Matériaux magnétiques

Les pierres magnétiques ont très tôt connu une forte réputation. Au départ, elles étaient utilisées par les marins comme boussole. Après quelques recherches effectuées avant l’an 1 600 sur le magnétisme terrestre, le scientifique Gilbert émet l’hypothèse que la terre est un aimant géant. En 1819, une découverte est faite par le physicien danois Œrsted. Ce dernier observe que les fils conducteurs parcourus par un courant électrique créent un champ magnétique. Une année plus tard, les chercheurs Biot, Savart et Ampère établissent des relations expérimentales sur le champ magnétique et sa production par des courants électriques. Il existe en effet une interaction entre ces deux forces. Une charge électrique en mouvement génère un champ magnétique et vice versa.

Le magnétisme est une partie de la physique qui fait référence à l’étude des propriétés des aimants et de leurs actions. Tout comme l’électricité, il est impossible d’observer les lignes de force qui existent dans un champ magnétique. De fait, le magnétisme ne se remarque que par ses effets. Les matériaux liés à ce mouvement sont omniprésents dans l’environnement. Les propriétés magnétiques de certains matériaux sont liées à un mouvement de rotation des électrons sur eux-mêmes au sein de l’atome. Pourtant, de nombreuses personnes n’ont pas connaissance de ces différents corps. Si vous souhaitez en savoir plus à ce sujet, voici un contenu qui saura vous renseigner.

Les matériaux ferromagnétiques

Le ferromagnétisme est la propriété dont disposent certains corps à s’aimanter très fortement sous l’effet d’un champ magnétique extérieur. Ce type de phénomène est généralement connu sous le nom d’aimantation. Les matériaux ferromagnétiques sont donc ceux qui sont capables de s’aimanter beaucoup plus fortement comme le fer, le cobalt et le nickel.

NÉODYME FER BORE (NdFeB)

L'aimant Néodyme (NdFeB) est un aimant permanent composé d'un alliage de Néodyme, de Fer et de Bore (Nd2Fe14B). Ils sont le fruit du travail conjoint de 2 sociétés SUMITOMO et Général Motors au début des années 80. C'est le matériau magnétique le plus puissant du marché. Aujourd'hui, ils sont massivement utilisés dans la fabrication de moteurs électriques, éoliennes, disques durs, haut-parleurs, etc. Dans des domaines moins techniques, ils sont utilisés pour la fixation comme dans la publicité, le packaging et diverses applications de fermetures. Ils sont appréciés pour leurs fortes puissances dans un encombrement réduit.

Caractéristiques N35 

Aimantation Standard

Ferrite

Composé d'oxyde de fer et de poudre de baryum ou de strontium. La matière est orientée, pressée puis fritté à haute température. Ce matériau présente une haute résistance à la démagnétisation et à la corrosion. Il ne nécessite pas de revêtement et présente une excellente résistance aux agents chimiques. L'aimant ferrite reste cependant fragile aux chocs.

Caractéristiques Y30 

Aimantation standard

SAMARIUM COBALT (SmCo)

Tout comme les aimants Néodymes, les aimants Samarium Cobalt sont de la famille des terres rares. Ce sont d'ailleurs les premiers de cette famille à être commercialisés dans les années 60. Alliage de Samarium et de Cobalt, ils possèdent les mêmes propriétés magnétiques que les néodymes, mais avec une résistance en température et à la corrosion plus élevées. Ils peuvent être utilisés pour des températures allant jusqu'à 300 degrés. Leur résistance à la corrosion ne nécessite pas de revêtement. Ses propriétés mécaniques restent faibles comme les Néodymes et sont très fragiles aux chocs. 

ALNICO

Les aimants ALNICO sont développés au début du 20ᵉ siècle. À l’époque, ils sont les aimants les plus performants du marché avant l’arrivée des aimants en terres rares. Ils sont composés principalement d’Aluminium (Al), de Nickel (Ni) et de Cobalt (Co). Ils sont utilisés aujourd’hui pour leur grande résistance et stabilité en température. Cependant, ces aimants sont sujets à la désaimantation.

Les matériaux paramagnétiques

Le paramagnétisme est le comportement d’un milieu matériel qui acquiert une aimantation sous l’effet d’un champ magnétique extérieur. Celui-ci est dirigé dans le même sens qu’un champ magnétique appliqué. Un matériau paramagnétique ne possède pas de façon spontanée une aimantation, mais plutôt une susceptibilité magnétique de valeur positive assez faible. Il n’existe pas de phénomène d’hystérésis dans un moment paramagnétique. En effet, l’aimantation acquise disparaît lorsque le champ d’excitation se coupe.

