Comment la température affecte-t-elle les aimants ?

Aimantsgénèrent des champs de force invisibles qui tirent sur les métaux, notamment le fer, le nickel et le cobalt. La chaleur affecte le fonctionnement des aimants. Quand il fait plus chaud, les aimants deviennent plus faibles. À très haute température, ils cessent d’être magnétiques. Comprendre l’influence de la température est important.

Connaître l'impact de la chaleur sur les aimants nous permet de concevoir des dispositifs et des systèmes qui fonctionnent de manière fiable à différentes températures de fonctionnement.

Cet article sera prFournir un aperçu du magnétisme et expliquer comment la température influence les aimants permanents et les électro-aimants. Nous discuterons également de la température de Curie et des applications où les effets de la température sur les aimants sont un facteur de conception essentiel.

Qu'est-ce qui fait fonctionner les aimants ?

Les aimants fonctionnent grâce à de minuscules particules à l’intérieur appelées électrons. Les électrons agissent comme de minuscules aimants en rotation. Dans la plupart des choses, les électrons tournent dans tous les sens de manière aléatoire. Mais dans les matériaux magnétiques, les spins des électrons s’alignent.

Les spins alignés créent un champ magnétique global avec deux extrémités : les pôles nord et sud. Les pôles opposés s’attirent, comme le nord et le sud. Mais les mêmes pôles se repoussent sur deux nords.

La force d’un aimant dépend de sa composition. Certains matériaux maintiennent leurs spins électroniques mieux alignés que d’autres. Cette capacité à résister à la confusion des spins est appelée rémanence. Une rémanence plus élevée produit un aimant plus puissant. L’alignement soigné de millions d’électrons tournant ensemble permet aux aimants de coller aux métaux !

Aimants permanents vs électro-aimants

Il existe deux types d'aimants, les permanents et les électromagnétiques. Les aimants permanents conservent leur magnétisme. Ils sont constitués de fer, de nickel, de cobalt et de métaux rares. Les spins atomiques de ces matériaux s’alignent spontanément.

Les électroaimants sont fabriqués en faisant passer un courant électrique à travers une bobine de fil autour d'un noyau de fer. Le champ magnétique est créé par le courant dans le fil. Lorsque le courant s'arrête, un électro-aimant perd son magnétisme. 

Les aimants permanents et les électro-aimants sont affectés différemment par la température. Regardons chacun d'eux :

Comment la température affecte les aimants permanents

Les aimants permanents ne fonctionnent que dans une plage de température spécifique. Si un aimant permanent est chauffé au-dessus d’une température spécifique, appelée point de Curie, il perdra son magnétisme.

Au point de Curie, les minuscules spins à l’intérieur du matériau magnétique commencent à pointer dans des directions aléatoires au lieu de s’aligner. Cela empêche l’aimant permanent d’être magnétique.

Températures de Curie des matériaux magnétiques courants

Chauffer un aimant permanent au-dessus d’un point de Curie le rend totalement amagnétique. Au-dessus de ce point, les spins atomiques qui créent le magnétisme sont perturbés. Cela fait perdre aux aimants permanents en fer, en nickel ou en cobalt tout comportement magnétique.

En règle générale, cette démagnétisation complète ne peut pas être inversée dans les aimants traditionnels. L'aimant doit être remagnétisé en l'exposant à un autre champ magnétique puissant.

Cependant, certains aimants de terres rares en néodyme ou en samarium-cobalt peuvent retrouver leur magnétisme après avoir chauffé au-delà de leur point de Curie. Mais un chauffage et un refroidissement répétés au cours d’une utilisation quotidienne peuvent encore réduire lentement le magnétisme, petit à petit, au fil du temps.

Sous la température de Curie, un aimant permanent perd progressivement de sa force à mesure qu’il chauffe. Plus de chaleur donne à l’atome plus d’énergie vibratoire. Cette perturbation des spins alignés affaiblit progressivement le champ magnétique.

Heureusement, cette perte progressive du magnétisme avec l’augmentation de la température est réversible. Lorsque l’aimant permanent refroidit, les spins atomiques se réalignent et la pleine force magnétique revient. Même de petits changements de température de quelques degrés peuvent modifier sensiblement la puissance du champ magnétique.

En résumé, les aimants permanents fonctionnent mieux dans une plage de températures optimale limitée. Trop de chaleur les démagnétise entièrement ou partiellement. Des températures plus basses améliorent l’intensité du champ magnétique.

Les ingénieurs prennent en compte ces impacts thermiques lors de la conception de dispositifs utilisant des aimants permanents. Un contrôle minutieux de la température garantit que les aimants fonctionnent à des performances magnétiques optimales.

