Dans le monde moderne, nous utilisons des aimants de très nombreuses manières différentes. De la façon dont une porte de réfrigérateur se ferme à la façon dont vos écouteurs diffusent de la musique, de la production et de la transmission d’électricité au moteur de votre voiture. Tous utilisent la force magnétique d’une manière ou d’une autre.
Compte tenu de l’omniprésence actuelle des aimants, notre civilisation particulière serait un peu inutile sans eux. Nous n’aurions aucun moyen de faire circuler les courants électriques à travers le pays. Tous nos moteurs électriques seraient inutiles. Et nous ne pourrions pas parler à distance – comme nous sommes devenus si habitués à le faire.
En tant que tel, nous ne devrions pas prendre ces choses particulières pour acquises. Nous devrions plutôt – nous tous, c’est-à-dire pas seulement les scientifiques – essayer de comprendre de quoi il s’agit: comment ils fonctionnent, la relation particulière est entre l’électricité et le magnétisme, et comment ils font tourner notre monde.
Telle est notre tâche particulière dans cette série d’articles: permettre à chacun de comprendre pourquoi les électrons ont un moment magnétique, disons – ou pourquoi un courant électrique peut produire un champ magnétique. Pourquoi est-ce que le flux magnétique peut induire une charge électrique, ou pourquoi tout cela est si important pour notre monde.
Jetons un coup d’œil – des bases du champ magnétique à la plus importante des technologies magnétiques.
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Qu’est-ce que le magnétisme?
Commençons par le magnétisme.
Le magnétisme est la force, présente dans et entre tous les objets, c’est-à-dire produit par le mouvement des électrons – et cela se traduit par l’attraction et la répulsion d’objets différents. C’est une force «sans contact» qui affecte chaque objet différent dans le monde, dans une plus ou moins grande mesure, et qui est le résultat du mouvement de ces particules subatomiques, électrons et de leur charge électrique.
Les électrons, les moments magnétiques et les trois types de magnétisme.
Chaque atome d’une substance est composé de particules, y compris les neutrons, les électrons et les protons. Dans le magnétisme, ce sont les électrons qui font le travail.
Ceux-ci ont tendance à tourner autour des neutrons, et ils ont chacun leur propre charge – positive ou négative. Ce qui se passe généralement, c’est que la « paire » d’électrons avec ceux d’une charge opposée – ce qui signifie qu’un électron avec une charge négative s’apparierait avec un qui est positif – et ainsi le matériau serait relativement stable, car chacune des charges annulerait l’autre.
Lorsque les substances ont des électrons appariés, nous l’appelons diamagnétisme.
Cependant, il existe de nombreux types de matériaux – y compris l’oxygène – qui ont des électrons non appariés. Lorsque cela se produit, la substance devient beaucoup plus magnétique, car les électrons peuvent tous s’aligner. Dans la plupart de ces matériaux, cependant, ils ne le font pas, car le ‘moments magnétiques‘de chacun de ces électrons individuels ne sont pas égaux – à moins qu’ils ne soient sous l’influence d’un champ magnétique externe.
Ces substances qui ne démontrent le magnétisme que lorsqu’elles sont dans un champ magnétique externe que nous appelons paramagnétique.
Et, enfin, il y a les substances ferromagnétiques. Ce sont les matériaux magnétiques qui ont des électrons non appariés du même moment magnétique. Cela signifie que, spontanément, ils peuvent devenir magnétiques – et ils resteront magnétiques même après l’élimination d’un champ magnétique externe.
Qu’est-ce donc que le champ magnétique?
Chaque aimant ou objet magnétique a un champ magnétique – le voisinage autour de l’aimant dans lequel sa force magnétique est présente. C’est l’espace affecté par la charge magnétique de l’aimant.
Les aimants permanents et les électroaimants ont des champs magnétiques durables, que vous verrez classiquement avec de la limaille de fer qui s’organise sous la forme des lignes de champ magnétique. Ceux-ci suivront le flux du pôle nord de l’aimant à son pôle sud.
Les champs magnétiques changent en fonction de la force de l’aimant.
En savoir plus sur les champs magnétiques!
Qu’est-ce qu’un électroaimant?
Outre les moments magnétiques des électrons, l’autre chose qui produit des champs magnétiques sont les charges électriques. Cette découverte, dans les années 1830, a été l’une des plus importantes de l’histoire, car elle a créé le lien entre magnétisme et électricité.
Nous venons de voir que les électrons d’une substance ont une charge magnétique – en raison de leur mouvement dans le matériau magnétique.
Mais l’endroit où les électrons vraiment le déménagement est en cours courants électriques, qui, en réalité, sommes juste le mouvement des électrons. Lorsque les courants descendent le long d’un fil, le fil devient magnétisé lorsque le mouvement des électrons produit le champ magnétique.
C’est André-Marie Ampère qui l’a découvert, car il a montré que les fils parallèles s’attiraient ou se repousseraient, selon la façon dont le courant passerait. (Il donnerait plus tard son nom à l’ampli ou à l’ampère, d’ailleurs.)
