La science du fonctionnement des aimants

La force produite par un aimant est invisible et mystifiante. Vous êtes-vous déjà demandé comment fonctionnent les aimants?

Points clés: comment fonctionnent les aimants

• Le magnétisme est un phénomène physique par lequel une substance est attirée ou repoussée par un champ magnétique.
• Les deux sources de magnétisme sont le courant électrique et les moments magnétiques de spin des particules élémentaires (principalement les électrons).
• Un champ magnétique puissant est produit lorsque les moments magnétiques électroniques d'un matériau sont alignés. Lorsqu'ils sont désordonnés, le matériau n'est ni fortement attiré ni repoussé par un champ magnétique.

Qu'est-ce qu'un aimant?

Un aimant est tout matériau capable de produire un champ magnétique. Étant donné que toute charge électrique en mouvement génère un champ magnétique, les électrons sont de minuscules aimants. Ce courant électrique est une source de magnétisme. Cependant, les électrons dans la plupart des matériaux sont orientés de manière aléatoire, il y a donc peu ou pas de champ magnétique net. Pour le dire simplement, les électrons dans un aimant ont tendance à être orientés de la même manière. Cela se produit naturellement dans de nombreux ions, atomes et matériaux lorsqu'ils sont refroidis, mais ce n'est pas aussi courant à température ambiante. Certains éléments (par exemple le fer, le cobalt et le nickel) sont ferromagnétiques (peuvent être induits à se magnétiser dans un champ magnétique) à température ambiante. Pour ces éléments, le potentiel électrique est le plus faible lorsque les moments magnétiques des électrons de valence sont alignés. De nombreux autres éléments sont diamagnétiques. Les atomes non appariés dans les matériaux diamagnétiques génèrent un champ qui repousse faiblement un aimant. Certains matériaux ne réagissent pas du tout avec des aimants.

Le dipôle magnétique et le magnétisme

Le dipôle magnétique atomique est la source du magnétisme. Au niveau atomique, les dipôles magnétiques sont principalement le résultat de deux types de mouvement des électrons. Il y a le mouvement orbital de l'électron autour du noyau, qui produit un moment magnétique dipolaire orbital. L'autre composante du moment magnétique électronique est due au moment magnétique dipolaire de spin. Cependant, le mouvement des électrons autour du noyau n'est pas vraiment une orbite, pas plus que le moment magnétique dipolaire de spin associé à la «rotation» réelle des électrons. Les électrons non appariés ont tendance à contribuer à la capacité d'un matériau à devenir magnétique, car le moment magnétique électronique ne peut pas être totalement annulé lorsqu'il y a des électrons «impairs».

Le noyau atomique et le magnétisme

Les protons et les neutrons dans le noyau ont également un moment angulaire orbital et de spin et des moments magnétiques. Le moment magnétique nucléaire est beaucoup plus faible que le moment magnétique électronique car bien que le moment angulaire des différentes particules puisse être comparable, le moment magnétique est inversement proportionnel à la masse (la masse d'un électron est bien inférieure à celle d'un proton ou d'un neutron). Le moment magnétique nucléaire plus faible est responsable de la résonance magnétique nucléaire (RMN), qui est utilisée pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM).

Sources

• Cheng, David K. (1992). Electromagnétisme de champ et d'onde. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN 978-0-201-12819-2.
• Du Trémolet de Lacheisserie, Étienne; Damien Gignoux; Michel Schlenker (2005). Magnétisme: principes fondamentaux. Springer. ISBN 978-0-387-22967-6.
• Kronmüller, Helmut. (2007). Manuel du magnétisme et des matériaux magnétiques avancés. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-02217-7.