Aimant

limaille de fer qui ont orientées dans le champ magnétique produit par un aimant

Les lignes magnétiques d'un terrain solénoïde qui sont similaires à un barreau aimanté comme illustré ci-dessus avec la limaille de fer

Un aimant est un matériau ou un objet qui produit un champ magnétique. Un moyen de low-tech pour détecter un champ magnétique est de disperser la limaille de fer et d'observer leur modèle, comme dans la figure d'accompagnement. Un aimant "dur" ou "permanent" est une qui reste magnétisé, comme un aimant utilisé pour contenir des notes sur une porte du réfrigérateur. Aimants permanents se produisent naturellement dans certaines roches , en particulier magnétite, mais sont maintenant plus communément fabriqué. Un aimant "soft" ou "impermanent" est celui qui perd sa mémoire des aimantations précédentes. Matériaux magnétiques «doux» sont souvent utilisés dans des électro-aimants afin d'améliorer (souvent des centaines ou des milliers de fois) le champ magnétique d'un fil qui porte un et le courant électrique est enroulé autour de l'aimant; le champ de l'aimant "soft" augmente avec le courant.

Deux mesures des propriétés magnétiques d'un matériau sont son moment magnétique et son aimantation. Matériau sans un moment magnétique permanent peut, en présence de champs magnétiques, être attiré ( paramagnétique), ou repoussés ( diamagnétique). Liquid oxygène est paramagnétique; graphite est diamagnétique. Paramagnétiques ont tendance à intensifier le champ magnétique dans leur voisinage, alors que diamagnétiques ont tendance à l'affaiblir. Aimants "soft", qui sont fortement attirés par les champs magnétiques, peuvent être considérés comme fortement paramagnétique; supraconducteurs , qui sont fortement repoussés par des champs magnétiques, peuvent être considérés comme fortement diamagnétique.

Contexte sur la physique du magnétisme et des aimants

Les effets du magnétisme.

Champ magnétique

Le champ magnétique (B généralement désigné) est un champ de vecteurs (à savoir un vecteur à chaque point de l'espace), avec une direction et une amplitude qui, en Unités SI est teslas. (B peut également dépendre du temps.) Son orientation peut être obtenue à partir de l'orientation d'un aiguille boussole. Sa magnitude (également appelé la force) est proportionnelle à la force avec l'aiguille de la boussole se oriente le long de cette direction.

Moment magnétique

Moment magnétique d'un aimant (aussi appelé moment de dipôle magnétique, et μ habituellement notée) est un vecteur qui caractérise l'ensemble des propriétés magnétiques de l'aimant. Pour une barre aimantée, la direction des points de moment magnétique du pôle sud de l'aimant à son pôle nord et l'ampleur concerne la force et à quelle distance ces pôles sont.

Un aimant à la fois produit son propre champ magnétique et il répond à des champs magnétiques. La force du champ magnétique qu'il produit est en tout point proportionnelle à l'amplitude de son moment magnétique donné. De plus, lorsque l'aimant est placé dans un champ magnétique «externe» produite par une source différente, il est soumis à une couple tendant à orienter le moment magnétique parallèle au champ. La quantité de ce couple est proportionnel à la fois au moment magnétique et le champ «externe». Un aimant peut également être soumis à une force d'entraînement en une direction ou l'autre, selon les positions et orientations de l'aimant et la source. Si le champ est uniforme dans l'espace de l'aimant est soumis à aucune force nette, même se il est soumis à un couple.

Un fil sous la forme d'un cercle de la zone A et la réalisation courant I est un aimant, avec un moment magnétique de grandeur égale à IA.

Magnétisation

L'aimantation d'un objet est la valeur locale de son moment magnétique par unité de volume, généralement désignée par M, avec des unités A / m. Ce est un champ de vecteurs, plutôt que de simplement un vecteur (comme le moment magnétique), parce que les différentes sections d'un barreau aimanté sont généralement aimanté avec différentes directions et des forces (par exemple, en raison de domaines, voir ci-dessous). Un bon barreau magnétique peut avoir un moment magnétique d'amplitude 0,1 A · m² et un volume de 1 cm³ ou 0,000001 m³, et par conséquent une amplitude d'aimantation moyenne est de 100 000 A / m. Le fer peut avoir une aimantation de l'ordre de un million A / m.

Les pôles magnétiques

Bien que de nombreuses fins, il est commode de penser à un aimant comme ayant nord distincte et pôles magnétiques sud, le concept de pôles ne doit pas être pris à la lettre: ce est simplement une façon de se référer aux deux extrémités différentes d'un aimant. L'aimant lui-même peut être homogène; il n'y a pas "nord" distincte ou particules "sud" dans des camps opposés, et aucune Monopôle magnétique n'a encore été observé. Si une barre aimantée est brisé en deux, dans une tentative pour séparer les pôles nord et sud, le résultat sera deux barreaux aimantés, dont chacun a à la fois un pôle nord et sud.

L'approche pôle magnétique est utilisé par la plupart des professionnels magneticians, de ceux qui conçoivent mémoire magnétique à ceux qui conçoivent aimants de grande envergure. Si la distribution de pôle magnétique est connu, puis à l'extérieur de l'aimant le modèle pôle donne le champ magnétique exactement. Simplement en complétant le champ modèle perche avec un terme proportionnel à l'aimantation (voir Unités et calculs, ci-dessous) le champ magnétique à l'intérieur de l'aimant est donnée exactement. Ce modèle pôle est aussi appelé le «modèle Gilbert" d'un dipôle magnétique.

