Le champ magnétique est appelé. Champ magnétique et ses propriétés

Qu'est-ce qu'un aimant permanent

Un produit ferromagnétique capable de conserver une aimantation résiduelle importante après élimination du champ magnétique externe est appelé un aimant permanent. Les aimants permanents sont fabriqués à partir de divers métaux tels que le cobalt, le fer, le nickel, les alliages de terres rares (pour les aimants en néodyme), ainsi que de minéraux naturels tels que les magnétites.

Le champ d'application des aimants permanents est aujourd'hui très large, mais leur objectif est fondamentalement le même partout - en tant que source d'un champ magnétique constant sans fournir d'électricité. Ainsi, un aimant est un corps qui a le sien.

Le même mot «aimant» vient de la phrase grecque, qui se traduit par «pierre de magnésie», d'après le nom de la ville asiatique où des gisements de magnétite - minerai de fer magnétique ont été découverts dans les temps anciens. D'un point de vue physique, un aimant élémentaire est un électron, et les propriétés magnétiques des aimants sont généralement déterminées par les moments magnétiques des électrons qui font partie du matériau magnétisé.

Les caractéristiques de la section de démagnétisation du matériau à partir duquel l'aimant permanent est fabriqué déterminent les propriétés d'un aimant permanent particulier: plus la force coercitive Hc est élevée, et plus l'induction magnétique résiduelle Br est élevée, plus l'aimant est fort et stable.

Force coercitive (traduite littéralement du latin - "force de maintien") - cela est nécessaire pour la démagnétisation complète d'une substance ferro- ou ferrimagnétique. Ainsi, plus un aimant particulier a de force coercitive, plus il est résistant aux facteurs de démagnétisation.

L'unité de mesure de la force coercitive est l'ampère / mètre. Et, comme vous le savez, c'est une quantité vectorielle, qui est une force caractéristique d'un champ magnétique. La valeur caractéristique de l'induction magnétique résiduelle des aimants permanents est de l'ordre de 1 Tesla.

Types et propriétés des aimants permanents

Ferrite

Les aimants en ferrite, bien que cassants, ont une bonne résistance à la corrosion, ce qui en fait les plus courants à bas prix. Ces aimants sont fabriqués à partir d'un alliage d'oxyde de fer avec du ferrite de baryum ou de strontium. Cette composition permet au matériau de conserver ses propriétés magnétiques sur une large plage de températures - de -30 ° C à + 270 ° C.

Les produits magnétiques sous forme d'anneaux de ferrite, de barres et de fers à cheval sont largement utilisés dans l'industrie et dans la vie quotidienne, dans la technologie et l'électronique. Ils sont utilisés dans les systèmes acoustiques, dans les générateurs, etc. Dans l'industrie automobile, des aimants en ferrite sont installés dans les démarreurs, les vitres électriques, les systèmes de refroidissement et les ventilateurs.

Les aimants en ferrite sont caractérisés par une force coercitive d'environ 200 kA / m et une induction magnétique résiduelle d'environ 0,4 Tesla. En moyenne, un aimant en ferrite peut durer de 10 à 30 ans.

Alnico (aluminium-nickel-cobalt)

Les aimants permanents à base d'un alliage d'aluminium, de nickel et de cobalt se distinguent par une résistance à la température et une stabilité inégalées: ils sont capables de maintenir leurs propriétés magnétiques à des températures allant jusqu'à + 550 ° C, bien que la force coercitive qui leur est inhérente soit relativement faible. Sous l'influence d'un champ magnétique relativement petit, ces aimants perdront leurs propriétés magnétiques d'origine.

Jugez par vous-même: une force coercitive typique est d'environ 50 kA / m avec une magnétisation rémanente d'environ 0,7 Tesla. Cependant, malgré cette caractéristique, les aimants alnico sont indispensables pour certaines recherches scientifiques.

La teneur typique des composants dans les alliages alnico à hautes propriétés magnétiques varie dans les plages suivantes: aluminium - de 7 à 10%, nickel - de 12 à 15%, cobalt - de 18 à 40% et de 3 à 4% de cuivre.

Plus il y a de cobalt, plus l'induction de saturation et l'énergie magnétique de l'alliage sont élevées. Des additifs sous forme de 2 à 8% de titane et seulement 1% de niobium contribuent à obtenir une force coercitive plus élevée - jusqu'à 145 kA / m. L'ajout de 0,5 à 1% de silicium assure l'isotropie des propriétés magnétiques.

Samarium

Si vous avez besoin d'une résistance exceptionnelle à la corrosion, à l'oxydation et à des températures jusqu'à + 350 ° C, alors un alliage magnétique de samarium avec du cobalt est ce qu'il vous faut.

À un prix, les aimants en samarium-cobalt sont plus chers que les aimants en néodyme en raison du métal plus rare et plus cher - le cobalt. Néanmoins, ce sont précisément eux qu'il est conseillé d'utiliser s'il est nécessaire d'avoir les dimensions minimales et le poids des produits finis.

Ceci est plus pratique dans les engins spatiaux, l'aviation et la technologie informatique, les moteurs électriques miniatures et les couplages magnétiques, dans les appareils et appareils portables (montres, écouteurs, téléphones mobiles, etc.)

En raison de leur résistance particulière à la corrosion, ce sont les aimants en samarium qui sont utilisés dans le développement stratégique et les applications militaires. Moteurs électriques, générateurs, systèmes de levage, véhicules à moteur - un aimant puissant en alliage samarium-cobalt est idéal pour les environnements agressifs et les conditions de fonctionnement difficiles. La force coercitive est d'environ 700 kA / m avec une induction magnétique résiduelle d'environ 1 Tesla.

Néodyme

Les aimants en néodyme sont aujourd'hui très demandés et semblent être les plus prometteurs. L'alliage néodyme-fer-bore permet la création de super aimants pour une variété d'applications, des verrous et jouets aux machines de levage puissantes.

Une force coercitive élevée d'environ 1000 kA / m et une aimantation rémanente d'environ 1,1 Tesla, permettent de maintenir l'aimant pendant de nombreuses années, sur 10 ans un aimant en néodyme ne perd que 1% de son aimantation si sa température en conditions de fonctionnement ne dépasse pas + 80 ° C ( pour certaines marques jusqu'à + 200 ° C). Ainsi, il n'y a que deux inconvénients des aimants en néodyme: la fragilité et la basse température de fonctionnement.

