Nous avons tous joué de temps en temps avec des aimants. Ci-dessous est une tentative d'expliquer les bases derrière le fonctionnement intérieur secret de l'aimant mystérieux.
Un aimant est tout matériau ou objet qui produit un champ magnétique. Ce champ magnétique est responsable de la propriété d'un aimant: une force qui tire sur d'autres matériaux ferromagnétiques et attire ou repousse d'autres aimants. Un aimant permanent est un objet fabriqué à partir d'un matériau qui est magnétisé et crée son propre champ magnétique persistant. Les matériaux magnétisables fortement attirés par un aimant sont appelés ferromagnétiques. Bien que les matériaux ferromagnétiques soient les seuls à être suffisamment attirés par un aimant pour être considérés comme magnétiques, toutes les autres substances répondent faiblement à un champ magnétique.
Voici quelques faits sur les aimants:
- le pôle nord de l'aimant pointe vers le pôle nord géomagnétique (un pôle magnétique sud) situé au Canada au-dessus du cercle polaire arctique.
- les pôles nord repoussent les pôles nord
- les pôles sud repoussent les pôles sud
- les pôles nord attirent les pôles sud
- les pôles sud attirent les pôles nord
- la force d'attraction ou de répulsion varie inversement avec la distance au carré
- la force d'un aimant varie à différents endroits sur l'aimant
- les aimants sont les plus puissants à leurs pôles
- les aimants attirent fortement l'acier, le fer, le nickel, le cobalt, le gadolinium
- les aimants attirent légèrement l'oxygène liquide et d'autres matériaux
- les aimants repoussent légèrement l'eau, le carbone et le bore
La mécanique du fonctionnement des aimants se décompose vraiment jusqu'au niveau atomique. Lorsque le courant circule dans un fil, un champ magnétique se crée autour du fil. Le courant est simplement un groupe d'électrons en mouvement, et les électrons en mouvement créent un champ magnétique. C'est ainsi que les électro-aimants fonctionnent.
Autour du noyau de l'atome, il y a des électrons. Les scientifiques pensaient qu'ils avaient des orbites circulaires, mais ont découvert que les choses étaient beaucoup plus compliquées. En fait, les motifs de l’électron dans l’une de ces orbitales tiennent compte des équations d’ondes de Schroedinger. Les électrons occupent certaines coquilles qui entourent le noyau de l'atome. Ces obus ont reçu les noms de lettres K, L, M, N, O, P, Q. Ils ont également reçu des noms de nombres, tels que 1,2,3,4,5,6,7 (pensez à la mécanique quantique). Dans le shell, il peut exister des sous-coques ou des orbitales, avec des noms de lettres tels que s, p, d, f. Certaines de ces orbitales ressemblent à des sphères, d'autres à un sablier, d'autres à des perles. La coquille K contient une orbitale s appelée orbitale 1s. La coquille L contient une orbitale s et p appelée orbitale 2s et 2p. La coquille M contient une orbitale s, p et d appelée orbitale 3s, 3p et 3d. Les coquilles N, O, P et Q contiennent chacune une orbitale s, p, d et f appelée 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, Orbitale 7d et 7f. Ces orbitales ont également diverses sous-orbitales. Chacun ne peut contenir qu'un certain nombre d'électrons. Un maximum de 2 électrons peuvent occuper une sous-orbitale où l'un a un spin vers le haut, l'autre a un spin vers le bas. Il ne peut pas y avoir deux électrons avec spin dans la même sous-orbitale (le principal d'exclusion de Pauli). De plus, lorsque vous avez une paire d'électrons dans une sous-orbitale, leurs champs magnétiques combinés s'annulent. Si vous êtes confus, vous n'êtes pas seul. Beaucoup de gens se perdent ici et se posent des questions sur les aimants au lieu de poursuivre leurs recherches.
Lorsque vous regardez les métaux ferromagnétiques, il est difficile de voir pourquoi ils sont si différents des éléments à côté d'eux dans le tableau périodique. Il est généralement admis que les éléments ferromagnétiques ont de grands moments magnétiques en raison d'électrons non appariés dans leurs orbitales externes. On pense également que le spin de l'électron crée un champ magnétique infime. Ces champs ont un effet composé, donc lorsque vous rassemblez un tas de ces champs, ils s'ajoutent à des champs plus grands.
Pour conclure sur «comment fonctionnent les aimants?», Les atomes des matériaux ferromagnétiques ont tendance à avoir leur propre champ magnétique créé par les électrons qui les orbitent. Les petits groupes d'atomes ont tendance à s'orienter dans la même direction. Chacun de ces groupes est appelé un domaine magnétique. Chaque domaine a ses propres pôle nord et pôle sud. Lorsqu'un morceau de fer n'est pas magnétisé, les domaines ne pointeront pas dans la même direction, mais pointeront dans des directions aléatoires s'annulant et empêchant le fer d'avoir un pôle nord ou sud ou d'être un aimant. Si vous introduisez du courant (champ magnétique), les domaines commenceront à s'aligner avec le champ magnétique externe. Plus l'application est courante, plus le nombre de domaines alignés est élevé. À mesure que le champ magnétique externe s'intensifie, de plus en plus de domaines s'alignent avec lui. Il y aura un point où tous les domaines au sein du fer seront alignés avec le champ magnétique externe (saturation), quelle que soit la force du champ magnétique. Une fois le champ magnétique externe supprimé, les matériaux magnétiques doux reviendront à des domaines orientés de façon aléatoire; cependant, les matériaux magnétiques durs garderont la plupart de leurs domaines alignés, créant un puissant aimant permanent. Alors voilà.
Nous avons écrit de nombreux articles sur les aimants pour Space Magazine. Voici un article sur les aimants en barre, et voici un article sur les super aimants.
Si vous souhaitez plus d'informations sur les aimants, consultez quelques expériences intéressantes avec des aimants, et voici un lien vers un article sur les super aimants par Wise Geek.
Nous avons également enregistré un épisode entier d'Astronomy Cast consacré au magnétisme. Écoutez ici, épisode 42: Le magnétisme partout.
Sources:
Wise Geek
Wikipédia: aimant
Wikipédia: ferromagnétisme
