Comment fonctionne un aimant ?

Les aimants comptent parmi les matériaux les plus extraordinaires que l'homme connaisse. Bien que presque tout le monde ait déjà tenu un aimant entre ses mains, rares sont ceux qui savent exactement ce qui se passe lorsqu'un aimant attire un objet métallique, ou pourquoi deux aimants se repoussent parfois.

Le magnétisme est un phénomène naturel connu depuis des milliers d'années. Pourtant, il joue aujourd'hui un rôle plus important que jamais. Sans aimants, les technologies modernes telles que les moteurs électriques, les haut-parleurs, les éoliennes, les appareils d'IRM, les ordinateurs et les véhicules électriques ne pourraient pas fonctionner.

Pour comprendre le fonctionnement d'un aimant, il faut d'abord s'intéresser au phénomène invisible qui entoure chaque aimant : le champ magnétique.

Le champ magnétique

Chaque aimant est entouré d'un champ magnétique. Ce champ est invisible à l'œil nu, mais il peut être mis en évidence à l'aide de limaille de fer ou d'appareils de mesure spéciaux.

Lorsque l'on répand de la limaille de fer autour d'un aimant, les petites particules métalliques forment des motifs bien distincts. Ces motifs suivent ce qu'on appelle les lignes de champ magnétique. Ils montrent comment le champ magnétique se propage autour de l'aimant.

Le champ magnétique est le plus intense aux extrémités de l'aimant. Ces extrémités sont appelées les pôles.

Pôle Nord et pôle Sud

Chaque aimant possède deux pôles :

• un pôle Nord
• un pôle Sud

Ces pôles ne peuvent pas être séparés l'un de l'autre. Même lorsqu'un aimant est cassé en deux, on obtient deux nouveaux aimants qui possèdent à nouveau un pôle nord et un pôle sud.

L'une des propriétés fondamentales du magnétisme est que les pôles de même signe se repoussent, tandis que les pôles de signes opposés s'attirent.

Lorsque deux pôles nord sont rapprochés, une force de répulsion s'exerce entre eux. En revanche, lorsqu'un pôle nord et un pôle sud sont placés face à face, ils s'attirent.

Ce principe est à la base de la quasi-totalité des applications du magnétisme.

Pourquoi certains matériaux sont-ils magnétiques ?

Tous les matériaux ne réagissent pas à un aimant.

Les matériaux tels que le bois, le verre, le plastique et l'aluminium ne sont pratiquement pas affectés par les champs magnétiques. En revanche, le fer, le nickel et le cobalt réagissent très fortement aux aimants.

Cette différence résulte du comportement des électrons au sein d'un matériau.

Les électrons tournent en permanence autour du noyau atomique et possèdent ainsi une faible propriété magnétique. Dans la plupart des matériaux, ces champs magnétiques infimes sont orientés de manière aléatoire dans toutes les directions, ce qui fait qu’ils s’annulent mutuellement.

Dans les matériaux ferromagnétiques tels que le fer, de grands groupes d'atomes peuvent toutefois s'orienter dans la même direction. Il en résulte un effet magnétique mesurable.

Domaines magnétiques

À l'intérieur d'un morceau de fer se trouvent des milliards de petites zones appelées « domaines magnétiques ».

Au sein de chaque domaine, les propriétés magnétiques des atomes sont orientées en grande partie dans la même direction.

Dans un morceau de fer non magnétisé, ces domaines sont toutefois orientés de manière aléatoire dans différentes directions. De ce fait, ils s'annulent en grande partie les uns les autres et le matériau semble non magnétique.

Lorsqu'un champ magnétique intense est appliqué, bon nombre de ces domaines peuvent s'orienter dans la même direction. C'est à ce moment-là qu'un matériau magnétique se forme.

Dans le cas des aimants permanents, une grande partie de cet alignement est conservée, même après la disparition du champ magnétique externe.

Aimants permanents et électroaimants

Tous les aimants ne fonctionnent pas de la même manière.

Les aimants permanents conservent leurs propriétés magnétiques sans nécessiter d'énergie. Les aimants en néodyme, en ferrite et en AlNiCo sont des exemples d'aimants permanents.

Les électroaimants fonctionnent différemment. Dans ce cas, un courant électrique circule dans une bobine. Tant que le courant circule, un champ magnétique se crée. Dès que le courant est coupé, l'effet magnétique disparaît en grande partie.

Les électroaimants sont largement utilisés dans les moteurs, les relais, les haut-parleurs et les machines industrielles.

Pourquoi les aimants en néodyme sont-ils si puissants ?

Les aimants en néodyme comptent parmi les aimants permanents les plus puissants disponibles dans le commerce.

Ces aimants sont composés d'un alliage de néodyme, de fer et de bore. Grâce à leur structure cristalline particulière, ils peuvent stocker une quantité exceptionnellement importante d'énergie magnétique.

De ce fait, un aimant en néodyme relativement petit peut exercer la même force qu'un aimant traditionnel beaucoup plus grand.

Cela explique pourquoi les appareils modernes peuvent devenir de plus en plus petits tout en continuant à gagner en performances.

Le champ magnétique diminue avec la distance

Une caractéristique importante des champs magnétiques est que leur intensité diminue rapidement à mesure que la distance augmente.

Lorsqu'un aimant entre en contact direct avec une surface en acier, la force d'attraction est maximale. Dès qu'il y a quelques millimètres de distance, l'effet diminue sensiblement.

C'est pourquoi la distance et la surface de contact jouent un rôle important dans la force d'adhérence finale d'un aimant.

Le magnétisme au quotidien

Même si beaucoup de gens associent surtout les aimants aux aimants de réfrigérateur, les champs magnétiques sont aujourd’hui utilisés dans pratiquement toutes les industries modernes.

Les aimants jouent un rôle dans :

• véhicules électriques
• éoliennes
• ordinateurs
• smartphones
• haut-parleurs
• capteurs
• appareils d'IRM
• machines de production
• robotique

Presque toutes les formes de technologie moderne font appel, d'une manière ou d'une autre, au magnétisme.

Conclusion

Un aimant fonctionne en produisant un champ magnétique. Ce champ exerce des forces sur certains matériaux et sur d'autres aimants. Le fonctionnement des aimants repose sur l'alignement des domaines magnétiques au sein d'un matériau et sur l'interaction entre les pôles nord et sud.

Bien que le magnétisme soit invisible à l'œil nu, il constitue l'un des phénomènes physiques les plus importants à l'origine de nombreuses technologies utilisées au quotidien. Des simples fermetures magnétiques aux moteurs électriques sophistiqués : le magnétisme joue partout un rôle crucial.