La poudre magnétique et le liant forment un aimant doux, flexible et léger. Les composants de liaison tels que le vinyle, le caoutchouc, le plastique ou l'acrylique permettent de produire des aimants de différentes formes et tailles.

La force magnétique, bien sûr, est inférieure au matériau magnétique pur, mais parfois de telles solutions sont nécessaires pour atteindre certains objectifs inhabituels pour les aimants: dans la production de produits publicitaires, dans la fabrication d'autocollants amovibles sur les voitures, ainsi que dans la fabrication de divers articles de papeterie et de souvenirs.

Comme les pôles des aimants se repoussent, et contrairement aux pôles attirent. L'interaction des aimants s'explique par le fait que tout aimant a un champ magnétique et que ces champs magnétiques interagissent les uns avec les autres. Quelle est, par exemple, la raison de la magnétisation du fer?

Selon l'hypothèse du scientifique français Ampère, des courants électriques élémentaires (courants Ampère) existent à l'intérieur de la substance, qui se forment à la suite du mouvement d'électrons autour des noyaux des atomes et autour de leur propre axe.

Les champs magnétiques élémentaires surviennent lorsque les électrons se déplacent. Et si un morceau de fer est introduit dans un champ magnétique externe, alors tous les champs magnétiques élémentaires de ce fer sont orientés de la même manière dans un champ magnétique externe, formant son propre champ magnétique d'un morceau de fer. Ainsi, si le champ magnétique externe appliqué était suffisamment fort, après l'avoir éteint, le morceau de fer deviendra un aimant permanent.

La connaissance de la forme et de la magnétisation d'un aimant permanent permet des calculs pour le remplacer par un système équivalent de courants électriques magnétisants. Un tel remplacement est possible à la fois lors du calcul des caractéristiques du champ magnétique et lors du calcul des forces agissant sur l'aimant à partir du champ extérieur. Par exemple, calculons la force d'interaction de deux aimants permanents.

Laissez les aimants avoir la forme de cylindres minces, leurs rayons seront notés r1 et r2, les épaisseurs sont h1, h2, les axes des aimants coïncident, la distance entre les aimants sera notée z, nous supposerons qu'elle est beaucoup plus grande que la taille des aimants.

L'origine de la force d'interaction entre les aimants est expliquée de manière traditionnelle: un aimant crée un champ magnétique qui agit sur le deuxième aimant.

Pour calculer la force d'interaction, nous remplaçons mentalement les aimants par une aimantation uniforme J1 et J2 par des courants circulaires circulant le long de la surface latérale des cylindres. Nous exprimerons la force de ces courants à travers l'aimantation des aimants, et leurs rayons seront considérés comme égaux aux rayons des aimants.

Nous décomposons le vecteur d'induction B du champ magnétique créé par le premier aimant à l'emplacement du second en deux composantes: axiale, dirigée le long de l'axe de l'aimant et radiale - perpendiculaire à celui-ci.

Pour calculer la force totale agissant sur l'anneau, il est nécessaire de le décomposer mentalement en petits éléments IΔl et de faire la somme de ceux agissant sur chacun de ces éléments.

En utilisant la règle de gauche, il est facile de montrer que la composante axiale du champ magnétique conduit à l'apparition de forces ampères qui ont tendance à étirer (ou comprimer) l'anneau - la somme vectorielle de ces forces est nulle.

La présence de la composante radiale du champ conduit à l'émergence de forces Ampères dirigées le long de l'axe des aimants, c'est-à-dire à leur attraction ou répulsion. Il reste à calculer les forces ampères - ce seront les forces d'interaction entre les deux aimants.

Si un courant électrique traverse le fer, le fer acquiert des propriétés magnétiques lors du passage du courant. Certaines substances, par exemple l'acier trempé et un certain nombre d'alliages, ne perdent pas leurs propriétés magnétiques même après coupure du courant, contrairement aux électroaimants.

De tels corps, qui conservent longtemps leur aimantation, sont appelés aimants permanents. Les gens ont d'abord appris à extraire des aimants permanents d'aimants naturels - du minerai de fer magnétique, puis ils ont appris à les fabriquer eux-mêmes à partir d'autres substances, en les magnétisant artificiellement.

Champ magnétique à aimant permanent

Les aimants permanents ont deux pôles appelés champs magnétiques nord et sud. Entre ces pôles, le champ magnétique se situe sous la forme de lignes fermées dirigées du nord vers le sud. Le champ magnétique d'un aimant permanent agit sur les objets métalliques et autres aimants.

Si vous amenez deux aimants l'un à l'autre avec les mêmes pôles, ils se repousseront. Et si différent, attirez. Dans ce cas, les lignes magnétiques de charges opposées sont pour ainsi dire fermées les unes sur les autres.

Si un objet métallique tombe dans le champ d'un aimant, l'aimant le magnétise et l'objet métallique lui-même devient un aimant. Il est attiré par son pôle opposé à l'aimant, de sorte que les corps métalliques semblent "coller" aux aimants.

Champ magnétique terrestre et tempêtes magnétiques

Le champ magnétique est possédé non seulement par des aimants, mais aussi par notre planète natale. Le champ magnétique terrestre détermine l'action des boussoles, qui ont été utilisées par les gens depuis l'Antiquité pour naviguer sur le terrain. La terre, comme tout autre aimant, a deux pôles - nord et sud. Les pôles magnétiques de la Terre sont situés près des pôles géographiques.

Les lignes de force du champ magnétique terrestre "sortent" du pôle Nord de la Terre et "pénètrent" à l'emplacement du pôle Sud. La physique confirme expérimentalement l'existence du champ magnétique terrestre, mais ne peut pas encore l'expliquer complètement. On pense que la raison de l'existence du magnétisme terrestre est les courants circulant à l'intérieur de la Terre et dans l'atmosphère.

Des «orages magnétiques» se produisent de temps à autre. En raison de l'activité solaire et de l'émission de flux de particules chargées par le Soleil, le champ magnétique terrestre change pendant une courte période. À cet égard, la boussole peut se comporter de manière étrange, la transmission de divers signaux électromagnétiques dans l'atmosphère est perturbée.

