MAGNÉTISME: PROPRIÉTÉS MAGNÉTIQUES DES MATÉRIAUX, UTILISATIONS - PHYSIQUE - 2025

Le magnétisme ou énergie magnétique est un mouvement naturel associé à une force et capable de produire une attraction ou une répulsion électrique dans certaines charges de substances. Les aimants sont des sources de magnétisme bien connues.

À l'intérieur de ceux-ci, il y a des interactions qui se traduisent par la présence de champs magnétiques, qui exercent leur influence sur de petits morceaux de fer ou de nickel, par exemple.

Les belles couleurs des aurores boréales sont dues aux particules cosmiques émettant de l'énergie lorsqu'elles sont déviées par le champ magnétique terrestre. Source: Pixabay.

Le champ magnétique d'un aimant devient visible lorsqu'il est placé sous un papier sur lequel de la limaille de fer est étalée. Les dépôts sont immédiatement orientés le long des lignes de champ, créant une image bidimensionnelle du champ.

Une autre source bien connue est celle des fils qui transportent le courant électrique; Mais contrairement aux aimants permanents, le magnétisme disparaît lorsque le courant s'arrête.

Chaque fois qu'un champ magnétique se produit quelque part, un agent devait travailler. L'énergie investie dans ce processus est stockée dans le champ magnétique créé et peut alors être considérée comme de l'énergie magnétique.

Le calcul de la quantité d'énergie magnétique stockée dans le champ dépend du champ et de la géométrie de l'appareil ou de la région où il a été créé.

Les inducteurs ou les bobines sont de bons endroits pour le faire, créant de l'énergie magnétique de la même manière que l'énergie électrique est stockée entre les plaques d'un condensateur.

Histoire et découverte

Anciennes applications

Les légendes racontées par Pline sur la Grèce antique parlent du berger Magnes, qui a trouvé il y a plus de 2000 ans un minéral mystérieux capable d'attirer des morceaux de fer, mais pas d'autres matériaux. C'était de la magnétite, un oxyde de fer aux fortes propriétés magnétiques.

La raison de l'attraction magnétique est restée cachée pendant des centaines d'années. Au mieux, il a été attribué à des événements surnaturels. Bien que ce ne soit pas pour cette raison, des applications intéressantes ont été trouvées, comme la boussole.

La boussole inventée par les Chinois utilise le magnétisme de la Terre pour guider l'utilisateur pendant la navigation.

Premières études scientifiques

L'étude des phénomènes magnétiques a connu une grande avancée grâce à William Gilbert (1544 - 1603). Ce scientifique anglais de l'ère élisabéthaine a étudié le champ magnétique d'un aimant sphérique et a conclu que la Terre doit avoir son propre champ magnétique.

De son étude des aimants, il s'est également rendu compte qu'il ne pouvait pas obtenir de pôles magnétiques séparés. Lorsqu'un aimant est sectionné en deux, les nouveaux aimants ont également les deux pôles.

Cependant, c'est au début du 19e siècle que les scientifiques ont réalisé l'existence de la relation entre le courant électrique et le magnétisme.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), né au Danemark, eut en 1820 l'idée de faire passer un courant électrique à travers un conducteur et d'observer l'effet que cela avait sur une boussole. La boussole dévierait et lorsque le courant cessait de couler, la boussole pointerait à nouveau vers le nord comme d'habitude.

Ce phénomène peut être vérifié en rapprochant la boussole de l'un des câbles sortant de la batterie de la voiture, pendant que le démarreur fonctionne.

Au moment de la fermeture du circuit, l'aiguille doit subir une déviation observable, car les batteries des voitures peuvent fournir des courants suffisamment élevés pour que la boussole dévie.

De cette manière, il est devenu clair que les charges mobiles sont ce qui donne naissance au magnétisme.

Des enquêtes modernes

Quelques années après les expériences d'Oersted, le chercheur britannique Michael Faraday (1791 - 1867) a marqué un autre jalon en découvrant que la variation des champs magnétiques à leur tour donne naissance à des courants électriques.

Les deux phénomènes, électriques et magnétiques, sont étroitement liés l'un à l'autre, l'un donnant lieu à l'autre. Ils ont été réunis par le disciple de Faraday, James Clerk Maxwell (1831 - 1879), dans les équations qui portent son nom.

Ces équations contiennent et résument la théorie électromagnétique et sont valables même en physique relativiste.

Propriétés magnétiques des matériaux

Pourquoi certains matériaux présentent-ils des propriétés magnétiques ou acquièrent-ils facilement du magnétisme? Nous savons que le champ magnétique est dû à des charges en mouvement, donc à l'intérieur de l'aimant il doit y avoir des courants électriques invisibles qui donnent lieu au magnétisme.

