Magnétisme

Tandis que les aimants peuvent être fabriqués à partir de matériaux ferromagnétiques qui attirent (et repoussent) d’autres matériaux, principalement des métaux. Le magnétisme est la force exercée par les aimants en tant qu’ils s’attirent ou se repoussent. Un petit champ magnétique est créé autour du conducteur, la direction de ce champ magnétique par rapport à ses pôles “Nord” et “Sud” étant déterminée par la direction du courant circulant dans le conducteur.

Le magnétisme joue un rôle important en ingénierie électrique et électronique, car sans lui, des composants tels que les relais, les solénoïdes, les inducteurs, les bobinages, les haut-parleurs, les moteurs, les générateurs, les transformateurs et les compteurs d’électricité, etc., ne fonctionneraient pas si le magnétisme n’existait pas.

Alors, chaque bobine de fil utilise l’effet de l’électromagnétisme lorsqu’un courant électrique y circule. Mais avant de pouvoir examiner le magnétisme et en particulier l’électromagnétisme plus en détail, nous devons revenir à nos cours de physique pour comprendre comment fonctionnent les aimants et le magnétisme.

La Nature du Magnétisme

Les aimants peuvent être trouvés dans un état naturel sous la forme d’un minerai magnétique, les deux types principaux étant la magnétite, également appelée “oxyde de fer” (FE₃O₄) et la pierre lodestone, également connue sous le nom de “pierre dirigeante”. Si ces deux aimants naturels sont suspendus à une pièce de fil, ils prendront une position alignée avec le champ magnétique terrestre en pointant toujours vers le nord.

Un bon exemple de cet effet est l’aiguille d’une boussole. Pour la plupart des applications pratiques, ces aimants naturels peuvent être écartés car leur magnétisme est très faible et parce que de nos jours, des aimants artificiels peuvent être produits dans de nombreuses formes, tailles et intensités magnétiques.

Il existe essentiellement deux formes de magnétisme : les “aimants permanents” et les “aimants temporaires”, le type utilisé dépendant de son application. Il existe de nombreux types de matériaux disponibles pour fabriquer des aimants tels que le fer, le nickel, les alliages de nickel, le chrome et le cobalt, et dans leur état naturel, certains de ces éléments comme le nickel et le cobalt montrent des quantités magnétiques très faibles par eux-mêmes.

Cependant, lorsqu’ils sont mélangés ou “alliés” avec d’autres matériaux comme le fer ou le peroxide d’aluminium, ils deviennent des aimants très puissants produisant des noms inhabituels tels que “alcomax”, “hycomax”, “alni” et “alnico”.

Le matériau magnétique dans un état non magnétique a sa structure moléculaire sous forme de chaînes magnétiques lâches ou de petits aimants individuels disposés de manière aléatoire. L’effet global de ce type d’agencement conduit à un magnétisme nul ou très faible, car cet agencement aléatoire de chaque aimant moléculaire tend à neutraliser son voisin.

Lorsque le matériau est magnétisé, cet agencement aléatoire des molécules change, et les minuscules aimants moléculaires non alignés et aléatoires deviennent “alignés” de manière à produire un agencement magnétique en série. Cette idée d’alignement moléculaire des matériaux ferromagnétiques est connue sous le nom de théorie de Weber et est illustrée ci-dessous.

Alignement des Molécules Magnétiques d’un Morceau de Fer et d’un Aimant

La théorie de Weber est basée sur le fait que tous les atomes ont des propriétés magnétiques en raison de l’action de rotation des électrons de l’atome. Des groupes d’atomes se rejoignent afin que leurs champs magnétiques tournent tous dans la même direction. Les matériaux magnétiques sont composés de groupes de minuscules aimants à un niveau moléculaire autour des atomes, et un matériau magnétisé aura la plupart de ses minuscules aimants alignés dans une seule direction, produisant un pôle nord dans une direction et un pôle sud dans l’autre direction.

De même, un matériau qui a ses minuscules aimants moléculaires pointant dans toutes les directions aura ses aimants moléculaires neutralisés par son aimant voisin, neutralisant ainsi tout effet magnétique. Ces zones d’aimants moléculaires sont appelées “domaines”.