De telles tempêtes peuvent être désagréables pour certaines personnes sensibles, car la perturbation du magnétisme terrestre normal provoque des changements mineurs dans un instrument plutôt délicat - notre corps. On pense qu'avec l'aide du magnétisme terrestre, les oiseaux migrateurs et les animaux migrateurs trouvent le chemin du retour.

Dans certains endroits sur Terre, il existe des zones où la boussole ne pointe pas régulièrement vers le nord. De tels endroits sont appelés anomalies. Ces anomalies s'expliquent le plus souvent par d'énormes gisements de minerai de fer à faible profondeur, qui déforment le champ magnétique naturel de la Terre.

Voir également: Portail: Physique

Le champ magnétique peut être créé par le courant de particules chargées et / ou les moments magnétiques des électrons dans les atomes (et les moments magnétiques d'autres particules, bien que dans une bien moindre mesure) (aimants permanents).

De plus, il apparaît en présence d'un champ électrique variant dans le temps.

La principale caractéristique de force du champ magnétique est vecteur d'induction magnétique (vecteur d'induction magnétique). D'un point de vue mathématique, c'est un champ vectoriel qui définit et concrétise le concept physique d'un champ magnétique. Souvent, le vecteur de l'induction magnétique est appelé pour la brièveté juste le champ magnétique (bien que, probablement, ce ne soit pas l'utilisation la plus stricte du terme).

Une autre caractéristique fondamentale du champ magnétique (induction magnétique alternative et étroitement liée avec elle, pratiquement égale en valeur physique) est potentiel vectoriel .

Un champ magnétique peut être appelé un type spécial de matière, à travers lequel l'interaction entre des particules ou des corps chargés en mouvement avec un moment magnétique a lieu.

Les champs magnétiques sont une conséquence nécessaire (dans le contexte) de l'existence de champs électriques.

• Du point de vue de la théorie quantique des champs, l'interaction magnétique, en tant que cas particulier d'interaction électromagnétique, est transférée par un boson fondamental sans masse - un photon (une particule qui peut être représentée comme une excitation quantique d'un champ électromagnétique), souvent (par exemple, dans tous les cas de champs statiques) - virtuelle.

Sources de champ magnétique

Un champ magnétique est créé (généré) par un courant de particules chargées, ou un champ électrique variant dans le temps, ou les moments magnétiques intrinsèques des particules (ces derniers, pour l'uniformité de l'image, peuvent être formellement réduits à des courants électriques).

Calcul

Dans les cas simples, le champ magnétique d'un conducteur avec un courant (y compris pour le cas d'un courant distribué arbitrairement sur le volume ou l'espace) peut être trouvé à partir de la loi de Biot-Savart-Laplace ou du théorème de circulation (aka loi d'Ampère). En principe, cette méthode est limitée au cas (approximation) de la magnétostatique - c'est-à-dire au cas des champs magnétiques et électriques constants (si l'on parle d'applicabilité stricte) ou plutôt lentement variant (si l'on parle d'une application approximative).

Dans des situations plus complexes, il est recherché comme solution aux équations de Maxwell.

Manifestation du champ magnétique

Le champ magnétique se manifeste par l'action sur les moments magnétiques des particules et des corps, sur les particules chargées en mouvement (ou conducteurs de courant). La force agissant sur une particule chargée électriquement se déplaçant dans un champ magnétique est appelée la force de Lorentz, qui est toujours dirigée perpendiculairement aux vecteurs v et B ... Il est proportionnel à la charge des particules q composant de vitesse v perpendiculaire à la direction du vecteur champ magnétique B , et l'amplitude de l'induction du champ magnétique B ... En unités SI, la force de Lorentz est exprimée comme suit:

dans le système d'unités CGS:

où les crochets indiquent le produit croisé.

De plus (en raison de l'action de la force de Lorentz sur les particules chargées se déplaçant le long du conducteur), le champ magnétique agit sur le conducteur avec le courant. La force agissant sur un conducteur avec du courant est appelée la force ampère. Cette force se compose de forces agissant sur des charges individuelles se déplaçant à l'intérieur du conducteur.

Interaction de deux aimants

L'une des manifestations les plus courantes d'un champ magnétique dans la vie quotidienne est l'interaction de deux aimants: les mêmes pôles se repoussent, les opposés s'attirent. Il semble tentant de décrire l'interaction entre aimants comme l'interaction entre deux monopôles, et d'un point de vue formel, cette idée est tout à fait réalisable et est souvent très pratique, ce qui signifie qu'elle est pratiquement utile (dans les calculs); Cependant, une analyse détaillée montre qu'il ne s'agit en réalité pas d'une description tout à fait correcte du phénomène (la question la plus évidente qui ne peut être expliquée dans le cadre d'un tel modèle est la question de savoir pourquoi les monopoles ne peuvent jamais être séparés, c'est-à-dire pourquoi une expérience montre-t-elle qu'aucun le corps n'a pas réellement de charge magnétique; de \u200b\u200bplus, la faiblesse du modèle est qu'il est inapplicable au champ magnétique créé par un courant macroscopique, ce qui signifie que si vous ne le considérez pas comme un dispositif purement formel, cela ne fait que compliquer la théorie dans un sens fondamental).

Il serait plus correct de dire qu'un dipôle magnétique placé dans un champ inhomogène subit l'action d'une force qui tend à le faire tourner de sorte que le moment magnétique du dipôle est co-dirigé avec le champ magnétique. Mais aucun aimant ne subit l'action d'une force (totale) provenant d'un champ magnétique uniforme. Force agissant sur un dipôle magnétique avec un moment magnétique m exprimé par la formule:

La force agissant sur un aimant (qui n'est pas un dipôle à un seul point) du côté d'un champ magnétique non homogène peut être déterminée en additionnant toutes les forces (déterminées par cette formule) agissant sur les dipôles élémentaires qui composent l'aimant.

Cependant, une approche est possible qui réduit l'interaction des aimants à la force ampère, et la formule elle-même ci-dessus pour la force agissant sur un dipôle magnétique peut également être obtenue sur la base de la force ampère.

Le phénomène de l'induction électromagnétique

Champ vectoriel H mesuré en ampères par mètre (A / m) en SI et en oersteds en CGS. Oersteds et Gauss sont des quantités identiques, leur séparation est purement terminologique.

Énergie du champ magnétique

L'incrément de la densité d'énergie du champ magnétique est égal à:

H - intensité du champ magnétique, B - induction magnétique

Dans l'approximation du tenseur linéaire, la perméabilité magnétique est un tenseur (nous le désignons) et la multiplication d'un vecteur par lui est la multiplication du tenseur (matrice):

ou en composants.

