Composant qui a la propriété de produire un champ magnétique permanent en son voisinage sans nécessiter d’énergie.
Introduction
Les Grecs connaissaient les aimants naturels ; il s’agissait de minéraux, qu’ils trouvaient dans la région de Magnésie, dont le constituant principal était la magnétite, Fe3O4. Lucrèce a décrit dans son De natura rerum les propriétés attractives et répulsives des aimants et Pline l’Ancien attachait à leurs effets une croyance superstitieuse. La première application de l’aimant à la boussole est généralement attribuée aux Chinois, on ne sait exactement à quelle époque ; toutefois, vers l’année 1200 a été décrite une boussole réalisée au moyen d’aiguilles de fer aimantées. La notion de pôles a été introduite dans un texte datant de 1269. Mais ce n’est vraiment qu’en 1600, avec W. Gilbert et son De magnete, que parut la première étude scientifique ; l’auteur a notamment décrit la façon d’accroître la force d’attraction en disposant à la surface de l’aimant des nez polaires en fer doux. Au xviiie s., les techniciens redoublèrent d’ingéniosité pour mettre au point la meilleure façon d’aimanter des barreaux de fer. Il faut se rappeler qu’à cette époque on ne savait pas produire un champ magnétique au moyen d’un courant électrique ; l’expérience d’Œrsted date de 1820 ; elle entraîna du reste un ralentissement dans le développement des aimants. On continua cependant à les utiliser dans des appareils de levage ; l’aimant de Jules Jamin (1818-1886), d’un poids de 50 kg, soulevait une charge de 500 kg. Il faut attendre les années 1930, avec la découverte par Mishima d’alliages, les alnicos, ayant des caractéristiques bien supérieures à celles des matériaux existant jusqu’alors, pour que les aimants connaissent un regain d’intérêt. À présent, les aimants sont de plus en plus puissants et perfectionnés ; on les rencontre dans des appareils nombreux et variés.
L’étude des aimants
William Gilbert, physicien anglais (Colchester 1544 - Londres 1603), premier médecin de la reine Élisabeth. Il effectue les premières expériences relatives à l’électrostatique et au magnétisme. Il distingue entre isolants et conducteurs et crée le premier électroscope. Il découvre l’aimantation par influence et observe que l’aimantation du fer disparaît au rouge. Il a l’idée que la Terre est un aimant et, ayant construit une sphère aimantée, il étudie le champ magnétique produit. Aucun chercheur avant lui n’a appliqué la méthode expérimentale avec une telle ampleur et un sens aussi profond des phénomènes physiques.
Pierre Le Pèlerin de Maricourt (Maricourt, xiiie s.). Maître de Roger Bacon, il est l’auteur d’une lettre sur l’aimant, qui pose à la fois les bases du magnétisme et de la méthode expérimentale.
Le principe de l’aimant et son calcul
Considérons un aimant en forme de tore ; il comprend un circuit magnétique de longueur moyenne L et de section S, constitué par la matière aimantée, ainsi qu’un entrefer de largeur e, petite devant L, et de section s. L’entrefer représente le volume utile de l’aimant ; on se propose d’y créer un champ magnétique He. Celui-ci est défini par les caractéristiques magnétiques du matériau et par sa forme. Si l’aimantation M du matériau est uniforme et si elle est représentée dans chaque section droite par un vecteur normal à cette section, une telle variation do l’aimantation est équivalente, au point de vue magnétostatique, à une répartition de masses magnétiques sur les surfaces planes définissant l’entrefer, le signe étant par convention positif lorsque le vecteur aimantation sort du matériau. Cette concentration de masses magnétiques correspond au concept de pôles magnétiques de l’aimant ; on peut considérer que le champ dans l’entrefer est dû à la présence de ces masses magnétiques ; corrélativement, celles-ci créent dans le matériau un champ H, d’orientation opposée à celle du champ dans l’entrefer ainsi qu’à celle de l’aimantation du matériau ; ce champ a une action démagnétisante sur le matériau. Aussi la définition d’un aimant nécessite-t-elle la connaissance de la variation de l’induction B dans le matériau pour des valeurs négatives du champ ; cette portion du cycle d’hystérésis est appelée « branche de recul ».
En raisonnant pour les grandeurs moyennes du champ et de l’induction, celles qui existent sur la circonférence moyenne du tore, on peut écrire en première approximation que la somme des différences de potentiel magnétique est nulle (théorème d’Ampère) :
H.L + He.e = 0,
et que le flux de l’induction dans le matériau est égal à celui qui est dans l’entrefer :
B.S = He.s.
Ces deux relations permettent de montrer que, pour un entrefer de dimensions fixées avec un champ donné, le volume (LS) de substance est minimal lorsque le produit (BH) est maximal. La quantité (BH)max représente le critère de qualité du matériau à aimant ; elle correspond sur la branche de recul à un point de fonctionnement, de coordonnées Bd et Hd bien définies, pour lequel la densité d’énergie dans la matière est maximale. On peut alors achever le projet de l’aimant en calculant sa longueur L et sa section S au moyen des deux relations ci-dessus.