Toute matière contient des électrons en orbite autour du noyau atomique. L'électron peut être comparé à la Terre, qui a un mouvement de translation autour du Soleil et également un mouvement de rotation sur son propre axe.

La physique classique attribue des mouvements similaires à l'électron, bien que l'analogie ne soit pas entièrement exacte. Cependant, le fait est que les deux propriétés de l'électron le font se comporter comme une minuscule boucle qui crée un champ magnétique.

C'est le spin de l'électron qui contribue le plus au champ magnétique de l'atome. Dans les atomes avec de nombreux électrons, ils sont regroupés par paires et avec des spins opposés. Ainsi, leurs champs magnétiques s'annulent. C'est ce qui se passe dans la plupart des matériaux.

Cependant, il existe certains minéraux et composés dans lesquels il y a un électron non apparié. De cette manière, le champ magnétique net n'est pas nul. Cela crée un moment magnétique, un vecteur dont la magnitude est le produit du courant et de l'aire du circuit.

Les moments magnétiques adjacents interagissent les uns avec les autres et forment des régions appelées domaines magnétiques, dans lesquels de nombreux spins sont alignés dans la même direction. Le champ magnétique résultant est très fort.

Ferromagnétisme, paramagnétisme et diamagnétisme

Les matériaux qui possèdent cette qualité sont appelés ferromagnétiques. Ce sont quelques-uns: le fer, le nickel, le cobalt, le gadolinium et certains alliages du même.

Le reste des éléments du tableau périodique est dépourvu de ces effets magnétiques très prononcés. Ils entrent dans la catégorie des paramagnétiques ou diamagnétiques.

En fait, le diamagnétisme est une propriété de tous les matériaux qui subissent une légère répulsion en présence d'un champ magnétique externe. Le bismuth est l'élément au diamagnétisme le plus accentué.

En revanche, le paramagnétisme consiste en une réponse magnétique moins intense que le ferromagnétisme mais tout aussi attractive. Les substances paramagnétiques sont par exemple l'aluminium, l'air et certains oxydes de fer comme la goethite.

Utilisations de l'énergie magnétique

Le magnétisme fait partie des forces fondamentales de la nature. Les êtres humains en faisant également partie, ils sont adaptés à l'existence des phénomènes magnétiques, ainsi qu'au reste de la vie sur la planète. Par exemple, certains animaux utilisent le champ magnétique terrestre pour s'orienter géographiquement.

En fait, on pense que les oiseaux font leurs longues migrations grâce au fait que leur cerveau possède une sorte de boussole organique qui leur permet de percevoir et d'utiliser le champ géomagnétique.

Bien que les humains n'aient pas de boussole comme celle-ci, ils ont plutôt la capacité de modifier l'environnement de bien plus de façons que le reste du règne animal. Ainsi, les membres de notre espèce ont utilisé le magnétisme à leur avantage dès le moment où le premier berger grec a découvert le lodestone.

Quelques applications de l'énergie magnétique

Depuis lors, il existe de nombreuses applications du magnétisme. Voici quelques-uns:

- La boussole précitée, qui utilise le champ géomagnétique de la Terre pour s'orienter géographiquement.

- Anciens écrans pour téléviseurs, ordinateurs et oscilloscopes, basés sur le tube cathodique, qui utilisent des bobines générant des champs magnétiques. Ceux-ci sont responsables de la déviation du faisceau d'électrons afin qu'il frappe certains endroits de l'écran, formant ainsi l'image.

- Les spectromètres de masse, utilisés pour étudier différents types de molécules et avec de nombreuses applications en biochimie, criminologie, anthropologie, histoire et autres disciplines. Ils utilisent des champs électriques et magnétiques pour dévier les particules chargées dans des trajectoires qui dépendent de leur vitesse.

- Propulsion magnétohydrodynamique, dans laquelle une force magnétique entraîne un jet d'eau de mer (un bon conducteur) vers l'arrière, de sorte que par la troisième loi de Newton, un véhicule ou un bateau reçoit une impulsion vers l'avant.

- L'imagerie par résonance magnétique, une méthode non invasive pour obtenir des images de l'intérieur du corps humain. Fondamentalement, il utilise un champ magnétique très intense et analyse la réponse des noyaux d'hydrogène (protons) présents dans les tissus, qui ont la propriété de spin précitée.

Ces applications sont déjà établies, mais à l'avenir, on pense que le magnétisme peut également combattre des maladies telles que le cancer du sein, grâce à des techniques hyperthermiques, qui produisent de la chaleur induite magnétiquement.

