Aimants. Vous les avez sur votre réfrigérateur, vous avez joué avec eux quand vous étiez enfant, vous avez même tenu une boussole dans votre main alors que l'aiguille de la boussole pointait vers le pôle nord magnétique de la Terre. Mais comment fonctionnent-ils? Quel est ce phénomène de magnétisme?
Qu'est-ce que le magnétisme?
Le magnétisme est un aspect de la force électromagnétique fondamentale. Il décrit les phénomènes et les forces associés aux aimants ou aux objets magnétiques.
Tous les champs magnétiques sont générés par des charges en mouvement ou des champs électriques changeants. C'est pourquoi les phénomènes d'électricité et de magnétisme sont appelés collectivement électromagnétisme. Ils sont vraiment un seul et même!
Dans tous les matériaux, les atomes contiennent des électrons, et ces électrons forment un nuage autour du noyau atomique, avec leur mouvement global créant un dipôle magnétique miniature. Dans la plupart des matériaux, cependant, la distribution aléatoire des orientations de ces mini-aimants provoque l'annulation des champs. Les matériaux ferromagnétiques sont l'exception.
De nombreux matériaux présentent des phénomènes magnétiques, notamment le fer, le manganèse, la magnétite et le cobalt. Ceux-ci peuvent exister sous forme d'aimants permanents ou peuvent être paramagnétiques (c'est-à-dire attirés par les matériaux magnétiques mais ne conservant pas eux-mêmes le magnétisme permanent). Les électro-aimants sont créés en faisant passer du courant électrique à travers un fil enroulé autour d'un matériau tel que le fer (ou par toute situation dans laquelle il y a une charge électrique en mouvement).
Les matériaux magnétiques peuvent soit s'attirer, soit se repousser, selon sur lesquels des parties de ces matériaux sont rassemblées.
Champs magnétiques
Tout comme la force électrique et la force gravitationnelle, les objets qui exercent des forces magnétiques les uns sur les autres génèrent un champ autour d'eux. Un aimant en forme de barre, par exemple, crée un champ magnétique dans l'espace qui l'entoure, ce qui fait que tout autre aimant ou matériau ferromagnétique amené dans ce champ ressent une force.
Une façon de visualiser le champ magnétique est d'utiliser de la limaille de fer. Les limailles de fer sont de petits morceaux de fer qui, lorsqu'ils sont saupoudrés autour d'un aimant, s'alignent sur les lignes de champ magnétique externes, ce qui vous permet de les visualiser.
L'unité SI associée à la force du champ magnétique est le tesla.
1 \\ text {Tesla} \u003d 1 \\ text {T} \u003d 1 \\ frac {\\ text {kg}} {\\ text {As} ^ 2} \u003d \\ frac {\\ text {Vs}} {\\ text {m} ^ 2} \u003d \\ frac {\\ text {N}} {\\ text {Am}}
Une autre unité courante associée à la force du champ magnétique est le gauss.
1 Gauss \u003d 1 G \u003d 10 -4 T Il existe de nombreux types de magnétisme: Paramagnétisme Le diamagnétisme L'électromagnétisme Ferromagnétisme Les matériaux fortement attirés par les aimants sont appelés ferromagnétiques. Le fer est le matériau le plus courant de ce type. (Pas étonnant puisque le préfixe latin ferro Les matériaux ferromagnétiques ont ce qu'on appelle des domaines magnétiques; c'est-à-dire des régions en leur sein qui sont comme des aimants, mais orientées dans des directions différentes de sorte que l'effet global s'annule et qu'ils n'agissent généralement pas comme des aimants. Cependant, si ces matériaux sont placés dans des champs magnétiques, cela peut provoquer un alignement des domaines afin qu'ils soient tous alignés dans la même direction, et donc ils deviennent (souvent temporairement) comme des aimants eux-mêmes. Les matériaux ferromagnétiques comprennent la lodestone, le fer, le nickel, le cobalt et divers matériaux de terres rares, y compris le néodyme. Un aimant en barre est une barre rectangulaire ou cylindrique en matériau magnétique. Les extrémités d'un aimant en forme de barre sont des pôles nord et sud. Ce sont les deux types de pôles magnétiques, et ils interagissent les uns avec les autres via une force magnétique d'une manière similaire à la façon dont les charges positives et négatives interagissent via la force électrique. Les aimants en barre sont des dipôles magnétiques. Ils ont des pôles opposés séparés par une distance, semblable à un dipôle électrique. Cependant, une différence principale est qu'avec les aimants, vous ne pouvez pas avoir un monopôle (un pôle isolé) comme vous pouvez l'avoir avec des charges. Un aimant existe toujours en tant