Tout matériau magnétique produira un champ magnétique qui dépend du degré d’alignement des domaines magnétiques dans le matériau établi par les électrons orbitaux et tournants. Ce degré d’alignement peut être précisé par une quantité connue sous le nom de magnétisation, M.

Dans un matériau non magnétisé, M = 0, mais certains des domaines restent alignés sur de petites régions du matériau une fois que le champ magnétique est supprimé. L’effet d’appliquer une force de magnétisation au matériau est d’aligner certains des domaines pour produire une valeur de magnétisation non nulle.

Une fois la force de magnétisation supprimée, le magnétisme dans le matériau restera ou disparaîtra assez rapidement en fonction du matériau magnétique utilisé. Cette capacité d’un matériau à retenir son magnétisme est appelée rétentivité.

Les matériaux qui doivent conserver leur magnétisme auront une rétivité assez élevée, et sont donc utilisés pour produire des aimants permanents, tandis que les matériaux qui doivent perdre leur magnétisme rapidement, tels que les noyaux en fer doux pour les relais et les solénoïdes, auront une très faible rétivité.

Flux Magnétique

Tous les aimants, quelle que soit leur forme, ont deux régions appelées pôles magnétiques, le magnétisme à l’intérieur et autour d’un circuit magnétique produisant une chaîne définie de lignes de flux invisibles organisées et équilibrées autour de lui. Ces lignes de flux sont collectivement appelées le “champ magnétique” de l’aimant. La forme de ce champ magnétique est plus intense dans certaines parties que dans d’autres, la zone de l’aimant ayant le plus de magnétisme étant appelée “pôles”. À chaque extrémité d’un aimant se trouve un pôle.

Ces lignes de flux (appelées champ vectoriel) ne peuvent pas être vues à l’œil nu, mais elles peuvent être vues visuellement en utilisant des copeaux de fer saupoudrés sur une feuille de papier ou en utilisant une petite boussole pour les tracer. Les pôles magnétiques sont toujours présents par paires ; il y a toujours une région de l’aimant appelée pôle Nord et il y a toujours une région opposée appelée pôle Sud.

Les champs magnétiques sont toujours représentés visuellement sous forme de lignes de force qui donnent un pôle défini à chaque extrémité du matériau où les lignes de flux sont plus denses et concentrées. Les lignes qui forment un champ magnétique, montrant la direction et l’intensité, sont appelées Lignes de Force ou plus communément “Flux Magnétique” et sont représentées par le symbole grec, Phi ( Φ ) comme montré ci-dessous.

Lignes de Force du Champ Magnétique d’un Aimant Barre

Comme montré ci-dessus, le champ magnétique est le plus fort près des pôles de l’aimant où les lignes de flux sont plus rapprochées. La direction générale pour le flux magnétique est du Nord ( N ) au Sud ( S ). De plus, ces lignes magnétiques forment des boucles fermées qui sortent au pôle nord de l’aimant et entrent au pôle sud. Les pôles magnétiques sont toujours en paire.

Cependant, le flux magnétique ne circule pas réellement du pôle nord au pôle sud ou ne circule nulle part, car le flux magnétique est une région statique autour d’un aimant dans laquelle la force magnétique existe. En d’autres termes, le flux magnétique ne s’écoule pas ou ne se déplace pas ; il est juste là et n’est pas influencé par la gravité. Quelques faits importants émergent lors du traçage des lignes de force :

• Les lignes de force NE JAMAIS se croiser.
• Les lignes de force sont CONTINUES.
• Les lignes de force forment toujours des BOUCLES FERMÉES autour de l’aimant.
• Les lignes de force ont une DIRECTION définie du Nord vers le Sud.
• Les lignes de force qui sont rapprochées indiquent un CHAMP magnétique FORT.
• Les lignes de force qui sont plus éloignées indiquent un CHAMP magnétique FAIBLE.

