Les principes des aimants

1)  Le principe de répulsion et attraction magnétique

Un aimant est issu d’un matériau magnétique dur principalement composé soit de fer, soit de cobalt, ou nickel ou encore matériau de la famille des lanthanides. Un aimant possède son propre champ magnétique qui lui permet d’attirer ou de repousser les éléments ferromagnétiques qui lui sont environnants.

Lorsqu’un aimant est attiré par un support, cette force d’attraction varie en fonction de certains facteurs :                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

-         La distance entre l’aimant et le support

-         La matière du support

-         La régularité de la surface du support

-         La direction de la force appliquée à l’aimant

-         L‘épaisseur

• La distance entre l’aimant et le support : Lorsque l'aimant n'est pas en contact direct avec le support, la force d'adhérence décroît avec la distance. Par exemple, un espace d'air d'un demi-millimètre divisera la force par deux. De la même, manière une fine couche de peinture diminue la force d'adhérence.

• Matière du support : La valeur théorique de la force d'adhérence est égale à celle du fer blanc (tôle  d’acier à faible concentration de carbone recouverte d’étain sur les deux faces). Ainsi, un support en acier de construction ST37 a la valeur de sa force d‘adhérence  réduite d'environ 5%.

• Surface du support : Plus la surface du support est régulière, plus la force sera bonne. Ainsi une surface irrégulière diminuera la force d’adhérence. 

• Direction de la force appliquée à l'aimant : La valeur théorique d’une force d'adhérence est égale à une force dont la direction est perpendiculaire au support.

• Epaisseur du support : Si le support est trop fin, celui-ci peut arriver à saturation magnétique, auquel cas une partie du champ magnétique produit par l'aimant sera perdue.

a) Attraction

   schéma de deux aimants qui s'attirent

Lorsque deux aimants présentent à l'un et à l'autre un pôle opposé les aimants se rapprochent .De plus, quand y a attraction entre deux aimants, chacun d’entre eux favorise l'alignement parallèle des aimants élémentaires de l'autre aimant. Les aimants élémentaires sont les composants d'un aimant et sont eux-mêmes magnétique. Les forces sont alors plus concentrées, augmentant légèrement la puissance des deux aimants.

b) Répulsion

  Schéma de deux aimants qui se repoussent

Lorsque deux aimants identiques présentent à l'un et à l'autre un même pôle, les aimants se repoussent. Quand il y a répulsion, chacun des aimants altère la disposition parallèle des aimants élémentaires de l'autre aimant. Ainsi la puissance des deux aimants diminue légèrement car les forces sont moins concentrées. Plus on les éloigne, plus les aimants élémentaires se redressent et donc, plus les aimants se rapprochent de leur puissance d'origine.

 Ainsi les aimants naturels sont des matériaux simples qui ont la capacité de mettre en mouvement par répulsion ou attraction. Cependant leur force est encore insuffisante pour pouvoir soulever des charges lourdes, de plus l'intensité de leur champ magnétique n'est pas contrôlable. C'est pourquoi nous allons nous intéresser à une version de l'aimant contrôlable et plus puissante que l'aimant naturel : l'électroaimant. 

2) Les électroaimants

a) Qu’est-ce qu’un électroaimant ?

Lorsqu’un courant électrique traverse un fil, il crée un champ magnétique autour de celui-ci. La force du champ magnétique varie en fonction de l'intensité du courant dans le fil. Ainsi l'électroaimant ou solénoïde est formé en bobine. Cette bobine est un fil d’un matériau conducteur enroulé sous forme de spirales (ou spires) souvent autour d'un noyau conducteur. 

Lorsqu'un courant traverse la bobine, la bobine va se polariser. Il se dégagera donc de la bobine un champ magnétique similaire à celui des aimants naturels. Comme nous pouvons contrôler la puissance du courant passant dans un fil, nous pouvons contrôler la force et la direction des pôles magnétique de l'électroaimant. D'où un grand intérêt de l'électroaimant par rapport à un aimant naturel.

schéma d'un électroaimant dans un circuit électrique

 On peut estimer la force de portance d’un électroaimant par la formule suivante:

F= -((10^7)/8Π)*B²S

F : la force de portance (N)

B : induction électromagnétique (T)

S : la surface de contact entre le circuit magnétique et l’objet attiré (m²)

b) Variations de la puissance de l’électroaimant

 La puissance de l’électroaimant peut être augmentée de trois façons :

- Par une intensité de courant accrue 

En effet, plus l'intensité du courant est grande, plus le champ magnétique sera grand.  Cependant, il existe une intensité maximale de courant pouvant le traverser dont la limite s'appelle le courant critique.