Un autre modèle est le " Ampère Model ", où tous aimantation est due à l'effet macroscopique microscopique de" courants liés ", appelés aussi" courants mis en oeuvre ". Pour un barreau aimanté uniformément aimanté dans la forme d'un cylindre, avec des pôles répartis uniformément sur ses extrémités, l'effet net des courants microscopiques lié est de faire se comportent aimant comme se il y est une feuille macroscopique du courant circulant autour du cylindre, avec la direction locale de l'écoulement normal à l'axe du cylindre. (Etant donné que racler la couche extérieure d'un aimant ne sera pas détruire ses propriétés magnétiques, il existe subtilités associées à ce modèle ainsi qu'avec le poteau modèle. Ce qui se passe ce est que vous avez seulement gratté un nombre relativement faible d'atomes, dont les courants borne ne contribuent pas beaucoup au moment magnétique net.) Une Règle de la main droite en raison de Ampère nous raconte comment les courants circulent, pour un moment magnétique donné. Aligner le pouce de la main droite le long de la moment magnétique, et avec cette main saisir le cylindre. Vos doigts seront ensuite pointer dans la direction du flux de courant. Comme indiqué ci-dessus, le champ magnétique donné par l'approche et l'approche ampérienne Gilbert sont identiques à l'extérieur tous les aimants, et deviennent identiques au sein de tous les aimants après la Gilbert «champ» est complété. Il est généralement difficile de trouver les courants mis en oeuvre sur la surface d'un aimant, alors il est souvent plus facile de trouver les pôles efficaces pour le même aimant. Pour une extrémité (pôle) d'un aimant permanent à l'extérieur d'un aimant "soft", l'image pôle de l'aimant "soft" a elle répond avec un pôle de l'image de signe opposé au pôle appliquée; on peut aussi trouver les courants mis en oeuvre sur la surface de l'aimant "soft".

Pole conventions de nommage

Le pôle nord de l'aimant est le pôle qui (lorsque l'aimant est suspendu librement) pointe vers le pôle nord magnétique (dans le nord du Canada). Depuis pôles opposés (nord et sud) attirent alors comme des poteaux (au nord et au nord ou au sud et au sud) repousser, présente nord géographique de la Terre est donc fait son sud magnétique. Confondre la situation, le champ magnétique de la Terre à l'occasion se renverse.

Afin d'éviter cette confusion, les termes positifs et négatifs pôles sont parfois utilisés au lieu du nord et au sud, respectivement.

En pratique, pour dire quel pôle d'un aimant est au nord et qui se trouve au sud, il ne est pas nécessaire d'utiliser le champ magnétique de la terre du tout. Par exemple, une méthode d'étalonnage serait de le comparer à un électroaimant, dont les pôles peuvent être identifiés par l'intermédiaire du Règle de la main droite.

Les descriptions des comportements magnétiques

Il ya beaucoup de formes de comportement magnétique, et tous les matériaux présentent au moins l'un d'eux. Aimants varient tant dans la permanence de leur aimantation, et dans la force et l'orientation du champ magnétique qu'ils créent. Cette section décrit, qualitativement, les principaux types de comportement magnétique que les matériaux peuvent montrer. La physique sous-jacents chacun de ces comportements sont décrits dans la section suivante ci-dessous, et peuvent également être trouvés plus en détail dans les articles respectifs.

• Plus couramment trouvés dans des trombones, paramagnétisme est exposée dans substances qui ne produisent pas de champs par eux-mêmes, mais qui, lorsqu'il est exposé à un champ magnétique, de renforcer ce domaine en devenant eux-mêmes magnétisés, et donc obtenir attiré à ce domaine. Un bon exemple de ce comportement peut être trouvé dans un seau d'ongles - si vous prenez un seul clou, vous pouvez vous attendre que d'autres ongles ne suivront pas. Cependant, vous pouvez appliquer un champ magnétique intense dans le seau, ramasser un clou, et de constater que beaucoup viendront avec elle.

• Non scientifique dénommé «non-magnétique, ' diamagnétiques font réellement présenter un comportement magnétique - juste pour de très petites grandeurs. En fait, des matériaux diamagnétiques, lorsqu'il est exposé à un champ magnétique, se magnétiser (légèrement) dans la direction opposée, se (légèrement) repoussées du champ appliqué. Les supraconducteurs sont fortement diamagnétique.

• Ferromagnétique et matériaux ferromagnétiques sont la perception «populaire» d'un aimant. Ces matériaux peuvent conserver leur propre aimantation; Un exemple courant est un aimant de réfrigérateur traditionnel. (La différence entre les matériaux ferro- et ferrimagnétiques est liée à leur structure microscopique, comme expliqué ci-dessous.)

