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Renseignements de base sur les aimants

Renseignements de base sur les aimants

Vous trouverez ci-après certaines questions qui reviennent très souvent au sujet des aimants et du magnétisme.

Un bref survol des aimants

Les aimants éveillent votre curiosité? Regardez cette vidéo amusante contenant des démonstrations instructives et des explications sur la nature des aimants et la façon dont ils fonctionnent.

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Qu'est-ce qu'un aimant?

Les aimants peuvent être fabriqués en plaçant un matériau magnétique, comme le fer ou l'acier, dans un champ magnétique puissant. Des aimants permanents, des aimants temporaires et des électroaimants peuvent être fabriqués de cette façon.

aimantsLes atomes qui forment les matériaux facilement magnétisable comme le fer, l'acier, le nickel et le cobalt sont disposés en petites unités appelées domaines. Chaque domaine, même de dimension microscopique, contient des millions de milliards d'atomes et chaque domaine agit commeun petit aimant. Si un matériau magnétique est placé dans un champ magnétique fort, chaque domaine, qui normalement pointe dans toutes lesdirections, s'oriente graduellement dans la direction du champ. Les domaines augmentent aussi en dimensions en se nourrissant des domainesvoisins. Lorsque la majorité des domaines sont alignés dans le champ, le matériau devient un aimant.

Avant la magnétisation
Avant la magnetisation

Après la magnétisation
Après la magnetisation

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Qu'est-ce qu'un aimant temporaire?

Le fer doux et certains alliages de fer, comme le permalloy, (un mélange de fer et de nickel) peuvent être magnétisés très facilement, même dans un champ magnétique faible. Cependant, dès qu'on enlève le champ, le magnétisme disparaît. Ces matériaux font d'excellents aimants temporaires dont on se sert notamment pour la fabrication des téléphones et des moteurs électriques.

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Qu'est-ce qu'un aimant permanent?

D'autres sortes d'alliages comme l'alnico (un alliage d'aluminium, de nickel, de fer, de cobalt), font d'excellents aimants permanents. Les ferrites (matériaux ressemblant à la céramique fabriqués en oxyde de fer avec du nickel et du cobalt) font aussi d'excellents aimants permanents. Dans ces matériaux, les domaines sont plus difficiles à déloger une fois qu'ils sont alignés.

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Qu'est-ce qu'un électroaimant?

Les électroaimants sont utilisés lorsqu'on a besoin d'aimants réellement puissants. On fabrique les électroaimants en plaçant un noyau métallique (habituellement un alliage de fer) à l'intérieur d'une bobine de fil porteuse d'un courant électrique. En passant dans la bobine, l'électricité produit un champ magnétique dont la puissance dépend de l'intensité du courant électrique et du nombre d'enroulement de fil, et la polarité dépend de la direction du flux. Au passage du courant, le noyau se comporte comme un aimant, mais en coupant le courant, les propriétés magnétiques disparaissent. Les moteurs électriques, les télévisions, les trains maglev, les téléphones, les ordinateurs et bien d'autres appareils modernes utilisent des électroaimants.

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Qu'est-ce qu'un supraconducteur?

Ces aimants sont les plus puissants. Ils n'ont pas besoin de noyau métallique, mais sont fabriqués à partir de bobines de fil en alliages métalliques spéciaux qui deviennent des supraconducteurs une fois refroidis à des températures très basses.

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Comment tout cela a-t-il commencé?

Un grand nombre de légendes relatent la découverte de l'aimant. L'une des plus courantes remonte à quelque 4000 ans. Un vieux berger nommé Magnès faisait paître ses moutons dans une région au nord de la Grèce, appelée la Magnésie, et on dit que les clous dans ses souliers et la pointe en métal de sa houlette se collèrent à un gros rocher noir sur lequel il se tenait debout. Ce type de roc fût appelé par la suite magnétite, dérivé du nom Magnésie ou de Magnès.