- Par un plus grand nombre de spires 

La puissance d'un électroaimant varie en fonction du nombre de spires ajoutés, il est même proportionnel à ce nombre. En effet, si l' on colle deux électroiamants, leur force commune est deux fois supérieure à la force de chacun d'eux. De plus, coller deux électroaimants revient à en avoir un deux fois plus grand.

- Par un noyau de ferromagnétique doux 

Les particules magnétiques composant le ferromagnétique doux s’aligne sous l’action d’un champ magnétique externe. Le noyau de fer doux agit donc comme un aimant à part entière.

La puissance de l’électroaimant ajouté à celle du fer doux crée un champ magnétique plus important que si l’on double le nombre de spires ou l’on double l’intensité du courant.

c) intérêt d'ajouter un noyau ferromagnétique doux

Un noyau ferromagnétique doux au centre d'un électroaimant permet de décupler la force de celui-ci.

schéma d'un électroaimant et de son champ magnétique avec ou sans noyau de fer doux

Le champ magnétique créé au centre des électroaimant peut etre calculé par ces deux formules:

Avec un noyau d'air (sans fer doux) :

B= μ.I.N/L

• B, le champ magnétique (en Tesla).
• μ la perméabilité du vide = 8.85.10^-12 A2·s4 .kg−1·m−3
• N le nombre de spire
• L la longueur de l'enroulement.
• I l'intensité du courant traversant traversant l’électroaimant (en ampère).

Avec un noyau ferromagnétique :

B= K.μ.I.N/L

:

• B, le champ magnétique (en Tesla).
• K la perméabilité relative du noyau ferromagnétique
• N le nombre de spire
• L la longueur de l'enroulement.
• I l'intensité du courant traversant l’électroaimant (en ampère). 

On a ici un nouveau K facteur dans l'équation. On vérifie donc mathématiquement que l’ajout d’un noyaux ferromagnétique doux augmente la force de l’électroaimant.

C'est ce facteur qui montre à quel point rajouter un noyau ferromagnétique peut décupler la puissance du champ magnétique.

3)   L’utilisation des supraconducteurs

 a)  Propriété des supraconducteurs

Les supraconducteurs sont des matériaux ayant atteint une température qui leur confèrent des propriétés spéciales comme d’avoir une résistance électrique totalement nulle et de faire écran à tout magnétisme. Autrement dit, si on pose un supraconducteur sur un aimant, il va repousser le champ électrique de celui-ci et donc léviter. C’est l’effet Meissner. La température permettant la supraconductivité est proche du zéro absolu. Cela est égal à zéro Kelvin soit -273.15°C.

Le phénomène de résistivité nulle s’explique ainsi : le courant traverse un matériau grâce aux électrons qui se déplacent d’un atome à un autre. Or ces électrons se heurtent aux autres car ils ne sont pas coordonnés ; ainsi ils sont ralentis. Dans un supraconducteu,r les électrons se lient par paire. Ces dernières sont liées entre elles et se déplacent toute à la même vitesse. Ainsi si l’une était déviée dans une certaine direction, elles seraient toutes déviées dans cette même direction. Ce phénomène, appelé « paires de Cooper », permet ainsi d’éviter les chocs entre électrons et donc éviter une perte d'énergie .

Cependant, l'utilisation des supraconducteurs a aussi ses propres limites .En effet, lorsqu' un supraconducteur est soumis à des températures trop chaudes ou une intensité de courant trop élevée le matériau perd les propriétés des supraconducteurs.

b) Température critique

 Aussi longtemps que le supraconducteur est refroidi à des températures très basses, les paires de Cooper restent intactes. Par contre, si l'on réchauffe le supraconducteur, à partir d'une certaine température, les paires se brisent, cette température est appelée la température critique. Lorsque ces paires sont brisées, la supraconductivité diminue . Au-dessous de cette température, la résistivité du matériau est nulle tandis qu'au-dessus la résistivité croît avec la température. Les supraconducteurs peuvent avoir des températures critiques différentes selon la nature de leur composition chimique.

graphique de la variation du champ magnétique en fonction de la température du Ba2Cu3O7                    

Tc :température critique

c) Saturation électrique    

La saturation électrique provient lorsque la tension est supérieure à l’intensité du courant le traversant. Cependant plus le supraconducteur est refroidi, plus il peut transporter de courant.

Ceci ne produira pas une perte de courant direct mais le retour à l’état normal du supraconducteur induisant la perte de courant.

 Diagramme de limite du courant critique d’un supraconducteur

d) Champ magnétique critique

 Comme  pour la température ou la tension, un supraconducteur ne peut être soumis à un champ magnétique infini sans perdre ses propriétés. Cependant plus la température du matériau est basse et plus la tension du matériau est grande , plus il peut résister à un champ magnétique puissant.

champ magnétique fournit par le supraconducteur                                                                                                                                                                                                          en fonction du champ magnétique appliqué