Physique des comportements magnétiques

Vue d'ensemble

Magnétisme, à sa racine, provient de deux sources:

• Les courants électriques, ou plus généralement le déplacement de charges électriques , créent des champs magnétiques (voir les équations de Maxwell ).
• Beaucoup les particules ont une valeur non nulle "intrinsèque" (ou " spin ») des moments magnétiques. (Tout comme chaque particule, de par sa nature, a une certaine masse et la charge , chacun a un certain moment magnétique, éventuellement zéro).

Dans les matériaux magnétiques, les plus importantes sources d'aimantation sont, plus précisément, les électrons mouvement angulaire orbitale autour de la " noyau, et le moment magnétique intrinsèque des électrons (voir Electron moment de dipôle magnétique). Les autres sources potentielles de magnétisme sont beaucoup moins importantes: Par exemple, le les moments magnétiques nucléaires du noyaux dans le matériau sont typiquement des milliers de fois plus petit que les moments magnétiques des électrons, de sorte qu'ils sont négligeables dans le contexte de l'aimantation de matériaux. (Les moments magnétiques nucléaires sont importantes dans d'autres contextes, en particulier dans Résonance magnétique nucléaire (RMN) et Imagerie par résonance magnétique (IRM).)

Ordinairement, les électrons dans un matériau innombrables sont agencés de telle sorte que leurs moments magnétiques (à la fois intrinsèques et orbitales) se annulent. Cela est dû, dans une certaine mesure, aux électrons en combinaison avec des paires opposées moments magnétiques intrinsèques (à la suite de la Principe d'exclusion de Pauli; voir Configuration électronique), ou combiner en "remplie sous-couches "avec zéro mouvement orbital net; dans les deux cas, l'accord d'électrons est de manière à annuler exactement les moments magnétiques de chaque électron En outre, même lorsque le. configuration d'électrons est telle qu'il y ait des électrons non appariés et / ou de sous-couches non remplies, il est souvent le cas que les différents électrons dans le solide contribueront moments magnétiques qui pointent dans différentes directions aléatoires, de sorte que le matériau ne sera pas magnétique.

Cependant, parfois, (soit spontanément, soit en raison d'un champ magnétique externe appliquée) chacun des moments magnétiques électronique sera, en moyenne, alignés. Ensuite, le matériau peut produire un champ magnétique total net, qui peut potentiellement être très forte.

Le comportement magnétique d'un matériau dépend de sa structure (en particulier son configuration électronique, pour les raisons mentionnées ci-dessus), mais aussi sur la température (à des températures élevées, aléatoire l'agitation thermique, il est plus difficile pour les électrons pour maintenir l'alignement).

Physique des paramagnétisme

Dans un paramagnétique des électrons non appariés, il ya, à savoir atomique ou orbitales moléculaires avec exactement un électron en eux. Bien électrons appariés sont tenus par le Principe d'exclusion de Pauli d'avoir leur intrinsèque («spin») des moments magnétiques pointant dans des directions opposées (sommation à zéro), un électron non apparié est libre pour aligner son moment magnétique dans ne importe quelle direction. Quand un champ magnétique externe est appliqué, ces moments magnétiques tendent à se aligner dans la même direction que le champ appliqué, renforçant ainsi.

Physique des diamagnétisme

Dans un diamagnet, il n'y a pas des électrons non appariés, de sorte que les moments magnétiques des électrons intrinsèque ne peuvent pas produire un effet de volume. Dans ces cas, l'aimantation résulte de mouvements orbitaux des électrons, qui peuvent être comprises classiquement comme suit:

Lorsqu'un matériau est placé dans un champ magnétique, les électrons en orbite autour du noyau connaîtront, en plus de leur Coulomb attirance pour le noyau, un Force de Lorentz du champ magnétique. Selon la direction dans laquelle l'électron est en orbite, cette force peut augmenter le force centripète sur les électrons, en les tirant vers le noyau, ou bien il peut diminuer la force, en les écartant du noyau. Cet effet augmente systématiquement les moments magnétiques orbitaux qui ont été alignées en face du champ et diminue ceux alignés parallèlement au champ (conformément à La loi de Lenz). Il en résulte un faible moment magnétique en vrac, avec un sens opposé au champ appliqué.

Notez que cette description ne est donnée qu'à titre heuristique; une bonne compréhension nécessite une mécanique quantique description.

Notez que tous les matériaux, y compris paramagnétiques, subissent cette réponse orbitale. Cependant, dans un paramagnétique, cette réponse est dépassée par la réaction adverse beaucoup plus forte décrite ci-dessus (à savoir, l'alignement des moments magnétiques intrinsèques des électrons).

Physique du ferromagnétisme

Un ferromagnétique, comme un paramagnétique, a électrons non appariés. Cependant, en plus de moments magnétiques intrinsèques des électrons qui veulent être parallèle à un champ appliqué, il est aussi dans ces matériaux une tendance de ces moments magnétiques vouloir être parallèles les uns aux autres. Ainsi, même lorsque le champ appliqué est enlevé, les électrons dans le matériau de l'autre peuvent garder constamment pointé dans la même direction.

Chaque ferromagnétique a sa propre température individuel, appelé Température de Curie, ou point de Curie, au-dessus duquel il perd ses propriétés ferromagnétiques. Ce est parce que la tendance au désordre thermique accable l'énergie baissant en raison de l'ordre ferromagnétique.

Domaines magnétiques

Domaines magnétiques dans un matériau ferromagnétique.