Comment fabriquer un électroaimant.
Depuis les tout premiers électroaimants, la technologie n’a pas beaucoup changé. Ils sont devenus plus forts, oui, mais la structure globale des appareils est restée la même.
Les électroaimants sont constitués d’une bobine de fil, enroulée autour d’un noyau de métal (généralement un matériau ferromagnétique comme le fer). Dans la bobine de fil est passé un courant électrique, dont le champ magnétique est centré dans le trou de la bobine – c’est-à-dire le noyau de fer. Toute cette structure est connue sous le nom de solénoïde – et est toujours utilisé dans tous les endroits où l’électromagnétisme est en action.
Dès que le courant électrique est coupé, le solénoïde cesse d’être magnétique.
Une note sur la relation entre le magnétisme et l’électricité.
Alors que nous savons que l’électricité produit un champ magnétique et que les champs magnétiques reposent sur des électrons, la distinction entre une chose appelée magnétisme et une chose séparée appelée électricité est fausse.
Ce ne sont pas des forces discrètes. Au contraire, ils sont le même principe physique – comme les deux faces d’une même médaille. L ‘«électromagnétisme» en tant que chose est en fait l’une des forces fondamentales de l’univers.
Vous en saurez plus sur l’électromagnétisme dans notre article dédié.
Qu’est-ce que l’induction électromagnétique?
L’une des découvertes les plus utiles de l’histoire de l’électromagnétisme a été faite par Michael Faraday, un scientifique britannique au XIXe siècle. Ceci est devenu connu sous le nom d’induction électromagnétique – et cela reste l’un des éléments essentiels de notre connaissance de l’électromagnétisme à ce jour.
Les expériences de Faraday se sont concentrées sur la façon dont les charges électriques peuvent être manipulées par des champs magnétiques. Et il a supposé que les changements apportés à un champ magnétique peuvent être utilisés pour induire un courant électrique.
Cela semble compliqué, mais ses expériences pratiques réelles étaient assez simples. Il a pris un anneau de fer et a enroulé deux fils différents autour des côtés opposés de l’anneau – produisant deux solénoïdes sur le même morceau de fer.
En attachant un morceau de fil à une batterie, il en a attaché un autre à un galvanomètre, une machine qui mesure les charges électriques. La connexion et la déconnexion du premier fil de la batterie ont produit un changement de la charge détectée par le galvanomètre. Ceci, pour Faraday, a prouvé que le changement de le champ magnétique dans l’anneau de fer pourrait induire un courant électrique sur le fil séparé.
Pour prouver ses idées sur cette relation particulière entre l’électricité et le magnétisme, il a fait une autre expérience. Prenant un solénoïde sans noyau (donc juste une bobine de fil), il a inséré un barreau magnétique dans et hors de la bobine. En poussant l’aimant plus vite, il découvrit qu’un courant plus important était produit dans le fil.
Pourquoi était-ce si important? Parce que Faraday a ouvert la voie à la connaissance que les courants électriques ne circulent pas seulement à travers le fil – alors qu’il posait les bases théoriques sur lesquelles nous en sommes venus à produire de l’énergie électrique en manipulant son champ magnétique.
En savoir plus sur l’induction électromagnétique!
Qu’est-ce qu’un transformateur?
Les transformateurs sont l’élément technologique crucial qui utilise la science de l’induction électromagnétique.
Ce sont peut-être les appareils électriques les plus courants sur la planète, avec presque l’intégralité de l’énergie électrique que nous produisons et utilisons en passant par au moins un transformateur au cours de son parcours.
Alors, que sont les transformateurs? Un transformateur est un appareil statique qui transforme un courant d’une tension élevée en un courant d’une tension beaucoup plus basse. Il le fait grâce à la présence de deux solénoïdes adjacents et à l’induction électromagnétique de Faraday.
Dans tout le pays, l’électricité est transmise par des réseaux électriques massifs. Mais pour réduire les coûts, le l’électricité transportée est de très haute tension. Ceci – plutôt qu’un courant élevé – réduit le gaspillage d’énergie et signifie que les fils eux-mêmes n’ont pas besoin d’être gros.
Cependant, nous ne pouvons pas réellement utiliser l’électricité haute tension. Ainsi, avant que l’électricité ne soit distribuée localement dans nos maisons, elle doit être transformée en électricité à basse tension. C’est à cela que servent les transformateurs.
Réduction de la tension de courant.
La loi de Faraday montre comment l’induction électromagnétique peut être utilisée pour réduire et augmenter la tension des courants électriques.
Pensez à son expérience: il a utilisé deux bobines différentes, dans lesquelles les changements de champ magnétique entre les deux induisaient un courant électrique dans la seconde.
Si, toutefois, vous faites varier le nombre de bobines dans le fil, vous pouvez changer la tension du courant induit. Disons que vous avez dix bobines sur le premier fil, vous pouvez simplement diviser par deux le nombre de bobines sur le second et vous avez la moitié de la tension.
C’est précisément ainsi que fonctionnent les transformateurs.