La densité d'énergie dans cette approximation est:

- les composantes du tenseur de perméabilité magnétique, - le tenseur représenté par la matrice inverse de la matrice du tenseur de perméabilité magnétique, - la constante magnétique

Lors du choix des axes de coordonnées coïncidant avec les axes principaux du tenseur de perméabilité magnétique, les formules dans les composantes sont simplifiées:

- les composantes diagonales du tenseur de perméabilité magnétique dans ses propres axes (le reste des composantes dans ces coordonnées spéciales - et seulement en elles! - sont égales à zéro).

Dans un aimant linéaire isotrope:

- perméabilité magnétique relative

Dans le vide et:

L'énergie du champ magnétique dans l'inducteur peut être trouvée par la formule:

Ф - flux magnétique, I - courant, L - inductance d'une bobine ou bobine avec courant.

Propriétés magnétiques des substances

D'un point de vue fondamental, comme indiqué ci-dessus, un champ magnétique peut être créé (et donc - dans le cadre de ce paragraphe - et affaibli ou renforcé) par un champ électrique alternatif, des courants électriques sous forme de flux de particules chargées, ou des moments magnétiques de particules.

La structure microscopique spécifique et les propriétés de diverses substances (ainsi que leurs mélanges, alliages, états d'agrégation, modifications cristallines, etc.) conduisent au fait qu'au niveau macroscopique elles peuvent se comporter de manière assez diversifiée sous l'influence d'un champ magnétique extérieur (en particulier, ou en l'augmentant à des degrés divers).

À cet égard, les substances (et les milieux en général) en ce qui concerne leurs propriétés magnétiques sont divisées dans les groupes principaux suivants:

• Les antiferromagnétiques sont des substances dans lesquelles l'ordre antiferromagnétique des moments magnétiques des atomes ou des ions a été établi: les moments magnétiques des substances sont dirigés de manière opposée et égaux en force.
• Les diamagnets sont des substances magnétisées contre la direction d'un champ magnétique externe.
• Les paramagnets sont des substances qui sont magnétisées dans un champ magnétique externe en direction d'un champ magnétique externe.
• Les ferromagnétiques sont des substances dans lesquelles un ordre ferromagnétique à longue portée de moments magnétiques est établi en dessous d'une certaine température critique (point de Curie)
• Les ferrimagnets sont des matériaux dans lesquels les moments magnétiques d'une substance sont dirigés de manière opposée et ne sont pas égaux en force.
• Les groupes de substances ci-dessus comprennent principalement des substances solides ordinaires ou (pour certaines) liquides, ainsi que des gaz. L'interaction avec le champ magnétique des supraconducteurs et du plasma est très différente.

Toki Foucault

Les courants de Foucault (courants de Foucault) sont des courants électriques fermés dans un conducteur massif qui surviennent lorsque le flux magnétique le pénétrant change. Ce sont des courants d'induction générés dans un corps conducteur soit en raison d'un changement dans le temps du champ magnétique dans lequel il se trouve, soit en raison du mouvement d'un corps dans un champ magnétique, conduisant à une modification du flux magnétique à travers le corps ou une partie de celui-ci. Selon la règle de Lenz, le champ magnétique des courants de Foucault est dirigé de manière à contrecarrer le changement de flux magnétique qui induit ces courants.

L'histoire du développement des idées sur le champ magnétique

Bien que les aimants et le magnétisme aient été connus beaucoup plus tôt, l'étude du champ magnétique a commencé en 1269, lorsque le scientifique français Peter Peregrine (chevalier Pierre de Méricourt) a noté le champ magnétique à la surface d'un aimant sphérique à l'aide d'aiguilles en acier, et a déterminé que les lignes de champ magnétique résultantes se croisaient dans deux points, qu'il a appelés "pôles" par analogie avec les pôles de la Terre. Près de trois siècles plus tard, William Gilbert Colchester utilisa les travaux de Peter Peregrin et déclara pour la première fois définitivement que la Terre elle-même était un aimant. Publié en 1600, oeuvre de Gilbert "De Magnete", a jeté les bases du magnétisme en tant que science.

Trois découvertes consécutives ont remis en question ce «fondement du magnétisme». Premièrement, en 1819, Hans Christian Oersted a découvert qu'un courant électrique crée un champ magnétique autour de lui. Puis, en 1820, André-Marie Ampère montre que des fils parallèles transportant du courant dans le même sens sont attirés les uns vers les autres. Enfin, Jean-Baptiste Biot et Félix Savard ont découvert en 1820 une loi appelée loi de Biot-Savard-Laplace, qui prédisait correctement le champ magnétique autour de tout fil sous tension.

En développant ces expériences, Ampère a publié son propre modèle de magnétisme à succès en 1825. Dans celui-ci, il a montré l'équivalence des courants électriques dans les aimants, et au lieu des dipôles de charge magnétique du modèle de Poisson, il a proposé l'idée que le magnétisme est associé à des boucles de courant en flux constant. Cette idée expliquait pourquoi une charge magnétique ne pouvait pas être isolée. De plus, Ampère en déduit une loi qui porte son nom, qui, comme la loi de Bio-Savart-Laplace, décrit correctement le champ magnétique créé par le courant continu, et introduit également le théorème sur la circulation du champ magnétique. Toujours dans ce travail, Ampère a introduit le terme «électrodynamique» pour décrire la relation entre l'électricité et le magnétisme.

Bien que l'intensité du champ magnétique d'une charge électrique en mouvement impliquée dans la loi d'Ampère n'ait pas été explicitement indiquée, en 1892, Hendrik Lorentz l'a dérivée des équations de Maxwell. Dans ce cas, la théorie classique de l'électrodynamique était pratiquement achevée.