Le moment magnétique des atomes dans un matériau ferromagnétique les amener à se comporter quelque chose comme de minuscules aimants permanents. Ils collent ensemble et se rallient en petites régions de l'alignement plus ou moins uniforme appelés domaines magnétiques ou Domaines de Weiss. Domaines magnétiques peuvent être observés avec Magnetic microscope à force de révéler les limites des domaines magnétiques qui ressemblent à des lignes blanches dans le sketch.There sont nombreuses expériences scientifiques qui peuvent physiquement montrer champs magnétiques.

Effet d'un aimant sur les domaines.

Quand un domaine contient trop de molécules, il devient instable et se divise en deux domaines alignés dans des directions opposées afin qu'ils collent ensemble plus stable comme indiqué à droite.

Lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique, les limites du domaine se déplacent de sorte que les domaines alignés avec le champ magnétique se développent et dominent la structure telle que représentée à gauche. Lorsque le champ de magnétisation est retiré, les domaines ne peuvent pas revenir à un état non magnétisé. Cela se traduit par le matériau ferromagnétique étant aimantés, formant un aimant permanent.

Lorsque suffisamment fortement magnétisé que le domaine régnant en roue libre pour entraîner toutes les autres dans un seul domaine unique, le matériau est saturé magnétiquement. Lorsqu'un matériau ferromagnétique magnétisé est chauffé à la Température du point de Curie, les molécules sont agités au point que les domaines magnétiques perdent l'organisation et les propriétés magnétiques qu'ils causent cessez. Lorsque le matériau est refroidi, cette structure d'alignement de domaine retourne spontanément, de façon à peu près analogue à la façon dont un liquide peut figer dans un solide cristallin.

Physique des antiferromagnétisme

Ordre antiferromagnétique

Dans un antiferromagnétique, contrairement à un matériau ferromagnétique, il ya une tendance pour les moments magnétiques intrinsèques des électrons de valence voisin pour pointer dans des directions opposées. Lorsque tous les atomes sont disposés dans une substance telle sorte que chaque voisin est «anti-alignés", la substance est antiferromagnétique. Antiferroaimants ont un moment magnétique net de zéro, ce qui signifie pas de champ est produit par eux. Antiferromagnétiques sont moins fréquents par rapport aux autres types de comportements, et sont le plus souvent observés à de basses températures. Dans des températures variables, antiferroaimants peuvent être vus pour présenter des propriétés diamagnétiques et ferromagnétiques.

Dans certains matériaux, les électrons voisins veulent pointer dans des directions opposées, mais il n'y a aucune disposition géométrique dans laquelle chaque paire de voisins est anti-aligné. Ceci est appelé un tourner le verre, et est un exemple de frustration géométrique.

Physique des ferrimagnétisme

Commande ferrimagnétique

Comme ferromagnétisme, ferrimagnétiques conservent leur magnétisation en l'absence d'un champ. Cependant, comme antiferromagnétiques, paires voisines de spins électroniques comme le point dans des directions opposées. Ces deux propriétés ne sont pas contradictoires, en raison du fait que, dans la disposition géométrique optimal, il n'y a actuellement plus de la sous-réseau magnétique des électrons qui pointent dans une direction, à partir du sous-réseau qui pointe dans la direction opposée.

La substance magnétique d'abord découvert, magnétite, a été considéré comme un matériau ferromagnétique; Louis Néel réfuté cela, cependant, avec la découverte de ferrimagnétisme.

Autres types de magnétisme

Il existe plusieurs autres types de magnétisme, et tels que verre de spin (mentionné plus haut), superparamagnétisme, superdiamagnetism, et métamagnétisme.

Les utilisations courantes d'aimants

Disques durs données d'enregistrement sur une fine couche magnétique.

• Supports d'enregistrement magnétique: commune Cassettes VHS contiennent une bobine de bande magnetique. L'information qui constitue la vidéo et le son est codé sur le revêtement magnétique sur la bande. Commun cassettes audio se appuient également sur bande magnétique. De même, dans les ordinateurs, disquettes et disques durs de données enregistrées sur un fine couche magnétique.

• Crédit, débit et ATM cartes: Tous ces cartes ont une bande magnétique sur un de leurs côtés. Cette bande contient les informations nécessaires pour contacter institution financière d'un individu et se connecter avec leur compte (s).

• Communes téléviseurs et écrans d'ordinateur: la télévision et les écrans d'ordinateur en utilisant la technologie de tube à vide employer un électro-aimant pour guider les électrons à l'écran, afin de produire une image - voir l'article sur tubes à rayons cathodiques. Les écrans plasma et Les écrans LCD utilisent différentes technologies.

• Haut-parleurs et Microphones: La plupart des haut-parleurs utilisent un aimant permanent et une bobine de transport de courant pour convertir l'énergie électrique (le signal) en énergie mécanique (mouvement qui crée le son). Le la bobine est enroulée autour d'un canette attaché à l'enceinte cône, et transmet le signal que le changement de courant qui interagit avec le champ de l'aimant permanent. Le Voice Coil sent une force magnétique et en réponse déplace le cône et pressurise l'air voisin, générant ainsi son . Les microphones dynamiques utilisent le même concept, mais en sens inverse. Un microphone comporte un diaphragme ou d'une membrane attachée à une bobine de fil. La bobine repose à l'intérieur d'un aimant de forme spéciale. Lorsque le son vibrer la membrane, la bobine est mise en vibration ainsi. Comme la bobine se déplace à travers le champ magnétique, une tension est générée dans la bobine (voir La loi de Lenz). Cette tension entraîne courant dans le fil qui est caractéristique du son d'origine.