L'idée est d'injecter de la magnétite fluide directement dans la tumeur. Grâce à la chaleur produite par les courants induits magnétiquement, les particules de fer deviendraient suffisamment chaudes pour détruire les cellules malignes.

Avantages et inconvénients

Quand on pense à l'utilisation d'un certain type d'énergie, cela nécessite sa conversion en un certain type de mouvement comme celui d'une turbine, d'un ascenseur ou d'un véhicule, par exemple; ou qu'il se transforme en énergie électrique qui allume certains appareils: téléphones, télévisions, guichet automatique et autres.

L'énergie est une grandeur avec de multiples manifestations qui peuvent être modifiées de plusieurs façons. L'énergie d'un petit aimant peut-elle être amplifiée de manière à ce qu'il déplace continuellement plus de quelques pièces?

Pour être utilisable, l'énergie doit avoir une grande portée et provenir d'une source très abondante.

Énergies primaires et secondaires

De telles énergies se trouvent dans la nature, à partir de laquelle les autres types sont produits. Ils sont appelés énergies primaires:

- Énergie solaire.

- Énergie atomique.

- Énergie géothermique.

- Énergie éolienne.

- Énergie biomasse.

- Énergie provenant de combustibles fossiles et de minéraux.

Des énergies secondaires, telles que l'électricité et la chaleur, sont produites à partir de ces derniers. Où est l'énergie magnétique ici?

L'électricité et le magnétisme ne sont pas deux phénomènes distincts. En fait, les deux ensemble sont connus sous le nom de phénomènes électromagnétiques. Tant que l'un d'eux existera, l'autre existera.

Là où il y a de l'énergie électrique, il y aura de l'énergie magnétique sous une forme ou une autre. Mais c'est une énergie secondaire, qui nécessite la transformation préalable de certaines des énergies primaires.

Caractéristiques des énergies primaire et secondaire

Les avantages ou les inconvénients de l'utilisation d'une sorte d'énergie sont établis selon de nombreux critères. Il s'agit notamment de la facilité et du bon marché de sa production, ainsi que de la capacité du processus à influencer négativement l'environnement et les personnes.

Il est important de garder à l'esprit que les énergies se transforment plusieurs fois avant de pouvoir être utilisées.

Combien de transformations ont dû se produire pour fabriquer l'aimant qui collera la liste de courses à la porte du réfrigérateur? Combien pour construire une voiture électrique? Assez sûrement.

Et à quel point l'énergie magnétique ou électromagnétique est-elle propre? Il y a ceux qui croient qu'une exposition constante aux champs électromagnétiques d'origine humaine cause des problèmes de santé et d'environnement.

Il existe actuellement de nombreux axes de recherche dédiés à l'étude de l'influence de ces domaines sur la santé et l'environnement, mais selon de prestigieuses organisations internationales, il n'y a jusqu'à présent aucune preuve concluante de leur nocivité.

Exemples d'énergie magnétique

Un appareil qui sert à contenir de l'énergie magnétique est appelé inducteur. C'est une bobine qui est formée en enroulant un fil de cuivre avec un nombre suffisant de spires, et elle est utile dans de nombreux circuits pour restreindre le courant et l'empêcher de changer brusquement.

Bobine de cuivre. Source: Pixabay.

En faisant circuler un courant à travers les spires d'une bobine, un champ magnétique est créé à l'intérieur.

Si le courant change, les lignes de champ magnétique changent également. Ces changements induisent un courant dans les spires qui les oppose, selon la loi d'induction de Faraday-Lenz.

Lorsque le courant augmente ou diminue brusquement, la bobine s'y oppose, donc elle peut avoir des effets protecteurs sur le circuit.

L'énergie magnétique d'une bobine

Dans le champ magnétique créé dans le volume délimité par les spires de la bobine, l'énergie magnétique est stockée, qui sera notée U _B et qui dépend de:

- L'intensité du champ magnétique B.

- La section transversale de la bobine A.

- La longueur de la bobine l.

- La perméabilité du vide μ _o.

Il est calculé comme suit:

Cette équation est valable dans n'importe quelle région de l'espace où il y a un champ magnétique. Si le volume V de cette région est connu, sa perméabilité et l'intensité du champ, il est possible de calculer la quantité d'énergie magnétique qu'elle possède.

Exercice résolu

Le champ magnétique à l'intérieur d'une bobine remplie d'air d'un diamètre de 2,0 cm et d'une longueur de 26 cm est de 0,70 T. Quelle quantité d'énergie est stockée dans ce champ?

Solution

Les valeurs numériques sont substituées dans l'équation précédente, en prenant soin de convertir les valeurs en unités du système international.

1. Giancoli, D. 2006. Physique: principes et applications. Sixième édition. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Physique 12. Pearson. 135-146.