Comment la température affecte les électro-aimants

Les électroaimants sont différents des aimants permanents. Leur magnétisme provient de l’électricité se déplaçant à travers une bobine de fil. Changer l’électricité rend le champ magnétique plus fort ou plus faible.

La chaleur a un impact sur les électro-aimants en rendant le fil plus difficile à traverser pour l’électricité. Lorsque le fil devient plus chaud, l’électricité vibre davantage à l’intérieur. Cela complique la circulation fluide de l’électricité dans une seule direction.

Lorsque l’électricité ne circule pas aussi facilement, une quantité moindre peut passer par le fil. Ainsi, un électro-aimant s’affaiblit lorsqu’il est chaud plutôt qu’à froid.

Mais les températures moyennes chaudes et froides n’affectent pas trop les électro-aimants. Le flux électrique ne diminue que légèrement, sauf si le fil surchauffe. Le champ magnétique s’affaiblit légèrement, mais ne disparaît pas complètement.

Refroidir beaucoup un électro-aimant facilite la circulation de l’électricité. Un exemple utilise de l'azote liquide, qui est de -196 degrés ! Il permet des champs magnétiques puissants avec moins d'électricité. Les électro-aimants Supercool peuvent créer des champs 100 000 fois le champ terrestre !

En résumé, les électroaimants s'affaiblissent lorsqu'ils sont chauds car le fil résiste davantage à l'électricité. Les températures très froides améliorent le flux électrique et renforcent le champ magnétique. Mais la chaleur ne supprime pas le magnétisme d’un électro-aimant comme c’est le cas des aimants permanents.

Exemples d'effets de température sur les aimants

Pour voir l’impact de la température sur les aimants, regardons quelques exemples concrets :

● Les aimants pour réfrigérateur utilisent des aimants permanents en ferrite ou en néodyme. Ils s'affaiblissent sensiblement lorsqu'ils sont chauds, mais retrouvent leur plein magnétisme une fois refroidis. Les laisser chauffer comme un four peut les démagnétiser lentement avec le temps.

● Les appareils IRM utilisent des électro-aimants supraconducteurs très puissants refroidis à l'hélium liquide. Le refroidissement leur permet de créer de puissants champs magnétiques de 3 Tesla nécessaires aux analyses corporelles détaillées.

● Les gros électro-aimants utilisés pour soulever les voitures dans les casses sont appelés aimants de grue. Ils soulèvent de lourdes charges grâce à la force magnétique. Par temps chaud, l’aimant ne peut pas soulever son poids maximum à cause de la chaleur, ce qui l’affaiblit. Le refroidissement de la bobine électromagnétique permet de soulever des objets plus lourds.

● Les minuscules aimants en néodyme des petits moteurs perdent du couple et deviennent moins efficaces si le moteur surchauffe. Les températures élevées démagnétisent les aimants permanents du rotor en rotation. Cela affaiblit le champ magnétique tournant qui fait fonctionner le moteur.

● Les bandes magnétiques et les disques durs utilisent de minuscules particules de fer pour stocker les données. Trop de chaleur brouille les particules magnétiques, effaçant les données. Le stockage magnétique a donc une température maximale à laquelle il peut fonctionner avant que les données ne soient perdues.

Ces exemples démontrent à quel point le contrôle et la gestion de la température sont essentiels lorsque l'on travaille avec des aimants. Les aimants permanents nécessitent un refroidissement pour préserver leurs propriétés magnétiques. Dans le même temps, les électro-aimants doivent éviter la surchauffe, augmenter la résistance des fils et réduire l’intensité du champ.

Effet des basses températures sur les aimants

Nous avons vu des températures élevées diminuer la force des aimants. Et les températures glaciales ?

Comme mentionné précédemment, la réduction de l’énergie thermique contribue à stabiliser l’alignement des spins atomiques dans les aimants permanents. Ainsi, les aimants permanents deviennent encore plus puissants aux températures cryogéniques.

Le refroidissement des aimants en néodyme avec de l'azote liquide à -196 degrés peut augmenter la force de traction de 2-5x par rapport à la température ambiante. Cet état hyper-magnétisé permet de nouvelles applications comme les trains maglev.

Les électro-aimants bénéficient également de températures basses en raison de la résistance électrique nulle des fils (supraconductivité). Cela se traduit par d’énormes champs magnétiques provenant de petites bobines.

Les électroaimants d’IRM et de recherche scientifique sont refroidis par de l’hélium liquide pour exploiter le potentiel des supraconducteurs comme le niobium-étain. Le fonctionnement à basse température permet de générer plus facilement des champs magnétiques à haute intensité.