Les substances paramagnétiques

Le paramagnétisme s’observe dans certains atomes, molécules et défauts cristallins qui ont un nombre impair d’électrons et dont le moment cinétique total ne peut s’annuler. Les matériaux paramagnétiques concernent aussi les atomes qui possèdent une couche électronique interne partiellement remplie comme les éléments de transition.

L’aluminium

C’est un élément chimique du tableau périodique ayant pour numéro atomique le chiffre 13. Il s’agit d’un métal ductile argent extrait principalement de la bauxite. C’est un matériau remarquablement doux, léger, mais solide avec une bonne résistance à l’oxydation. En effet, son aspect gris-argent est engendré par une couche mince d’oxyde qu’on appelle film passivation. Elle se forme rapidement lorsque le matériau est exposé à l’air et empêche la corrosion et bloque le passage de l’oxygène vers l’aluminium sous-jacent.

L’aluminium est un matériau paramagnétisme qui présente une excellente malléabilité, une haute plasticité et une faible puissance de rayonnement. En plus, il ne génère pas d’étincelles en frottant et il possède de nombreux alliages qui sont soudables avec la normale. L’aluminium possède une haute conductivité électrique et thermique. De ce fait, il est le métal le plus utilisé dans le monde à l’exception du fer. C’est une ressource importante dans quasiment tous les segments de l’économie mondiale. Il est utilisé dans la fabrication de presque tous les moyens de transport, pour l’emballage de certains produits et pour la construction. Vous le trouverez aussi dans les biens de consommation durable, les lignes électriques, les machines, les armes à feu et dans le domaine de l’optique.

Le baryum

Il s’agit d’un élément chimique de numéro atomique 56 et de symbole Ba. C’est un métal de couleur argenté tendre et très toxique qui fait partie du groupe des métaux alcalino-terreux. Il fond à une température très élevée et se retrouve principalement dans le minerai barytine. Le Baryum ne se trouve jamais dans la nature à l’état pur. Le baryum est un élément métallique avec une structure chimique semblable à un ballon de foot. Il s’oxyde vraiment facilement lorsqu’il est exposé à l’air et réagit vigoureusement avec l’alcool ou l’eau.

Les composés du baryum sont utilisés en petite quantité pour la fabrication de peintures, verres et feux d’artifice. Il s’emploie aussi pour production des moteurs à combustion interne et les lampes fluorescentes. Les sels de Baryum s’utilisent parfois comme agent de contraste. Ils sont administrés par voie rectale ou orale pour augmenter le contraste des examens médicaux dans le système digestif. Il se trouve également dans les puits de pétrole où il épaissit les fluides de forage et dans la production du caoutchouc.

Le gadolinium

Le gadolinium est un élément chimique de numéro atomique 84 contenus dans le tableau périodique. De symbole Gd, il s’agit d’un métal des terres rares ductile et malléable avec un air blanc argenté. Il se cristallise à une température ambiante dans une forme alpha hexagonale compacte. Contrairement aux autres lanthanides, ce métal est plutôt stable à l’air en condition sèche. En présence d’humidité, le gadolinium couvre rapidement son propre oxyde de scrostandosi. C’est un métal qui réagit lentement avec de l’eau et fond dans les acides dilués. Il a un taux d’épuisement élevé qui limite son utilité en tant que matériau de fabrication de barres de commande de réacteurs nucléaires.

Le gadolinium s’utilise dans des dispositifs de micro-onde, pour la production de grenats, de phosphores et des téléviseurs à couleur. Il intervient aussi dans la fabrication de disque compact et dans les dispositifs de mémoire pour ordinateur. Il est aussi utile dans les systèmes d’urgence des réacteurs nucléaires, particulièrement ceux de type CANDU. Il favorise la section efficace de capture des neutrons thermiques.

Le sodium

De symbole Na, le sodium est un élément chimique du tableau périodique dont le numéro atomique est le chiffre 11. Il est doux, cireux, réactif, argenté et fait partie des métaux alcalins. Il comporte donc les mêmes caractéristiques que ces derniers. Il se retrouve en grande partie dans les composés naturels et s’oxyde en contact de l’air. Le sodium brûle avec une flamme jaune et réagit violemment avec l’eau. Il possède une conductivité thermique et électrique d’environ 36 % de celle du cuivre.

Le Sodium intervient dans la fabrication des composés chimique comme l’indigo, le triphénylphosphine, etc., pour la production du plomb tétraéthyle et du titane. Ce matériau paramagnétique est un important conducteur de chaleur. Il s’utilise en médecine, savonnerie, dans certains alliages et comme fluide de refroidissement et du transport de chaleur.