Séparateur magnétique à la main pour les minéraux lourds

• Moteurs électriques et générateurs: Certains moteurs électriques (un peu comme des haut-parleurs) se appuient sur une combinaison d'un électro-aimant et un aimant permanent, et un peu comme des haut-parleurs, ils convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique. Un générateur est l'inverse: il convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.

• Transformateurs: sont des dispositifs qui transfèrent de l'énergie électrique entre deux enroulements qui sont isolées électriquement, mais reliées magnétiquement.

• Mandrins: mandrins sont utilisés dans le domaine de la métallurgie à tenir des objets. Si ces objets peuvent être tenus en toute sécurité avec un aimant alors une Chuck permanent ou électromagnétique peut être utilisé. Les aimants sont également utilisés dans d'autres types de dispositifs de fixation, tels que la base magnétique, le pince magnétique et le aimant de réfrigérateur.

• Une boussole (ou le compas marin) est un instrument de navigation pour trouver des instructions sur la Terre. Il se compose d'un pointeur aimantée libre de se aligner avec précision avec le champ magnétique de la Terre, qui est d'une grande aide à la navigation. Les points cardinaux sont du nord, sud, est et ouest. Une boussole peut être utilisé en conjonction avec un chronomètre de marine et un sextant pour fournir une capacité de navigation très précis. Ce dispositif a grandement amélioré le commerce maritime en renforçant la sécurité Voyage et plus efficace. Une forme précoce de la boussole a été inventé en Chine au 11ème siècle. La boussole du marin familier a été inventé en Europe autour de 1300, comme ce fut plus tard la boussole liquide et le gyrocompas qui ne fonctionne pas avec un champ magnétique.

• Magic: Naturellement magnétique Lodestones ainsi que des aimants de fer sont utilisés en conjonction avec des grains fins de fer (appelées "sable magnétique") dans la pratique de la Magie populaire afro-américaine connue sous le nom Hoodoo. Les pierres sont symboliquement liées aux noms des personnes et rituellement saupoudrés de sable magnétique pour révéler le champ magnétique. Une pierre peut être utilisée pour apporter des choses désirées à une personne; une paire de pierres peut être manipulé pour mettre deux personnes de plus près ensemble dans l'amour.

• Art : 1 mm ou plus épaisses feuilles d'aimants de vinyle peuvent être attachés à des peintures, des photographies et autres objets d'ornementation, leur permettant d'être coincés aux réfrigérateurs et autres surfaces métalliques.

• Sciences Projets: Beaucoup de questions thématiques sont souvent basées sur des aimants. Par exemple; comment est la force d'un aimant affecté par le verre, le plastique et le carton?

Aimants ont de nombreux usages dans les jouets. M-tic utilise tiges magnétiques connectés à des sphères métalliques pour la construction

• Jouets : En raison de leur capacité à contrer la force de gravité à très courte distance, aimants sont souvent employés dans les jouets pour enfants tels que la Aimant Espace roue à l'effet amusant.

• Les aimants peuvent être utilisés pour faire des bijoux. Colliers et bracelets peuvent avoir un fermoir magnétique. Colliers et bracelets peuvent être fabriqués à partir de petits mais forts, aimants cylindriques et légèrement plus grandes boules de fer ou en acier montés en un motif qui se répète jusqu'à ce qu'il soit suffisamment longue pour tenir sur le poignet ou au cou. Ces accessoires peuvent être assez à venir accidentellement en dehors fragiles, mais ils peuvent aussi être démonté et remonté avec un design différent. Lorsqu'il est connecté comme un collier ou un bracelet, aimants perdent leur attrait pour d'autres pièces d'acier de fer parce qu'ils sont déjà attachés à leurs propres boules de fer et de l'acier.
• Les aimants peuvent ramasser des objets magnétiques (clous de fer, des agrafes, punaises, trombones) qui sont soit trop petits, trop difficiles à atteindre, ou trop mince pour les doigts pour tenir.

• Transport à lévitation magnétique ou maglev, est une forme de transport qui suspend, guides et propulse les véhicules (notamment les trains) par la force électromagnétique. Cette méthode peut être plus rapide que les systèmes de transport en commun à roues, atteignant potentiellement vitesses comparables à turbopropulseurs et les avions à réaction (900 kilomètres par heure, 559 mph). La vitesse maximale enregistrée d'un train à sustentation magnétique est de 581 km / h (361 mph), réalisé au Japon en 2003.

• Une utilisation récemment développé du magnétisme est de connecter les câbles d'alimentation de l'ordinateur portable. Une telle liaison sera occasionnellement par briser accidentellement pousser contre le câble, mais la batterie de l'ordinateur empêche l'interruption du service, et la déconnexion facile protège le câble de secousses graves ou d'être écrasés.