Le vingtième siècle a élargi les vues sur l'électrodynamique, grâce à l'émergence de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique. Albert Einstein, dans son article de 1905, où sa théorie de la relativité était étayée, a montré que les champs électriques et magnétiques font partie du même phénomène, considéré dans des cadres de référence différents. (Voir Aimant mobile et problème du chef d'orchestre - L'expérience de la pensée qui aide finalement Einstein à développer une relativité spéciale.) Enfin, la mécanique quantique a été combinée à l'électrodynamique pour former l'électrodynamique quantique (QED).

voir également

• Visualiseur de film magnétique

Remarques

1. TSB. 1973, "Encyclopédie soviétique".
2. Dans des cas particuliers, un champ magnétique peut exister en l'absence de champ électrique, mais d'une manière générale, le champ magnétique est profondément interconnecté avec le champ électrique à la fois dynamiquement (génération mutuelle de champs électriques et magnétiques alternatifs entre eux), et dans le sens que lors du passage à un nouveau référentiel, le champ magnétique et les champs électriques s'expriment les uns par les autres, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent être séparés inconditionnellement.
3. Yavorskiy B.M., Detlaf A.A. Manuel de physique: 2e éd., Rév. - M.: Science, Édition principale de la littérature physique et mathématique, 1985, - 512 p.
4. En SI, l'induction magnétique est mesurée en tesla (T), dans le système CGS en gauss.
5. Ils coïncident exactement dans le système d'unités CGS, en SI - ils diffèrent par un coefficient constant, ce qui, bien sûr, ne change pas le fait de leur identité physique pratique.
6. La différence la plus importante et sur la surface ici est que la force agissant sur une particule en mouvement (ou sur un dipôle magnétique) est calculée à travers et non à travers. Toute autre méthode de mesure physiquement correcte et significative permettra également de mesurer, même si pour un calcul formel cela s'avère parfois plus pratique - quel est, en fait, l'intérêt d'introduire cette grandeur auxiliaire (sinon il serait possible de s'en passer du tout, en utilisant uniquement
7. Cependant, il faut bien comprendre qu'un certain nombre de propriétés fondamentales de cette "matière" sont fondamentalement différentes des propriétés de ce type habituel de "matière", que l'on pourrait désigner par le terme "matière".
8. Voir le théorème d'Ampère.
9. Pour un champ homogène, cette expression donne une force nulle, puisque toutes les dérivées sont égales à zéro B par coordonnées.
10. D. V. Sivukhin Cours de physique générale. - Ed. 4e, stéréotypé. - M.: Fizmatlit; Maison d'édition du MIPT, 2004. - T. III. Électricité. - 656 p. - ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5.

Avec des morceaux d'ambre électrisant par friction, les aimants permanents étaient pour les peuples anciens la première preuve matérielle de phénomènes électromagnétiques (la foudre à l'aube de l'histoire était définitivement désignée dans la sphère de manifestation des forces non matérielles). L'explication de la nature du ferromagnétisme a toujours occupé l'esprit curieux des scientifiques, cependant, même maintenant, la nature physique de la magnétisation constante de certaines substances, à la fois naturelles et artificiellement créées, n'a pas encore été complètement divulguée, laissant un champ d'activité considérable aux chercheurs modernes et futurs.

Matériaux traditionnels pour aimants permanents

Ils sont activement utilisés dans l'industrie depuis 1940 avec l'avènement de l'alliage Alnico (AlNiCo). Auparavant, les aimants permanents de différentes qualités d'acier n'étaient utilisés que dans les boussoles et les magnétos. Alnico a permis de remplacer les électroaimants par eux et de les utiliser dans des appareils tels que des moteurs, des générateurs et des haut-parleurs.

Cette pénétration dans notre vie quotidienne a pris un nouvel élan avec la création d'aimants en ferrite, et depuis lors, les aimants permanents sont devenus monnaie courante.

La révolution des matériaux magnétiques a commencé vers 1970, avec la création de la famille samarium-cobalt de matériaux magnétiques durs avec une densité d'énergie magnétique jusqu'alors inconnue. Puis une nouvelle génération d'aimants de terres rares à base de néodyme, de fer et de bore a été découverte avec une densité d'énergie magnétique beaucoup plus élevée que le samarium-cobalt (SmCo) et avec un faible coût attendu. Ces deux familles d'aimants en terres rares ont des densités d'énergie si élevées qu'elles peuvent non seulement remplacer les électroaimants, mais être utilisées dans des zones qui leur sont inaccessibles. Les exemples incluent le petit moteur pas à pas à aimant permanent dans une montre-bracelet et les transducteurs de son dans les écouteurs Walkman.

L'amélioration progressive des propriétés magnétiques des matériaux est illustrée dans le diagramme ci-dessous.

Aimants permanents en néodyme

Ils représentent la réalisation la plus récente et la plus importante dans ce domaine au cours des dernières décennies. Leur découverte a été annoncée pour la première fois presque simultanément à la fin de 1983 par des spécialistes du métal de Sumitomo et de General Motors. Ils sont basés sur le composé intermétallique NdFeB: un alliage de néodyme, de fer et de bore. Parmi ceux-ci, le néodyme est un élément de terre rare extrait du monasite minéral.

Le grand intérêt que ces aimants permanents ont généré provient du fait que pour la première fois, un nouveau matériau magnétique a été produit qui est non seulement plus résistant que la génération précédente, mais plus économique. Il se compose principalement de fer, beaucoup moins cher que le cobalt, et de néodyme, qui est l'une des terres rares les plus abondantes, plus abondante sur Terre que le plomb. Les principaux minéraux de terres rares, la monazite et la bastanésite, contiennent cinq à dix fois plus de néodyme que de samarium.

Mécanisme physique de l'aimantation permanente

Pour expliquer le fonctionnement d'un aimant permanent, il faut regarder à l'intérieur de celui-ci jusqu'à l'échelle atomique. Chaque atome a un ensemble de spins de ses électrons, qui forment ensemble son moment magnétique. Pour nos besoins, nous pouvons traiter chaque atome comme une petite bande magnétique. Lorsqu'un aimant permanent est démagnétisé (soit en le chauffant à une température élevée, soit par un champ magnétique externe), chaque moment atomique est orienté au hasard (voir Fig. Ci-dessous) et aucune régularité n'est observée.

Lorsqu'il est magnétisé dans un champ magnétique puissant, tous les moments atomiques sont orientés dans la direction du champ et, pour ainsi dire, se «bloquent» les uns avec les autres (voir la figure ci-dessous). Cette adhérence permet de conserver le champ de l'aimant permanent lorsque le champ externe est supprimé, et également de résister à la démagnétisation lorsque sa direction change. Une mesure de la force d'adhésion des moments atomiques est l'amplitude de la force coercitive de l'aimant. Plus à ce sujet plus tard.