Les forces magnétiques attirent et repoussent comme les forces électriques et lorsque deux lignes de force sont rapprochées, l’interaction entre les deux champs magnétiques provoque l’une des deux choses suivantes :

• 1.  –  Lorsque les pôles adjacents sont les mêmes, (nord-nord ou sud-sud), ils REPOUSSENT l’un l’autre.
• 2.  –  Lorsque les pôles adjacents ne sont pas les mêmes, (nord-sud ou sud-nord), ils ATTIRENT l’un l’autre.

Ce phénomène est facilement rappelé par l’expression célèbre disant que “les opposés s’attirent”, et cette interaction des champs magnétiques peut être facilement démontrée en utilisant des copeaux de fer pour montrer les lignes de force autour d’un aimant. L’effet sur les champs magnétiques des différentes combinaisons de pôles alors que les pôles similaires se repoussent et les pôles opposés s’attirent est visible ci-dessous.

Champ Magnétique des Pôles Similaires et Opposés

Lors du traçage des lignes de champ magnétique avec une boussole, on verra que les lignes de force sont produites de manière à donner un pôle défini à chaque extrémité de l’aimant, où les lignes de force sortent du pôle Nord et réintègrent au pôle Sud. Le magnétisme peut être détruit par chauffage ou martelage du matériau magnétique, mais ne peut pas être détruit ou isolé en simplement brisant l’aimant en deux morceaux.

Alors, si vous prenez un aimant barre normal et le cassez en deux morceaux, vous n’avez pas deux moitiés d’un aimant, mais chaque morceau cassé aura en quelque sorte son propre pôle Nord et un pôle Sud. Si vous prenez l’un de ces morceaux et le brisez à nouveau en deux, chacun des plus petits morceaux aura un pôle Nord et un pôle Sud, et ainsi de suite. Peu importe à quel point les morceaux de l’aimant deviennent petits, chaque morceau aura encore un pôle Nord et un pôle Sud, incroyable !

Alors, afin que nous puissions utiliser le magnétisme dans les calculs électriques ou électroniques, il est nécessaire de définir quels sont les divers aspects du magnétisme.

L’ampleur du Magnétisme

Nous savons maintenant que les lignes de force ou plus communément le flux magnétique autour d’un matériau magnétique est représenté par le symbole grec, Phi, ( Φ ) avec l’unité de flux étant le Weber, ( Wb ) après Wilhelm Eduard Weber. Mais le nombre de lignes de force dans une unité de surface donnée est appelé “Densité de Flux” et puisque le flux ( Φ ) est mesuré en ( Wb ) et la surface ( A ) en mètres carrés, la densité de flux est donc mesurée en Webers/Mètre² ou ( Wb/m² ) et est représentée par le symbole B.

Cependant, lors de la référence à la densité de flux dans le magnétisme, la densité de flux est donnée en unité de Tesla après Nikola Tesla, donc un Wb/m² est égal à un Tesla, 1Wb/m² = 1T. La densité de flux est proportionnelle aux lignes de force et inversement proportionnelle à la surface, nous pouvons donc définir Densité de Flux comme :

Densité de Flux Magnétique

Le symbole pour la densité de flux magnétique est B et l’unité de densité de flux magnétique est le Tesla, T.

Il est important de se rappeler que tous les calculs pour la densité de flux sont effectués dans les mêmes unités, par exemple, le flux en webers, la surface en m² et la densité de flux en Teslas.

Exemple de Magnétisme N°1

La quantité de flux présente dans une barre magnétique ronde a été mesurée à 0,013 webers. Si le matériau a un diamètre de 12 cm, calculez la densité de flux.

La section transversale du matériau magnétique en m² est donnée comme :

Le flux magnétique est donné comme 0,013 webers, donc la densité de flux peut être calculée comme :

Ainsi, la densité de flux est calculée à 1,15 Teslas.

Lorsqu’il s’agit de magnétisme dans des circuits électriques, il faut se rappeler qu’un Tesla est la densité d’un champ magnétique tel qu’un conducteur transportant 1 ampère à angle droit par rapport au champ magnétique subit une force d’un newton-mètre de long sur lui, et cela sera démontré dans le prochain tutoriel sur l’électromagnétisme.