Aimantation et démagnétisation

Les matériaux ferromagnétiques peuvent être magnétisées de la manière suivante:

• Placer l'objet dans un champ magnétique extérieur se traduira par l'élément de retenue une partie du magnétisme sur renvoi. La vibration a été montré pour augmenter l'effet. Matériaux ferreux alignés avec le champ magnétique de la terre et qui sont soumis à des vibrations (p.ex. cadre d'un convoyeur) ont été montré pour acquérir le magnétisme résiduel significatif. Un champ magnétique beaucoup plus forte que celle de la Terre peut être générée à l'intérieur d'un solénoïde en faisant passer courant continu à travers elle.
• Tracer - Un aimant existant est déplacé d'une extrémité de l'élément à l'autre à plusieurs reprises dans le même sens.
• Placer une barre d'acier dans un champ magnétique, puis à chauffer à une température élevée et puis finalement martelant comme il se refroidit. Cela peut être fait en mettant l'aimant dans une direction Nord-Sud dans le champ magnétique de la Terre. Dans ce cas, l'aimant ne est pas très forte, mais l'effet est permanent.

Aimants permanents peuvent être démagnétisées par les moyens suivants:

• Chauffage un aimant passé son point de Curie va détruire la longue commande de gamme.
• Contacter par caressant un aimant avec un autre de façon aléatoire se démagnétiser l'aimant être caressé, dans certains cas; certains matériaux ont un champ coercitif très élevé et ne peuvent être démagnétisées avec d'autres aimants permanents.
• Martelage ou secousses va détruire la longue commande de fourchette à l'intérieur de l'aimant.
• Un aimant étant placé dans un solénoïde qui a un courant alternatif passant à travers elle aura son ordre à longue portée interrompue, à peu près de la même manière que le courant continu peut provoquer commande.

Dans un électro-aimant qui utilise une noyau de fer doux, cesser le flux de courant permettra d'éliminer le champ magnétique. Toutefois, un léger champ peut rester dans le matériau de noyau à la suite de hystérésis.

Types d'aimants permanents

Une pile d'aimants ferrite

Éléments métalliques magnétiques

De nombreux matériaux ont des spins d'électrons non appariés, et la plupart de ces matériaux sont paramagnétique. Lorsque les spins interagissent entre eux de telle manière que les spins se alignent spontanément, les matériaux sont appelés ferromagnétique (ce qui est souvent qualifié de lâche "magnétique"). En raison de la façon dont leur régulière cristallin structure atomique provoque leurs tours d'interagir, certains métaux sont (ferro) magnétique lorsque trouvent dans leur état naturel, comme minerais. Il se agit notamment minerai de fer ( magnétite ou magnétite), le cobalt et le nickel , ainsi que la métaux des terres rares gadolinium et dysprosium (quand à une température très basse). Ces naturels (ferro) aimants ont été utilisés dans les premières expériences avec le magnétisme. La technologie a depuis étendu la disponibilité des matériaux magnétiques pour inclure divers produits d'origine humaine, tout repose, cependant, sur les éléments naturellement magnétiques.

Composites

Céramique ou en ferrite

Céramique ou en ferrite, les aimants sont réalisés en un fritté composite d'oxyde de fer en poudre et de baryum / strontium carbonate de en céramique. En raison du faible coût des matériaux et méthodes de fabrication, des aimants peu coûteux (ou noyaux ferromagnétiques nonmagnetized, pour utilisation dans composant électronique tel que antennes de radio, par exemple) de diverses formes peuvent être facilement produites en masse. Les aimants résultants sont noncorroding, mais fragile et doit être traité comme les autres céramiques.

Alnico

Aimants Alnico sont prises par coulée ou frittage d'une combinaison d' aluminium , de nickel et de cobalt avec du fer et de petites quantités d'autres éléments ajoutés pour améliorer les propriétés de l'aimant. Frittage offre des caractéristiques mécaniques supérieures, tandis que la coulée délivre champs magnétiques élevés et permet la conception de formes complexes. Aimants Alnico résister à la corrosion et ont des propriétés physiques plus indulgent que la ferrite, mais pas aussi souhaitables comme un métal.

Ticonal

Ticonal aimants sont en alliage de titane, le cobalt, le nickel et l'aluminium, de fer et de petites quantités d'autres éléments. Il a été développé par Philips pour haut-parleurs.

Moulé par injection

Les aimants moulés par injection sont une composite de différents types de résine et des poudres magnétiques, ce qui permet des pièces de formes complexes à fabriquer par moulage par injection. Les propriétés physiques et magnétiques du produit dépendent des matières premières, mais sont généralement inférieures à la force magnétique et ressemblent à des matières plastiques dans leurs propriétés physiques.

Flexible

Aimants flexibles sont semblables à injection aimants moulés, en utilisant une résine ou un liant souple tel que vinyle, et produit en bandes ou en feuilles plates. Ces aimants sont inférieurs à la force magnétique, mais peuvent être très flexibles, en fonction du liant utilisé.

Aimants de terres rares

«Terres rares» ( lanthanides ) éléments ont un occupé partiellement f shell électrons (qui peut accueillir jusqu'à 14 électrons). Le spin de ces électrons peut être aligné, résultant dans des champs magnétiques très forts, et donc ces éléments sont utilisés dans compacts aimants à haute résistance où leur prix plus élevé ne est pas une préoccupation. Les types les plus communs de aimants de terres rares sont samarium-cobalt et néodyme-fer-bore (NIB) aimants.