Dans une exposition plus approfondie du mécanisme de magnétisation, ils ne fonctionnent pas avec les concepts de moments atomiques, mais utilisent le concept de régions miniatures (environ 0,001 cm) à l'intérieur de l'aimant, qui ont initialement une aimantation constante, mais sont orientées au hasard en l'absence de champ externe, de sorte que le lecteur strict, s'il le souhaite, peut se référer au physique ci-dessus. le mécanisme ne concerne pas l'aimant dans son ensemble. mais à son domaine séparé.

Induction et aimantation

Les moments atomiques se résument et forment le moment magnétique de tout l'aimant permanent, et sa magnétisation M montre la grandeur de ce moment par unité de volume. L'induction magnétique B montre que l'aimant permanent est le résultat d'une force magnétique externe (intensité de champ) H appliquée lors de l'aimantation primaire, ainsi que d'une aimantation interne M due à l'orientation des moments atomiques (ou de domaine). En général, sa valeur est donnée par la formule:

B \u003d μ 0 (H + M),

où µ 0 est constant.

Dans un aimant permanent annulaire et homogène, l'intensité de champ H à l'intérieur (en l'absence de champ externe) est nulle, car, selon la loi du courant total, l'intégrale de celui-ci le long de tout cercle à l'intérieur d'un tel noyau annulaire est:

H ∙ 2πR \u003d iw \u003d 0, d'où H \u003d 0.

Par conséquent, la magnétisation dans l'aimant annulaire est:

Dans un aimant ouvert, par exemple, dans le même annulaire, mais avec un entrefer de largeur l entrefer dans un noyau de longueur l ser, en l'absence de champ extérieur et de même induction B à l'intérieur du noyau et dans l'entrefer selon la loi du courant total, on obtient:

H ser l ser + (1 / µ 0) Bl zz \u003d iw \u003d 0.

Puisque B \u003d µ 0 (H ser + M ser), en substituant son expression à la précédente, on obtient:

H ser (l ser + l zaz) + M ser l zaz \u003d 0,

H ser \u003d ─ M ser l zaz (l ser + l zaz).

Dans l'entrefer:

H zz \u003d B / µ 0,

et B est déterminé par le M ser donné et trouvé H ser.

Courbe de magnétisation

À partir d'un état non magnétisé, lorsque H augmente à partir de zéro, en raison de l'orientation de tous les moments atomiques dans la direction du champ externe, M et B augmentent rapidement, changeant le long de la section "a" de la courbe de magnétisation principale (voir figure ci-dessous).

Lorsque tous les moments atomiques sont alignés, M arrive à sa valeur de saturation, et une nouvelle augmentation de B se produit exclusivement en raison du champ appliqué (section b de la courbe principale de la figure ci-dessous). Lorsque le champ externe diminue jusqu'à zéro, l'induction B décroît non pas le long du trajet d'origine, mais le long de la section "c" du fait de l'adhésion des moments atomiques, qui tend à les maintenir dans le même sens. La courbe de magnétisation commence à décrire la soi-disant boucle d'hystérésis. Lorsque H (champ externe) s'approche de zéro, alors l'induction s'approche de la valeur résiduelle, déterminée uniquement par les moments atomiques:

B r \u003d μ 0 (0 + M g).

Après que la direction de H change, H et M agissent dans des directions opposées, et B diminue (section de la courbe «d» sur la figure). La valeur du champ à laquelle B diminue jusqu'à zéro est appelée la force coercitive de l'aimant B H C. Lorsque l'amplitude du champ appliqué est suffisamment grande pour rompre la cohésion des moments atomiques, ils sont orientés dans la nouvelle direction du champ et la direction de M est inversée. La valeur du champ auquel cela se produit est appelée la force coercitive interne de l'aimant permanent M H C. Ainsi, il existe deux forces coercitives différentes mais liées associées à un aimant permanent.

La figure ci-dessous montre les courbes de démagnétisation de base de divers matériaux pour les aimants permanents.

On peut en voir que l'induction résiduelle B r et la force coercitive les plus importantes (à la fois totale et interne, c'est-à-dire déterminées sans tenir compte de la force H, uniquement par aimantation M) sont possédées par les aimants NdFeB.

Courants de surface (ampères)

Les champs magnétiques des aimants permanents peuvent être considérés comme les champs de certains courants associés circulant le long de leurs surfaces. Ces courants sont appelés ampères. Au sens habituel du terme, il n'y a pas de courant à l'intérieur des aimants permanents. Cependant, en comparant les champs magnétiques des aimants permanents et les champs de courants dans les bobines, le physicien français Ampère a suggéré que l'aimantation d'une substance peut s'expliquer par le flux de courants microscopiques qui forment des circuits fermés microscopiques. En effet, l'analogie entre le champ d'un solénoïde et un long aimant cylindrique est presque complète: il y a un pôle nord et sud d'un aimant permanent et les mêmes pôles pour un solénoïde, et les motifs de leurs lignes de champ sont également très similaires (voir la figure ci-dessous).

Y a-t-il des courants à l'intérieur de l'aimant?

Imaginons que le volume entier d'un certain aimant permanent en forme de tige (avec une forme en coupe transversale arbitraire) soit rempli de courants d'ampères microscopiques. Une coupe transversale d'un aimant avec de tels courants est montrée dans la figure ci-dessous.

Chacun d'eux a un moment magnétique. Avec la même orientation d'entre eux dans la direction du champ extérieur, ils forment un moment magnétique résultant différent de zéro. Il détermine également l'existence d'un champ magnétique en l'absence apparente de mouvement ordonné des charges, en l'absence de courant à travers n'importe quelle section de l'aimant. Il est également facile de comprendre qu'à l'intérieur, les courants des circuits adjacents (en contact) sont compensés. Seuls les courants à la surface du corps qui forment un courant de surface d'un aimant permanent ne sont pas compensés. Sa densité s'avère égale à l'aimantation M.

Comment se débarrasser des contacts mobiles

Le problème connu de la création d'une machine synchrone sans contact. Sa conception traditionnelle avec excitation électromagnétique des pôles du rotor avec des bobines implique la fourniture de courant à ceux-ci par des contacts mobiles - des bagues collectrices avec des brosses. Les inconvénients d'une telle solution technique sont bien connus: il s'agit de difficultés de maintenance, d'une faible fiabilité, et de pertes importantes dans les contacts mobiles, notamment lorsqu'il s'agit de turbo et hydro générateurs puissants, dans les circuits d'excitation dont une puissance électrique considérable est consommée.