Le magnésium

Ce matériau paramagnétique est également un élément chimique du tableau périodique avec 12 comme numéro atomique. Avec le symbole Mg, il est le huitième élément le plus abondant et il constitue 2 % de la croûte terrestre. C’est aussi le troisième matériau le plus abondant qui dissout dans les eaux marines. Il fait partie de la famille des alcalino-terreux et s’utilise principalement comme élément d’alliage. Le magnésium est un métal léger, de couleur argent blanc qui brûle avec une flamme blanche en contact de l’air.

Les composés magnésium, essentiellement l’oxyde de magnésium, s’utilise principalement comme matériau réfractaire dans la production de fer, acier, métaux, non-métaux, ciment et verre. Ils se retrouvent aussi dans l’agriculture et les industries chimiques de construction. Il est aussi employé comme additif dans les alliages d’aluminium comme les boîtes de boissons.

Les composés paramagnétiques

Il existe de nombreux ions métalliques équipés de propriété paramagnétique. Vous trouverez des composés qui ne font pas partie de la grande quantité de métal qui existe, mais qui disposent des mêmes propriétés. Il s’agit des ions manganèse bi et tétravalents, de l’ion chrome trivalent, nickel divalent et tous les trivalanti de terres rares.

Le paramagnétisme regroupe aussi des complexes de coordination comme matériaux. Vous trouverez dans cette gamme, des corps comme le nickel hexafluorure (NIF6)2-, l’hexafluorure de chrome (CRF6)4-, le tétrachlorure cobalt (CoF6)3-. Il y a également les composés de coordination comme l’octafluoruro tantale (Taf 8)3- et l’octacianuro molybdène (Mo(CN)8)4. Les sulfures de métaux comme le monosulfure de vanadium et l’octasolfuro détiennent tout comme le métal des propriétés paramagnétiques. Notez aussi que les aciers inoxydables austénitiques présentent aussi des caractéristiques paramagnétiques.

Les matériaux diamagnétiques

Le diamagnétisme désigne l’ensemble des matériaux qui ne sont pas attirés par les champs magnétiques. Il s’agit entre autres de l’eau, l’or, le mercure, le cuivre, le bismuth, etc. Les matériaux dans lesquels le diamagnétisme s’observe sont caractérisés par le fait que la magnétisation exerce une force opposée à celle du champ magnétique. Ils sont faiblement rejetés et sont appelés matériaux non magnétiques. Un aimant aura tendance à repousser un corps diamagnétique.

Le diamagnétisme s’observe dans les matériaux, dans les corps dont les molécules ne possèdent pas assez de dipôles magnétiques propres. Il s’agit particulièrement des atomes qui ont des électrons appariés et dont le nombre total de spins est égal à zéro. Toutefois, l’aimantation est produite seulement pour le phénomène de L'Armor précession. Les propriétés magnétiques proviennent uniquement du mouvement orbital des électrons.

Dans ce type de matériaux, la perméabilité magnétique relative est inférieure ou égale à 1. Par conséquent, la susceptibilité magnétique est une constante négative. C’est pourquoi les corps dans lesquels s’observe le diamagnétisme ont le sens inverse du champ magnétique et sont rejetés par celui-ci. Les matériaux diamagnétismes peuvent être considérés comme des supraconducteurs qui exploitent l’effet Meissner pour éjecter le champ de leur intérieur. Le diamagnétisme s’observe au niveau des métaux qui possèdent des électrons libres.

Le bismuth

C’est un métal lourd et frêle, blanc-pinkness, dont le comportement chimique ressemble à celui de l’arsenic et de l'antimoine. Il s’agit d’un élément chimique de numéro atomique 89 et de symbole Bi. En dehors du mercure, il est le plus diamagnétique des métaux et possède la plus petite conductivité thermique. Le bismuth est un métal cassant qui présente une couleur blanche avec des accents irisés et roses. Parmi les métaux, c’est le seul à ne pas être toxique et il possède aussi une résistivité supérieure à celle des autres. En contact de l’air, le bismuth brûle avec une flamme bleue qui produit des fumées jaunes.

Ce métal lourd est principalement utilisé dans les domaines de l’acier, du cosmétique et de la médecine. Le salicylate de bismuth s’emploie comme un antidrogue diarrhéique. Allié au manganèse, ce corps permet la production de forts aimants permanents. De nombreux alliages du bismuth ont une application dans les systèmes de protection contre l’incendie. Il s’utilise aussi comme additif au fer pour le rendre malléable et pour la production de fibres acryliques puis de thermocouples.