Aimants seule molécule (SMM) et une seule chaîne aimants (AC)

Dans les années 1990, on a découvert que certaines molécules contenant des ions métalliques paramagnétiques sont capables de stocker un moment magnétique à très basse température. Ils sont très différents des aimants classiques qui stockent des informations à un niveau "domaine" et théoriquement pourrait fournir un support de stockage beaucoup plus dense que des aimants classiques. Dans cette recherche de sens sur des monocouches de SMM est actuellement en cours. Très brièvement, les deux principaux attributs d'un SMM sont:

1. une valeur d'essorage grande de l'état fondamental (S), qui est fourni par ferromagnétique ou couplage ferromagnétique entre les centres métalliques paramagnétiques.
2. une valeur négative de l'anisotropie de la séparation de champ nul (D)

La plupart de SMM contiennent du manganèse, mais peuvent également être trouvés avec de vanadium, de fer, de nickel et de cobalt grappes. Plus récemment, il a été trouvé que certains systèmes de chaîne peuvent également afficher une aimantation qui persiste pendant de longues périodes à des températures relativement élevées. Ces systèmes ont été appelés à chaîne unique aimants.

aimants nanostructurés

Certains énergie matériaux nano-structurés présentent des ondes appelées magnons qui confluent en un état de terrain d'entente à la manière d'un Condensat de Bose-Einstein.

Frais

Le aimants permanents actuels les moins chères, permettant forces sur le terrain, sont des aimants souples et en céramique, mais ceux-ci sont aussi parmi les types les plus faibles. Des aimants puissants néodyme-fer-bore (NIB) aimants. Ces aimants sont plus coûteux que la plupart des autres matériaux magnétiques par kg, mais en raison de leur champ intense sont plus petits et moins coûteux dans de nombreuses applications.

Température

Sensibilité à la température varie, mais lorsqu'un aimant est chauffé à une température connue sous le nom Point de Curie, il perd la totalité de son magnétisme, même après refroidissement en dessous de cette température. Les aimants peuvent souvent être remagnetised cependant. De plus, certains aimants sont fragiles et peuvent se rompre à des températures élevées.

Les électro-aimants

Un électro-aimant dans sa forme la plus simple, est un fil qui a été enroulé en une ou plusieurs boucles, connu sous le nom solénoïde. Lorsque le courant électrique circule à travers le fil, un champ magnétique est généré. On concentre près (en particulier à l'intérieur) de la bobine, et ses lignes de champ sont très semblables à ceux d'un aimant. L'orientation de cet aimant efficace est déterminée par la règle de la main droite. Le moment magnétique et le champ magnétique de l'électro-aimant sont proportionnels au nombre de boucles de fil, de la section transversale de chaque boucle, et au courant traversant le fil.

Si la bobine de fil est enroulée autour d'un matériau sans propriétés magnétiques particulières (par exemple, carton), il aura tendance à générer un champ très faible. Cependant, se il est enroulé autour d'un "mou" un matériau ferromagnétique, tel qu'un clou de fer, le champ produit net peut se traduire par un à plusieurs cent- mille augmentation de l'intensité du champ.

Utilisations pour électroaimants comprennent les accélérateurs de particules, les moteurs électriques, les grues de chiffonniers et magnétiques machines d'imagerie par résonance. Certaines applications impliquent des configurations plus d'un dipôle magnétique simple, par exemple, aimants quadripôles sont utilisés pour concentrer des faisceaux de particules.

Les unités et les calculs en magnétisme

Comment nous écrivons les lois du magnétisme dépend de quel ensemble d'unités que nous employons. Pour la plupart des applications d'ingénierie, MKS ou SI (Système international) est commun. Deux autres ensembles, Gauss et CGS-UEM, sont les mêmes pour les propriétés magnétiques, et sont couramment utilisés en physique.

Dans l'ensemble des unités, il est commode d'utiliser deux types de champ magnétique,BetHainsi que la magnétisationM, défini comme le moment magnétique par unité de volume.

1. Le champ d'induction magnétique B est donnée en unités SI de teslas (T). B est le vrai champ magnétique, dont la variation dans le temps produit, par la loi de Faraday, circulant champs électriques (dont les compagnies d'électricité vendent). B produit également une force de déviation sur le déplacement des particules chargées (comme dans les tubes cathodiques). Le tesla est équivalent au flux magnétique (en webers) par unité de surface (en mètres carrés), ce qui donne B l'unité d'une densité de flux. Dans l'unité de CGS B est le gauss (G). Un tesla correspond à 10 ⁴ G.
2. Le champ magnétique H est donnée en unités SI de ampères-tours par mètre (A-tour / m). Les "tours" apparaît parce que quand M est produite par un fil de transport de courant, dont la valeur est proportionnelle au nombre de tours de ce fil. Dans CGS l'unité de H est l'oersted (Oe). Un A-tour / m est égal à x 10 ^-3 Oe.
3. L'aimantation M est donnée en unités SI d'ampères par mètre (A / m). Dans CGS l'unité de M est l'émeu, ou unité électromagnétique. Un A / m est égal à 10 ^-3 emu. Un bon aimant permanent peut avoir une aimantation aussi grand que un million ampères par mètre. Champs magnétiques produits par des fils de transport de courant, il faudrait d'énormes courants comparable par unité de longueur, une raison pour laquelle nous employons aimants permanents et des électro-aimants.
4. En unités SI, la relation B = μ ₀ ( H + M ) détient, où μ ₀ est la perméabilité de l'espace, ce qui équivaut à x 10 ^-7 mètres tesla par ampère. Dans CGS il est écrit que B = H + 4 πM . [L'approche pôle donne μ ₀ H en unités SI. Un μ ₀ M terme SI doit ensuite compléter cette μ ₀ H pour donner le champ correct dans B l'aimant. Il sera d'accord avec le champ B calculé en utilisant courants mis.]