Dès le premier siècle avant Jésus-Christ, le magnétisme est mentionné dans les écrits de Lucrèce et les pouvoirs magiques dela magnétite sont décrits dans ceux de Pline l'Ancien. Pendant de nombreuses années à la suite de sa découverte, la magnetite s'est voilée de superstitions et on croyait qu'elle possédait des pouvoirs magiques, comme la capacité de guérir les malades, de chasser les mauvais esprits et même d'attirer et de dissoudre les navires en fer! Contrairement à l'ambre (résine d'arbre fossilisée), la magnétite a la propriété d'attirer les objets sans être frottée au préalable. La magnétite prenait donc une dimension beaucoup plus magique. On s'est vite rendu compte que la magnétite non seulement attirait les objets de fer, mais, présentée sous la forme d'une aiguille et flottant sur l'eau, pointait toujours en direction nord-sud, créant ainsi une boussole primitive.

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Qui a découvert les aimants?

La première tentative de nuancer la réalité de la superstition remonte à 1269, lorsqu'un soldat nommé Pierre le Pèlerin écrivit une lettre décrivant tout ce qui était connu, à l'époque, au sujet de la magnétite. On dit qu'il la rédigea alors qu'il montait lagarde hors des murs de Lucera, alors assiégée. Pendant que des gens mourraient de faim à l'intérieur des murs de la ville, Peter Peregrinus rédigeait l'un des premiers rapports scientifiques, rapport qui aurait des répercussions sur le monde. Mais il a fallu attendre les expériences de William Gilbert en 1600 pour mieux comprendre le principe du magnétisme et ce n'est qu'environ un siècle plus tard que d'autres scientifiques ont commencé, grâce à l'expérimentation, à saisir le phénomène.

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Quels scientifiques nous ont aidé à comprendre les aimants?

C'était William Gilbert (Site Web en anglais) est le premier à constater que la terre est un aimant géant et que les aimants peuvent être fabriqués en martelant le fer forgé. Il découvre aussi que ce magnétisme induit se perd si le fer est chauffé. En 1820, Hans Christian Øersted établit pour la première fois (lors d'un exposé public) qu'il existe un rapport entre l'électricité et le magnétisme.

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Qu'est-ce que la magnétite?

La magnétite se trouve dans des couches rocheuses où il existe des gisements de fer et on en a retrouvé sur le plancher océanique datant de deux à 55 millions d'années. Le magnétite est magnétique parce que sa structure moléculaire lui permet de conserver l'alignement des particules causé par le champ magnétique de la terre pendant sa formation il y a des millions d'années. Lorsque chauffée à de hautes températures, la magnétite perd son magnétisme naturel. Cependant, les gisements de fer ne sont pas tous magnétiques et pendant de nombreuses années ce fait a représenté une énigme. Comment se fait-il que la magnétite ne se forme que dans certains gisements de fer? Récemment, une théorie intéressante a vu le jour concernant la bactérie anaérobie GS-15 qui a permis de montrer qu'elle convertit l'oxyde ferrique en magnétite. On pense que la bactérie GS-15 peut être à l'origine de la création des couches de magnétite dans un bon nombre de formations ferrifères.

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Qu'est-ce qu'un champ de force magnétique?

La zone de force (champ magnétique) entourant une pièce de magnétite ou un aimant droit peut être représentée (visualisée) par les lignes de force illustrées en bas, bien que ces lignes ne soient pas plus réelles que les lignes de latitude et de longitude que l'on retrouve sur une carte géographique ou un globe terrestre.

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Quel est le principe du magnétisme?

LES PÔLES IDENTIQUES SE REPOUSSENT et LES PÔLES OPPOSÉS S'ATTIRENT

Les lignes de champ sont tridimensionnelles autour d'une barre magnétique sur tous les côtés.

Lorsque les pôles opposés d'un aimant sont rapprochés, les lignes de champ s'épousent et les aimants s'attirent ensemble.

Lorsque les mêmes pôles d'un aimant sont rapprochés, les lignes de champ s'éloignent les unes des autres et les aimants se repoussent mutuellement.

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Comment fonctionne une boussole?

Les extrémités nord et sud de la Terre s'appellent le pôle nord et le pôle sud. Puisque la Terre a un noyau composé de fer et de nickel elle se comporte comme un aimant. Les pôles magnétiques de la Terre sont situés près des pôles géographiques.

