Magnétisme et Electromagnétisme

Aimants naturels et artificiels

Parmi les minerais de fer extraits pour l'industrie métallurgique se trouve un minerai appelé minerai de fer magnétique. Ce minerai a la propriété d'attirer à lui les objets en fer.

Un tel morceau de minerai de fer est appelé un aimant naturel, et la propriété d'attraction qu'il présente est le magnétisme.

De nos jours, le phénomène de magnétisme est extrêmement largement utilisé dans diverses installations électriques. Cependant, ils utilisent maintenant des aimants non naturels, mais dits artificiels.

Les aimants artificiels sont faits d'aciers spéciaux. Une pièce de cet acier est magnétisée d'une manière spéciale, après quoi elle acquiert des propriétés magnétiques, c'est-à-dire qu'elle devient aimant permanent.

La forme des aimants permanents peut être très diverse, selon leur objectif.

Dans un aimant permanent, seuls ses pôles ont des forces gravitationnelles. L'extrémité orientée au nord de l'aimant est appelée l'aimant du pôle nord et l'extrémité orientée au sud est l'aimant du pôle sud. Chaque aimant permanent a deux pôles : nord et sud. Le pôle nord d'un aimant est indiqué par la lettre C ou N, le pôle sud par la lettre Yu ou S.

L'aimant attire à lui le fer, l'acier, la fonte, le nickel, le cobalt. Tous ces corps sont appelés corps magnétiques. Tous les autres corps qui ne sont pas attirés par un aimant sont appelés corps non magnétiques.

La structure de l'aimant. Magnétisation

Chaque corps, y compris le corps magnétique, est constitué des plus petites particules - molécules. Contrairement aux molécules des corps non magnétiques, les molécules d'un corps magnétique ont des propriétés magnétiques, représentant des aimants moléculaires. A l'intérieur d'un corps magnétique, ces aimants moléculaires sont disposés avec leurs axes dans des directions différentes, de sorte que le corps lui-même ne présente aucune propriété magnétique. Mais si ces aimants sont forcés de tourner autour de leurs axes de sorte que leurs pôles nord tournent dans un sens et leurs pôles sud dans l'autre, alors le corps acquerra des propriétés magnétiques, c'est-à-dire qu'il deviendra un aimant.

Le processus par lequel un corps magnétique acquiert les propriétés d'un aimant s'appelle magnétisation... Dans la production d'aimants permanents, la magnétisation est réalisée à l'aide d'un courant électrique. Mais vous pouvez magnétiser le corps d'une autre manière, en utilisant un aimant permanent ordinaire.

Si un aimant rectiligne est coupé le long d'une ligne neutre, alors deux aimants indépendants seront obtenus, et la polarité des extrémités de l'aimant sera préservée, et des pôles opposés apparaîtront aux extrémités obtenues à la suite de la coupe.

Chacun des aimants résultants peut également être divisé en deux aimants, et peu importe à quel point nous poursuivons cette division, nous obtiendrons toujours des aimants indépendants à deux pôles. Il est impossible d'obtenir une barre avec un pôle magnétique. Cet exemple confirme la position selon laquelle le corps magnétique est constitué de nombreux aimants moléculaires.

Les corps magnétiques diffèrent les uns des autres par le degré de mobilité des aimants moléculaires. Il y a des corps qui se magnétisent vite et se démagnétisent tout aussi vite. A l'inverse, il existe des corps qui s'aimantent lentement mais conservent longtemps leurs propriétés magnétiques.

Ainsi, le fer est rapidement magnétisé sous l'action d'un aimant externe, mais tout aussi rapidement démagnétisé, c'est-à-dire qu'il perd ses propriétés magnétiques lorsque l'aimant est retiré. L'acier, après avoir été magnétisé, conserve longtemps ses propriétés magnétiques, c'est-à-dire , il devient un aimant permanent.

