilise probablement un électro-aimant pour entraîner un générateur de bruit. Les aimants sont également des composants essentiels des téléviseurs CRT, haut-parleurs, micros, générateurs, transformateurs, moteurs électriques, alarmes antivol, Cassettes audio, boussoles et compteurs de vitesse de voiture.
En plus de leurs utilisations pratiques, les aimants ont de nombreuses propriétés étonnantes. Ils peuvent induire du courant dans le fil et fournir un couple pour les moteurs électriques. Un champ magnétique suffisamment puissant peut faire léviter de petits objets ou même de petits animaux. Les trains Maglev utilisent la propulsion magnétique pour voyager à grande vitesse, et les fluides magnétiques aident à remplir les moteurs de fusée de carburant. Le champ magnétique terrestre, connu comme le magnétosphère , le protège de la vent solaire . Selon le magazine Wired, certaines personnes implantent même de minuscules aimants en néodyme dans leurs doigts, leur permettant de détecter les champs électromagnétiques [Source :Wired].
Les appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM) utilisent des champs magnétiques pour permettre aux médecins d'examiner les organes internes des patients. Les médecins utilisent également des champs électromagnétiques pulsés pour traiter les os cassés qui n'ont pas guéri correctement. Cette méthode, approuvé par la Food and Drug Administration des États-Unis dans les années 1970, peut réparer les os qui n'ont pas répondu à d'autres traitements. Des impulsions similaires d'énergie électromagnétique peuvent aider à prévenir la perte osseuse et musculaire chez les astronautes qui sont dans des environnements d'apesanteur pendant de longues périodes.
Les aimants peuvent également protéger la santé des animaux. Les vaches sont sensibles à une maladie appelée réticulopéricardite traumatique , ou maladie du matériel , qui provient de l'ingestion d'objets métalliques. Les objets avalés peuvent percer l'estomac d'une vache et endommager son diaphragme ou son cœur. Les aimants sont essentiels pour prévenir cette condition. Une pratique consiste à passer un aimant sur la nourriture des vaches pour enlever les objets métalliques. Une autre consiste à nourrir les vaches avec des aimants. Longue, aimants alnico étroits, connu comme aimants de vache , peut attirer des morceaux de métal et les empêcher de blesser l'estomac de la vache. Les aimants ingérés aident à protéger les vaches, mais c'est toujours une bonne idée de garder les zones d'alimentation exemptes de débris métalliques. Personnes, d'autre part, ne devrait jamais manger d'aimants, puisqu'ils peuvent coller ensemble à travers les parois intestinales d'une personne, bloquant le flux sanguin et tuant les tissus. Chez l'homme, les aimants avalés nécessitent souvent une intervention chirurgicale pour être retirés.
Aimants de vache Photo avec l'aimable autorisation d'Amazon Certaines personnes préconisent l'utilisation de la thérapie magnétique pour traiter une grande variété de maladies et d'affections. Selon les praticiens, semelles magnétiques, bracelets, colliers, les couvre-matelas et les oreillers peuvent guérir ou soulager tout, de l'arthrite au cancer. Certains défenseurs suggèrent également que la consommation d'eau potable magnétisée peut traiter ou prévenir divers maux. Les Américains dépensent environ 500 millions de dollars par an en traitements magnétiques, et les gens du monde entier dépensent environ 5 milliards de dollars. [Source :Winemiller via NCCAM].
Les partisans offrent plusieurs explications sur la façon dont cela fonctionne. L'une est que l'aimant attire le fer présent dans l'hémoglobine dans le sang, améliorer la circulation dans une zone spécifique. Une autre est que le champ magnétique modifie en quelque sorte la structure des cellules voisines. Cependant, les études scientifiques n'ont pas confirmé que l'utilisation d'aimants statiques a un effet sur la douleur ou la maladie. Les essais cliniques suggèrent que les avantages positifs attribués aux aimants peuvent en fait provenir du passage du temps, rembourrage supplémentaire dans les semelles magnétiques ou l'effet placebo. En outre, l'eau potable ne contient généralement pas d'éléments pouvant être magnétisés, rendant l'idée de l'eau potable magnétique discutable.
Certains partisans suggèrent également l'utilisation d'aimants pour réduire l'eau dure dans les maisons. Selon les fabricants de produits, les grands aimants peuvent réduire le niveau de tartre d'eau dure en éliminant les minéraux ferromagnétiques d'eau dure. Cependant, les minéraux qui causent généralement la dureté de l'eau ne sont pas ferromagnétiques. Une étude de deux ans de Consumer Reports suggère également que le traitement de l'eau entrante avec des aimants ne modifie pas la quantité de tartre accumulée dans un chauffe-eau domestique.
Même si les aimants ne sont pas susceptibles de mettre fin à la douleur chronique ou d'éliminer le cancer, ils sont toujours fascinants à étudier.
Pôles magnétiquesUn aimant peut avoir plusieurs pôles nord et sud, et ces pôles se produisent toujours dans paires . Il ne peut y avoir de pôle nord sans pôle sud correspondant, pas de pôle sud sans nord correspondant.
Publié à l'origine :2 avril 2007