Si vous fabriquez un tel générateur sur des aimants permanents, le problème de contact disparaît immédiatement. Cependant, il existe un problème de fixation fiable des aimants sur un rotor rotatif. L'expérience acquise dans la construction de tracteurs peut être utile ici. Là, depuis longtemps, un générateur d'inductance à aimant permanent a été utilisé, situé dans les fentes du rotor, rempli d'un alliage à bas point de fusion.

Moteur à aimant permanent

Au cours des dernières décennies, les moteurs CC sans balais se sont généralisés. Une telle unité est en fait un moteur électrique et un interrupteur électronique de son enroulement d'induit, qui remplit les fonctions de collecteur. Le moteur électrique est un moteur synchrone à aimant permanent situé sur le rotor, comme sur la Fig. ci-dessus, avec un enroulement d'induit fixe sur le stator. Un interrupteur électronique, schématiquement, est un onduleur pour la tension continue (ou courant) du réseau d'alimentation.

Le principal avantage d'un tel moteur est son absence de contact. Son élément spécifique est un capteur de position de rotor à photo, à induction ou à effet Hall, qui contrôle le fonctionnement de l'onduleur.

Pour comprendre ce qu'est une caractéristique d'un champ magnétique, il est nécessaire de définir de nombreux phénomènes. Dans ce cas, vous devez vous rappeler à l'avance comment et pourquoi il apparaît. Découvrez quelle est la force caractéristique d'un champ magnétique. Dans ce cas, il est important qu'un tel champ puisse se produire non seulement dans les aimants. À cet égard, il ne fait pas de mal de mentionner les caractéristiques du champ magnétique terrestre.

Émergence du champ

Tout d'abord, vous devez décrire l'apparence du champ. Ensuite, vous pouvez décrire le champ magnétique et ses caractéristiques. Il apparaît lors du mouvement de particules chargées. Peut affecter, en particulier, les conducteurs conducteurs. L'interaction entre un champ magnétique et des charges en mouvement, ou les conducteurs à travers lesquels le courant circule, se produit grâce à des forces dites électromagnétiques.

L'intensité ou la force caractéristique d'un champ magnétique à un certain point spatial est déterminée en utilisant l'induction magnétique. Ce dernier est indiqué par le symbole B.

Représentation graphique du champ

Le champ magnétique et ses caractéristiques peuvent être représentés graphiquement à l'aide de lignes d'induction. Cette définition est appelée lignes, tangentes auxquelles en tout point coïncideront avec la direction du vecteur de l'induction magnétique.

Les lignes nommées sont incluses dans la caractéristique du champ magnétique et sont utilisées pour déterminer sa direction et son intensité. Plus l'intensité du champ magnétique est élevée, plus ces lignes seront dessinées.

Que sont les lignes magnétiques

Les lignes magnétiques dans les conducteurs droits avec courant ont la forme d'un cercle concentrique dont le centre est situé sur l'axe de ce conducteur. La direction des lignes magnétiques à proximité des conducteurs avec courant est déterminée par la règle du cardan, qui ressemble à ceci: si le cardan est positionné de manière à être vissé dans le conducteur dans le sens du courant, alors le sens de rotation de la poignée correspond au sens des lignes magnétiques.

Pour une bobine avec un courant, la direction du champ magnétique sera également déterminée par la règle du cardan. Il est également nécessaire de faire tourner la poignée dans le sens du courant dans les tours du solénoïde. La direction des lignes d'induction magnétique correspondra à la direction du mouvement de translation du cardan.

C'est la principale caractéristique du champ magnétique.

Créé par un courant, dans des conditions égales, le champ différera par son intensité dans différents milieux en raison des différentes propriétés magnétiques de ces substances. Les propriétés magnétiques du milieu sont caractérisées par une perméabilité magnétique absolue. Mesuré en henry par mètre (g / m).

La caractéristique du champ magnétique comprend la perméabilité magnétique absolue du vide, appelée constante magnétique. La valeur qui détermine combien de fois la perméabilité magnétique absolue du milieu différera de la constante est appelée perméabilité magnétique relative.

Perméabilité magnétique des substances

C'est une quantité sans dimension. Les substances avec une valeur de perméabilité inférieure à un sont appelées diamagnétiques. Dans ces substances, le champ sera plus faible que dans le vide. Ces propriétés sont présentes dans l'hydrogène, l'eau, le quartz, l'argent, etc.

Les milieux dont la perméabilité magnétique dépasse l'unité sont appelés paramagnétiques. Dans ces substances, le champ sera plus fort que dans le vide. Ces milieux et substances comprennent l'air, l'aluminium, l'oxygène et le platine.

Dans le cas de substances paramagnétiques et diamagnétiques, la valeur de la perméabilité magnétique ne dépendra pas de la tension du champ magnétique externe. Cela signifie que la quantité est constante pour une substance particulière.

Les ferromagnétiques appartiennent à un groupe spécial. Pour ces substances, la perméabilité magnétique atteindra plusieurs milliers voire plus. Ces substances, qui ont la propriété de magnétiser et de renforcer le champ magnétique, sont largement utilisées en électrotechnique.

Force du champ

Pour déterminer les caractéristiques du champ magnétique, une valeur appelée intensité du champ magnétique peut être utilisée en conjonction avec le vecteur d'induction magnétique. Ce terme définit l'intensité du champ magnétique externe. La direction du champ magnétique dans un milieu ayant les mêmes propriétés dans toutes les directions, le vecteur intensité coïncidera avec le vecteur d'induction magnétique au point du champ.

Les ferromagnétiques forts s'expliquent par la présence de petites pièces arbitrairement aimantées, qui peuvent être représentées sous la forme de petits aimants.

En l'absence de champ magnétique, une substance ferromagnétique peut ne pas avoir de propriétés magnétiques prononcées, car les champs des domaines acquièrent des orientations différentes et leur champ magnétique total est égal à zéro.