La propriété du fer à magnétiser et démagnétiser rapidement s'explique par le fait que les aimants moléculaires du fer sont extrêmement mobiles, ils tournent facilement sous l'influence de forces magnétiques externes, mais reviennent tout aussi rapidement à leur position désordonnée précédente lorsque le corps magnétisant est supprimé.

Dans le fer, cependant, une petite proportion des aimants, et après l'enlèvement de l'aimant permanent, restent encore quelque temps dans la position qu'ils occupaient au moment de l'aimantation. Ainsi, après aimantation, le fer conserve des propriétés magnétiques très faibles. Ceci est confirmé par le fait que lorsque la plaque de fer a été retirée du pôle de l'aimant, toute la sciure de bois n'est pas tombée de son extrémité - une petite partie est restée attirée par la plaque.

La propriété de l'acier de rester longtemps magnétisé s'explique par le fait que les aimants moléculaires en acier tournent à peine dans le sens souhaité lors de la magnétisation, mais ils conservent longtemps leur position stable même après le retrait du corps magnétisant.

La capacité d'un corps magnétique à présenter des propriétés magnétiques après magnétisation est appelée magnétisme résiduel.

Le phénomène de magnétisme résiduel est causé par le fait qu'il existe dans un corps magnétique une force dite de ralentissement qui maintient les aimants moléculaires dans la position qu'ils occupent lors de l'aimantation.

Dans le fer, l'action de la force retardatrice est très faible, de sorte qu'il se démagnétise rapidement et a très peu de magnétisme résiduel.

La propriété du fer à magnétiser et démagnétiser rapidement est extrêmement largement utilisée en génie électrique. Qu'il suffise de dire que les noyaux de chacun électroaimantsceux utilisés dans les appareils électriques sont en fer spécial avec un magnétisme résiduel extrêmement faible.

L'acier a un grand pouvoir de maintien, grâce auquel la propriété du magnétisme y est préservée. Voilà pourquoi aimants permanents sont faits d'alliages d'acier spéciaux.

Les propriétés des aimants permanents sont affectées par les chocs, les impacts et les fluctuations soudaines de température. Si, par exemple, un aimant permanent est chauffé au rouge puis refroidi, il perdra complètement ses propriétés magnétiques. De même, si vous soumettez un aimant permanent à des chocs, sa force d'attraction diminuera considérablement.

Cela s'explique par le fait qu'en cas d'échauffement ou de chocs importants, l'action d'une force de ralentissement est surmontée et donc la disposition ordonnée des aimants moléculaires est perturbée. Par conséquent, les aimants permanents et les dispositifs à aimants permanents doivent être manipulés avec précaution.

Lignes de force magnétiques. Interaction des pôles des aimants

Autour de chaque aimant se trouve un soi-disant champ magnétique.

Un champ magnétique est appelé l'espace dans lequel les forces magnétiques... Le champ magnétique d'un aimant permanent est la partie de l'espace dans laquelle agissent les champs d'un aimant rectiligne et les forces magnétiques de cet aimant.

Les forces magnétiques du champ magnétique agissent dans certaines directions... Les directions d'action des forces magnétiques ont convenu d'être appelées lignes de force magnétiques... Ce terme est largement utilisé dans l'étude de l'électrotechnique, mais il faut s'en souvenir que les lignes de force magnétiques ne sont pas matérielles : il s'agit d'un terme conventionnel introduit uniquement pour faciliter la compréhension des propriétés du champ magnétique.

La forme du champ magnétique, c'est-à-dire l'emplacement des lignes de champ magnétique dans l'espace, dépend de la forme de l'aimant lui-même.

Les lignes de champ magnétique ont plusieurs propriétés : elles sont toujours fermées, ne se croisent jamais, ont tendance à prendre le chemin le plus court et se repoussent si elles pointent dans la même direction. Il est généralement admis que les lignes de force sortent du pôle nord de l'aimant et entrer dans son pôle sud ; à l'intérieur de l'aimant, ils ont une direction du pôle sud vers le nord.