que dipôle et jamais en tant que pôle nord par lui-même ou pôle sud par lui-même. (Si vous coupez un aimant en deux pour essayer de séparer les pôles, vous vous retrouverez simplement avec deux aimants dipolaires plus petits!) Comme vous le savez probablement, la Terre possède un aimant champ. Cela permet aux gens d'utiliser des boussoles pour déterminer la direction à laquelle ils sont confrontés par rapport aux pôles. Une boussole magnétique se compose d'un petit aimant qui peut se déplacer librement et s'aligner avec n'importe quel champ extérieur. L'extrémité rouge de l'aiguille de la boussole pointe vers le nord. Le champ magnétique terrestre agit comme un aimant géant en forme de barre. Cet aimant imaginaire en forme de barre est orienté de sorte que l'extrémité nord de l'aimant se trouve au pôle sud de la Terre et que l'extrémité sud de l'aimant se trouve au pôle Nord de la Terre. Le champ magnétique terrestre n'est pas non plus parallèle à la surface de la Terre dans la plupart des endroits. Vous pouvez déterminer la déclinaison du champ magnétique terrestre à l'aide d'une aiguille à immersion. Orientez d'abord l’aiguille horizontalement et alignez-la avec le nord magnétique de la Terre. Tournez-le ensuite verticalement et observez l'angle de pendage. L'angle est d'autant plus grand que vous vous rapprochez des pôles. Le champ magnétique terrestre crée une région de l'espace entourant la planète appelée magnétosphère. La magnétosphère ressemble essentiellement au champ magnétique d'un aimant à très grande barre aligné près de l'axe de la Terre, bien que la magnétosphère puisse se déformer en interagissant avec les particules chargées. La magnétosphère nous protège du vent solaire, qui contient des particules chargées . Les interactions entre ces particules et les lignes de champ magnétique sont à l'origine des aurores. Le phénomène du magnétisme est utilisé dans toutes sortes d'applications quotidiennes. Le phénomène de l'électromagnétisme permet nous pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique dans les générateurs électriques. Les générateurs électriques utilisent des moyens mécaniques pour faire tourner une turbine (souffle du vent ou eau courante) qui modifie un champ magnétique par rapport aux bobines de fil, induisant le courant à circuler. Les moteurs électriques sont essentiellement l'opposé des générateurs électriques, utilisant l'électromagnétisme pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique, que ce soit pour faire fonctionner une perceuse électrique, un mélangeur ou un véhicule électrique. Les électroaimants industriels sont des aimants géants avec des champs magnétiques très puissants qui leur permettent de ramasser les vieux véhicules à la casse . Les appareils d'IRM utilisent des champs magnétiques puissants pour créer des images de l'intérieur et permettre aux médecins de diagnostiquer une multitude de conditions médicales.
Types de magnétisme
décrit certains matériaux qui peuvent être faiblement attirés par les aimants mais qui le font ne pas conserver eux-mêmes un champ magnétique permanent. En présence d'un champ externe, ils formeront des champs magnétiques internes induits qui s'aligneront. Cela peut entraîner une amplification temporaire du champ magnétique global. Il existe de nombreux types de matériaux paramagnétiques, y compris même certaines pierres précieuses.
est une propriété présentée par tous les matériaux, mais qui est généralement la plus évidente dans les matériaux que nous considérons comme non magnétiques . Les matériaux diamagnétiques sont très faiblement repoussés par les champs magnétiques. Dans les aimants permanents et les matériaux paramagnétiques, les effets du diamagnétisme sont négligeables.
se produit lorsque le courant électrique passe à travers un fil. Ce fil peut être enroulé autour d'une barre de fer pour amplifier l'effet car le fer créera son propre champ magnétique qui s'aligne avec le champ externe. Cette forme de magnétisme est le résultat direct du fait que le mouvement des électrons crée un champ magnétique. (Encore une fois, l'électricité et le magnétisme sont les deux faces d'une même propriété physique fondamentale!)
décrit comment certains matériaux - appelés matériaux ferromagnétiques - forment des aimants permanents, qui sont examinés plus en détail dans la section suivante.
Matériaux ferromagnétiques
- signifie "fer".)
Aimants en barre, dipôles et propriétés magnétiques
Champ magnétique terrestre
Exemples