Selon les principales caractéristiques du champ magnétique, si un ferromagnétique est placé dans un champ magnétique externe, par exemple dans une bobine avec un courant, alors sous l'influence du champ externe, les domaines se déploieront dans le sens du champ externe. De plus, le champ magnétique au niveau de la bobine augmentera et l'induction magnétique augmentera. Si le champ externe est suffisamment faible, seule une partie de tous les domaines se retournera, dont les champs magnétiques sont proches de la direction du champ externe. Au fur et à mesure que l'intensité du champ externe augmente, le nombre de domaines tournés augmentera, et à une certaine valeur de la tension de champ externe, presque toutes les pièces seront tournées de sorte que les champs magnétiques soient alignés dans la direction du champ externe. Cet état est appelé saturation magnétique.

Relation entre l'induction magnétique et la tension

La relation entre l'induction magnétique d'une substance ferromagnétique et la force du champ externe peut être représentée à l'aide d'un graphique appelé courbe de magnétisation. Au virage de la courbe, la vitesse d'augmentation de l'induction magnétique diminue. Après la flexion, là où la tension atteint un certain niveau, une saturation se produit et la courbe monte légèrement, acquérant progressivement la forme d'une ligne droite. Dans cette section, l'induction continue de croître, mais plutôt lentement et uniquement en raison d'une augmentation de l'intensité du champ externe.

La dépendance graphique de ces indicateurs n'est pas directe, ce qui signifie que leur rapport n'est pas constant et que la perméabilité magnétique du matériau n'est pas un indicateur constant, mais dépend du champ externe.

Modifications des propriétés magnétiques des matériaux

Avec une augmentation de l'intensité du courant jusqu'à saturation complète dans une bobine avec un noyau ferromagnétique et sa diminution ultérieure, la courbe de magnétisation ne coïncidera pas avec la courbe de démagnétisation. Avec une intensité nulle, l'induction magnétique n'aura pas la même valeur, mais acquerra un certain indicateur appelé l'induction magnétique résiduelle. La situation avec le retard de l'induction magnétique de la force magnétisante est appelée hystérésis.

Pour une démagnétisation complète du noyau ferromagnétique dans la bobine, il est nécessaire de donner un courant inverse, ce qui créera la tension nécessaire. Pour différentes substances ferromagnétiques, une section de longueur différente est nécessaire. Plus il est grand, plus la démagnétisation a besoin d'énergie. La valeur à laquelle le matériau est complètement démagnétisé est appelée force coercitive.

Avec une nouvelle augmentation du courant dans la bobine, l'induction augmentera à nouveau jusqu'à l'indice de saturation, mais avec une direction différente des lignes magnétiques. Lors de la démagnétisation dans le sens opposé, une induction résiduelle sera obtenue. Le phénomène de magnétisme résiduel est utilisé pour créer des aimants permanents à partir de substances à fort indice de magnétisme résiduel. À partir de substances capables d'inverser la magnétisation, des noyaux sont créés pour les machines et appareils électriques.

Règle de la main gauche

La force affectant le conducteur avec le courant a une direction déterminée par la règle de la main gauche: lorsque la paume de la main vierge est positionnée de telle manière que les lignes magnétiques y pénètrent et que quatre doigts sont étendus dans la direction du courant dans le conducteur, le pouce plié indiquera la direction de la force. Cette force est perpendiculaire au vecteur d'induction et au courant.

Un conducteur porteur de courant se déplaçant dans un champ magnétique est considéré comme un prototype de moteur électrique, qui transforme l'énergie électrique en énergie mécanique.

Règle de la main droite

Lors du déplacement du conducteur dans un champ magnétique, une force électromotrice est induite à l'intérieur de celui-ci, qui a une valeur proportionnelle à l'induction magnétique, à la longueur du conducteur impliqué et à sa vitesse de déplacement. Cette dépendance est appelée induction électromagnétique. Lors de la détermination de la direction de la force électromagnétique induite dans le conducteur, la règle de la main droite est utilisée: lorsque la main droite est positionnée de la même manière que dans l'exemple avec la gauche, les lignes magnétiques pénètrent dans la paume et le pouce indique la direction du mouvement du conducteur, les doigts étendus indiquent la direction de la force électromagnétique induite. Un conducteur se déplaçant dans un flux magnétique sous l'influence d'une force mécanique externe est l'exemple le plus simple d'un générateur électrique, dans lequel l'énergie mécanique est convertie en énergie électrique.

Il peut être formulé de manière différente: en boucle fermée, un CEM est induit, avec tout changement du flux magnétique couvert par cette boucle, l'EDF dans la boucle est numériquement égal au taux de variation du flux magnétique qui couvre cette boucle.

Cette forme fournit un indicateur EMF moyen et indique la dépendance de l'EMF non pas sur le flux magnétique, mais sur la vitesse de son changement.

Loi de Lenz

Il faut aussi se souvenir de la loi de Lenz: le courant induit par un changement du champ magnétique traversant le circuit, par son champ magnétique, empêche ce changement. Si les spires de la bobine sont pénétrées par des flux magnétiques d'amplitude différente, alors l'EMF induit sur toute la bobine est égal à la somme de l'EDU dans différents tours. La somme des flux magnétiques des différentes spires de la bobine est appelée liaison de flux. L'unité de mesure de cette quantité, comme le flux magnétique, est weber.

Lorsque le courant électrique dans le circuit change, le flux magnétique créé par celui-ci change également. Dans ce cas, selon la loi de l'induction électromagnétique, un EMF est induit à l'intérieur du conducteur. Il apparaît en relation avec un changement de courant dans le conducteur, donc ce phénomène est appelé auto-induction, et l'EMF induit dans le conducteur est appelé EMF d'auto-induction.

La liaison de flux et le flux magnétique dépendent non seulement de la force du courant, mais également de la taille et de la forme d'un conducteur donné, et de la perméabilité magnétique de la substance environnante.

Inductance du conducteur

Le facteur de proportionnalité est appelé inductance du conducteur. Il dénote la capacité d'un conducteur à créer une liaison de flux lorsque l'électricité le traverse. C'est l'un des principaux paramètres des circuits électriques. Pour certains circuits, l'inductance est une valeur constante. Cela dépendra de la taille du circuit, de sa configuration et de la perméabilité magnétique du milieu. Dans ce cas, le courant dans le circuit et le flux magnétique n'auront pas d'importance.

Les définitions et phénomènes ci-dessus expliquent ce qu'est un champ magnétique. Les principales caractéristiques du champ magnétique sont également données, à l'aide desquelles il est possible de définir ce phénomène.