Les matériaux qui ne sont pas des aimants permanents répondent généralement la relation M = χ H dans le SI, où χ est le (dimension) susceptibilité magnétique. La plupart des matériaux non-magnétiques ont une relativement petite χ (de l'ordre d'un millionième), mais aimants mous peuvent ont χ de l'ordre de centaines ou des milliers. Pour matériaux satisfaisant M = χ H , on peut aussi écrire B = μ ₀ (1 + χ ) H = u ₀ u _r H = μ H , où μ _r = 1 + χ est le (dimension) perméabilité relative et est la perméabilité magnétique. Les deux aimants durs et mous ont une plus complexe, dépendant du passé, le comportement décrit par ce qu'on appelle des boucles d'hystérésis, qui donnent soit B vs H ou M vs H . Dans CGS M = χ H , mais χ _SI = 4 πχ _CGS , et .

Attention: En partie parce qu'il ne sont pas assez romaine et symboles grecs, il n'y a pas souvent d'accord sur le symbole pour la force pôle magnétique et le moment magnétique. Le symbole m ​​a été utilisé à la fois pour la résistance de pôle (unité = A · m, où m ici la verticale est de mètre) et de moment magnétique (unité = A · m²). Le symbole μ a été utilisé dans certains textes de la perméabilité magnétique et dans d'autres textes pour le moment magnétique. Nous allons utiliser μ la perméabilité magnétique et m pour le moment magnétique. Pour la force de pôle, nous allons employer q _m . Pour un barreau aimanté de section A avec uniforme aimantation M le long de son axe, la force pôle est donné par q _m = ' MA , de sorte que M peut être considéré comme une force pôle par unité de surface.

Les champs d'un aimant

Loin d'un aimant, le champ magnétique créé par l'aimant qui est presque toujours décrite (avec une bonne approximation) par un champ dipolaire caractérisé par son moment magnétique total. Ceci est vrai quelle que soit la forme de l'aimant, tant que le moment magnétique est différent de zéro. Une caractéristique d'un champ de dipôle est que la force du champ diminue en raison inverse du cube de la distance du centre de l'aimant.

Plus près de l'aimant, le champ magnétique devient plus compliqué et plus dépendant de la forme détaillée et l'aimantation de l'aimant. Formellement, le domaine peut être exprimée comme un développement multipolaire: Un champ dipolaire, plus un champ quadripolaire, plus un champ octupôle, etc.

De près, de nombreux champs différents sont possibles. Par exemple, pour une longue barre aimantée maigre avec son pôle nord à une extrémité et pôle sud à l'autre, le champ magnétique à proximité de chaque extrémité tombe inverse du carré de la distance de ce pôle.

Calcul de la force magnétique

Le calcul de la force d'attraction ou de répulsion entre deux aimants, dans le cas général, une opération extrêmement complexe, car elle dépend de la forme, l'aimantation, l'orientation et la séparation des aimants.

Vigueur entre deux pôles magnétiques

La force entre les deux pôles magnétiques est donnée par:

où

Fest la force (unité SI:newton)

q _m1etq _m2sont les forces polaires (unité SI:ampère-mètre)

μest laperméabilité du milieu intermédiaire (unité SI: tesla mètre parampère, henry par mètre ou newton par ampère carré)

rest la séparation (en unités SI: mètre).

La description pôle est utile de pratiquer magneticians qui conçoivent le monde réel des aimants, mais de véritables aimants avoir une distribution pôle plus complexe qu'une simple nord et le sud. Par conséquent, la mise en œuvre de l'idée pôle est pas simple. Dans certains cas, l'une des formules données ci-dessous plus complexes seront plus utiles.

Vigueur entre deux surfaces proximité attirent de zoneAet aimantations égales mais opposéesM

où

Aest l'aire de chaque surface, en m²

Mest leur aimantation, en A / m.

est la perméabilité de l'espace, qui est égal àx 10^-7Tesla mètre par ampère-

Vigueur entre deux barreaux aimantés

La force entre deux barreaux magnétiques cylindriques identiques mis bout-à-bout est donnée par:

où

B₀est la densité de flux magnétique très proche de chaque pôle, en T,

Aest la surface de chaque pôle, en m²,

Lest la longueur de chaque aimant, en m,

Rest le rayon de chaque aimant, en m, et

xest la distance entre les deux aimants, en m

'B ₀= Mse rapporte à la densité de flux du pôle pour l'aimantation de l'aimant.