L’argent

Il s’agit d’un métal de transition tendre, brillant et blanc de numéro atomique 47 et de symbole ag. Ce matériau diamagnétique est le meilleur conducteur de chaleur et d’électricité parmi tous les métaux. L’argent se retrouve dans la nature sous forme de minerai pur. C’est un métal très ductile et malléable avec un éclat métallique blanc accentué. Il possède une plus grande diffusion en raison de son moindre coût et une résistance plus faible aux chocs. L’argent est un métal précieux, stable, pur, mais qui s’obscurcit lorsqu’il est exposé à l’ozone. Ses halogénures photosensibles sont utiles dans la photographie.

L’argent s’utilise aussi pour produire des contacts à haute conductivité en objets électroniques et électriques. Il permet aussi de préparer des émulsions photographiques, de fabriquer des miroirs avec un facteur de réflexion élevé. Il s’utilise dans l’argenterie pour la fabrication de bijoux et dans la production de batteries de longues durées. Il s’utilise également comme un ciment transparent pour le verre. C’est par ailleurs un additif alimentaire qui s’utilise comme colorant pour des bonbons particuliers, les dragées enrobées de sucre. Il permet d’obtenir une coloration métallique sur ces produits. Les tampons d’ions argent permettent par exemple de désinfecter l’eau dans le camping. Ils retrouvent très facilement dans le commerce.

Le plomb

Le plomb est un métal mou, dense, malléable et ductile de numéro atomique 82 et de symbole Pb. Il appartient au groupe 14 et à la période six du tableau des éléments périodiques avec une couleur blanche à nuance bleue. Lorsqu’il est exposé à l’air, il prend un coloris gris foncé. Le plomb est un composé nocif qui possède une conductibilité électrique relativement faible. Il résiste bien à la corrosion, fond dans l’acide nitrique et possède la capacité d’absorber une quantité importante de rayonnement. Ce métal se produit naturellement dans l'environnement, toutefois la majorité des concentrations du plomb retrouvée dans la nature est produite par les activités humaines.

Le plomb est un matériau diamagnétisme utilisé pour la construction, la fabrication de batterie pour les automobiles, la production de balles pour armes à feu. À l’état liquide, il sert de refroidissement dans les réacteurs nucléaires. C’est un composant étain et un alliage métallique utile pour le soudage.

Les aimants doux et les aimants durs quelle différence ?

Les aimants durs et doux sont des matériaux qui ont des propriétés magnétiques très différentes. En effet, les matériaux magnétiques durs sont chargés en permanence et perdent rarement leurs propriétés d’aimantation. Lorsque vous entendez les gens parlés d’aimants, ils font généralement référence aux aimants durs. Les matériaux magnétiques doux quant à eux peuvent facilement et rapidement magnétisés et démagnétisés. Les aimants doux peuvent alterner leurs chargements en quelques secondes.

Retenez donc que les matériaux magnétiques durs ont des animations plus fortes que ceux qui sont doux. Ils ont la capacité de contenir le magnétisme même après l’élimination du champ externe. Aussi, les matériaux utilisés pour fabriquer les aimants durs sont la ferrite et l’alnico. Par contre, ceux utilisés pour les matériaux magnétiques doux sont l’acier et l’alliage de nickel-fer.

Quels sont les matériaux avec le plus de potentiel magnétique ?

Retenez que tous les métaux possèdent des atomes qui se comportent chacun comme un mini-aimant. En présence d’un aimant, les champs peuvent être attirés dans le même sens qui lui ou dans le sens inverse. Dans le premier cas, le métal se déplace et se colle à l’aimant. Certains matériaux comme le fer, le cobalt et le nickel ont un fort potentiel en magnétisme.

Le fer est un matériau célèbre qui se confond avec le métal. Il comporte des électrons qui ont une configuration spéciale autour de leur noyau. Cela leur permet de s’orienter dans le même sens lorsqu’ils sont placés dans un champ magnétique. C’est le cas des métaux ferromagnétiques et ceux appartenant à la famille des terres rares. En effet, en présence d’un corps magnétique, les électrons de ces corps s’alignent provoquant l’addition des champs de chaque charge. Il s’ensuit une réaction assez puissante qui engendre une attraction entre l’aimant et les matériaux.

Il existe trois grands groupes de matériaux magnétiques. Il y a premièrement les ferromagnétiques qui ont une grande capacité d’être attirés par les aimants. Ensuite, il y a les paramagnétiques qui sont faiblement attirés par le champ magnétique et ceux qui ne le sont pas du tout comme les diamagnétiques.

Pour en savoir davantage sur les matériaux magnétiques, renseignez-vous sur ces notions clés : l'expérience d'Œrsted, l'aiguille d'une boussole avec un fil, l'origine du champ magnétique, le Faraday, l'induction magnétique, etc.