L'aiguille d'une boussole est aussi un aimant et possède un pôle nord et un pôle sud. Le pôle de l'aiguille identifié par un « N » est attiré par le nord et il indique toujours le nord magnétique de la Terre de même que l'autre extrémité de l 'aiguille (identifiée par un « S ») est attirée par le sud et pointe toujours vers le pôle sud magnétique de la Terre.

La Terre elle-même agit comme un aimant, avec ses deux pôles et son vaste champ magnétique. Certains endroits à la surface de la Terre, la force magnétique est plus grande qu'à d'autres. De plus, la force magnétique varie avec le passage de la lune autour de la Terre. La position des pôles magnétiques varieaussi légèrement d'année en année. Le pôle nord magnétique et le pôle nord géographique ne coïncident pas.

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Qui a été le premier à utiliser une boussole?

boussoleIl y a plusieurs siècles, les marins chinois utilisaient des pièces de magnétite, façonnées sous forme d'aiguilles, pours'orienter lorsqu'ils étaient perdus. Une pièce de magnétite, ou un aimant droit, que l'on suspend librement s'immobilise en général en direction nord-sud (l'aiguille d'une boussole est un aimant). La Terre est comme un aimant géant et agit comme s'il y avait en son centre un énorme aimant droit.

 

 

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Approfondir la notion de magnétisme terrestre.

Pendant des siècles, les voyageurs se sont servis de boussoles pour s'orienter sans comprendre comment elles fonctionnaient. Pendant de nombreuses années, on supposait que les pôles magnétiques et géographiques ne constituaient qu'une seule et même entité, une méprise qui a mené à la découverte de l'Amérique du Nord par Christophe Colomb en 1492. Aux poles magnétiques, les lignes du champ pointent droit vers le haut et le bas de sorte qu'à cet endroit la boussole n'est d'aucune utilité.

Comme toutes les formes de magnétisme, le champ magnétique de la terre est produit par des courants électriques. Une théorie sur la production de ces courants veut que profondément au cœur de la terre, le magma en fusion monte, se refroidit et replonge. Ensuite tout le phénomène se répète.On pense qu'à l'intérieur de ces masses de magma montantes et tombantes la rotation de la terre crée une géométrie organisée de courants électriques circulaires, appelés tourbillons. L'intérieur de la planète, en fait, agirait comme une dynamo géante.

Des géophysiciens ont découvert que certaines inversions du champ magnétique de la terre se sont produites pour certaines à quelque 10 000 années d'intervalle et pour d'autres, à des dizaines de millions d'années. Par après, le champ a été inversé en moyenne à chaque 200 000 ans, bien que la dernière inversion ait eu lieu il y a plus de 800 000 ans.

On ne sait pas si cet inversement se produit graduellement ou s'il y a une période de temps où il n'y a pas de champ magnétique du tout. Cette dernière possibilité pourrait avoir des effets dévastateurs pour la vie sur la terre, étant donné que le champ magnétique protégé la terre du rayonnement solaire mortel. En fait, il semble qu'il y ait une bonne corrélation entre l'inversement du champ magnétique et l'extinction de certaines espèces par le passé. On ne sait pas pourquoi ces inversements se produisent, mais c'est comme si la « dynamo » au centre de la terre s'éteignait et se remettait de nouveau en marche dans le sens opposé.

Le champ magnétique terrestre produit également de magnifiques lumières au-dessus du pôle nord, appelées lueurs boréales ou aurores boréales.

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Quelles sont les utilisations des aimants?

La découverte des aimants a été très importante car ils sont utilisés dans la fabrication des moteurs électriques et des générateurs. Sans électricité, il n'y aurait pas de téléphones, d'éclairage ni de chauffage électrique, d'ordinateurs ou de télévisions.

On utilise les électro-aimants dans les trains Maglev, les compresseurs à voitures, les classeurs de ferraille, les téléphones, les ordinateurs, les sonnettes, les magnétoscopes, etc. Les trains Maglev fonctionnent sans roues et «flottent» au-dessus de la voie en raison de la répulsion magnétique entre les électroaimants de la voie et le dessous du train. Les trains Maglev sont très rapides, pouvant atteindre une vitesse de 480km/h (300 mi/h).

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