Comme les pôles magnétiques se repoussent, contrairement aux pôles magnétiques qui s'attirent.

Il est facile de se convaincre de l'exactitude des deux conclusions dans la pratique. Prenez une boussole et amenez-y l'un des pôles d'un aimant rectiligne, par exemple le pôle nord. Vous verrez que la flèche tournera instantanément son extrémité sud vers le pôle nord de l'aimant. Si vous tournez rapidement l'aimant de 180 °, l'aiguille magnétique tournera immédiatement de 180 °, c'est-à-dire que son extrémité nord fera face au pôle sud de l'aimant.

Induction magnétique. Flux magnétique

La force d'action (attraction) d'un aimant permanent sur un corps magnétique diminue à mesure que la distance entre le pôle de l'aimant et ce corps augmente. Un aimant présente la plus grande force d'attraction directement à ses pôles, c'est-à-dire exactement là où les lignes de force magnétique sont les plus denses. En s'éloignant du pôle, la densité des lignes de force diminue, on les retrouve de plus en plus rarement, parallèlement à cela, la force d'attraction de l'aimant s'affaiblit également.

Ainsi, la force d'attraction d'un aimant en différents points du champ magnétique n'est pas la même et se caractérise par la densité des lignes de force. Pour caractériser le champ magnétique en ses différents points, une grandeur appelée induction de champ magnétique est introduite.

L'induction magnétique du champ est numériquement égale au nombre de lignes de force traversant une surface de 1 cm2, situées perpendiculairement à leur direction.

Cela signifie que plus la densité des lignes de champ est élevée en un point donné du champ, plus l'induction magnétique en ce point est élevée.

Le nombre total de lignes de force magnétiques traversant une région est appelé le flux magnétique.

Le flux magnétique est désigné par la lettre F et est lié à l'induction magnétique par la relation suivante :

Ф = BS,

où F est le flux magnétique, V est l'induction magnétique du champ ; S est la zone pénétrée par un flux magnétique donné.

Cette formule n'est valable que si la surface S est perpendiculaire à la direction du flux magnétique. Sinon, l'amplitude du flux magnétique dépendra également de l'angle auquel se trouve la zone S, puis la formule prendra une forme plus complexe.

Le flux magnétique d'un aimant permanent est déterminé par le nombre total de lignes de force traversant la section transversale de l'aimant.Plus le flux magnétique d'un aimant permanent est grand, plus cet aimant est attractif.

Le flux magnétique d'un aimant permanent dépend de la qualité de l'acier à partir duquel l'aimant est fabriqué, de la taille de l'aimant lui-même et du degré de son aimantation.

Perméabilité magnétique

La propriété d'un corps à laisser passer le flux magnétique à travers lui-même s'appelle la perméabilité magnétique... Il est plus facile pour un flux magnétique de traverser l'air qu'à travers un corps non magnétique.

Pour pouvoir comparer différentes substances en fonction de leur perméabilité magnétique, il est d'usage de considérer la perméabilité magnétique de l'air comme égale à l'unité.

On les appelle substances à perméabilité magnétique inférieure à l'unité diamagnétique... Ils comprennent le cuivre, le plomb, l'argent, etc.

Aluminium, platine, étain, etc. Ils ont une perméabilité magnétique légèrement supérieure à l'unité et sont appelés substances paramagnétiques.

Les substances ayant une perméabilité magnétique bien supérieure à un (mesurée en milliers) sont appelées ferromagnétiques. Ceux-ci incluent le nickel, le cobalt, l'acier, le fer, etc. Tous les types d'appareils magnétiques et électromagnétiques et les pièces de diverses machines électriques sont produits à partir de ces substances et de leurs alliages.

Les alliages fer-nickel spéciaux appelés permaloïdes présentent un intérêt pratique pour les technologies de communication.