Ainsi, alors que la chaleur affaiblit les aimants, les températures froides améliorent les performances des aimants. Les aimants permanents et les électro-aimants peuvent être améliorés en réduisant le mouvement thermique au niveau moléculaire.

Comment la température affecte-t-elle la structure des aimants ?

Les minuscules éléments constitutifs des matériaux magnétiques changent lorsqu’ils sont chauffés ou refroidis. Cela a un impact sur leur magnétisme. Examinons comment la température modifie le réseau cristallin et les domaines magnétiques des types d'aimants.

Les aimants permanents comportent de minuscules zones appelées domaines. Chaque domaine est comme un petit aimant aux spins alignés. Mais les domaines voisins pointent de manière aléatoire. Le chauffage perturbe la structure soignée du domaine, rendant l’aimant plus faible. Le refroidissement aligne parfaitement les domaines, renforçant ainsi le magnétisme total.

Différents matériaux ont des structures de réseau cristallin différentes. C'est l'espacement et l'ordre des atomes. Le fer a une structure et le cobalt en a une autre. Le meilleur alignement de domaine dépend de l’espacement atomique et des états énergétiques spécifiques de chaque réseau cristallin.

Les électro-aimants sont des fils enroulés en boucles plutôt que dans un matériau solide. Mais ils ont souvent des noyaux cristallins de fer ou d’acier. Le chauffage fait vibrer les atomes et les disperser. Il perturbe l'alignement des domaines dans le noyau, réduisant ainsi le magnétisme. Garder les électro-aimants au froid maintient une bonne structure de domaine.

Dans l’ensemble, la disposition atomique invisible explique pourquoi le magnétisme change avec la température. La chaleur perturbe la minuscule structure. Le refroidissement apporte ordre et stabilité. Comprendre ces propriétés à l’échelle nanométrique est crucial pour concevoir des aimants destinés à des températures élevées ou basses.

Choisir le bon matériau magnétique

Les aimants permanents sont constitués de fer, de nickel, de cobalt et de mélanges extraordinaires de métaux de terres rares. Les ingénieurs sélectionnent le matériau en fonction de la plage de température, de la résistance et des besoins en matière de coût.

Les aimants Alnico contiennent du fer, de l'aluminium, du nickel et du cobalt. Ils fonctionnent jusqu'à 600 degrés, mais leur intensité de champ magnétique est moyenne, autour de 0.5-1.3T.

Les aimants en céramique ou en ferrite utilisent des ferrites de baryum et de strontium. Ils sont peu coûteux mais ont une faible intensité de champ inférieure à 0.4T.

Les aimants samarium-cobalt peuvent créer des champs de haute résistance allant jusqu'à 1,1 T et fonctionner jusqu'à 350 degrés, mais sont coûteux.

Les aimants fer-néodyme-bore ont les meilleures performances globales. Ils ont des champs puissants jusqu'à 1,4 T et fonctionnent jusqu'à 230 degrés.

Propriétés magnétiques des aimants permanents courants

Pour les électro-aimants, les bobines de cuivre maximisent la conductivité et peuvent être refroidies pour augmenter le champ. Les noyaux de fer concentrent le champ magnétique. Le fer nickelé résiste également à la corrosion.

Le néodyme ou le samarium cobalt fonctionnent mieux pour les champs les plus puissants malgré leur coût. La plage de température dans laquelle l’aimant doit fonctionner détermine le meilleur matériau.

Expériences amusantes avec des aimants

Vous pouvez tenter des expériences scientifiques passionnantes à la maison en utilisant des aimants et divers matériaux.

Aimants réfrigérés :

Vous pouvez voir comment les températures froides rendent les aimants plus puissants grâce à une expérience amusante. Prenez un aimant pour réfrigérateur et collez-le sur votre réfrigérateur. Laissez l'aimant au réfrigérateur pendant quelques heures. Ensuite, utilisez-le pour ramasser des trombones ou d'autres métaux magnétiques.

L'aimant a-t-il l'impression de tirer plus fort sur les objets métalliques lorsqu'il est froid ? La température plus basse dans le réfrigérateur rend temporairement l’aimant plus puissant. Mais cette augmentation de la force magnétique ne durera pas éternellement.

Une fois que l’aimant s’est réchauffé à température ambiante à l’extérieur du réfrigérateur, son magnétisme redeviendra normal. C'est cool comme quelques degrés de changement de température peuvent avoir un impact sur le champ magnétique invisible !

Aimants cuits au four :

Voici une expérience pour montrer que la chaleur affaiblit les aimants. Prenez des aimants et faites-les cuire au four à basse température de 150 degrés F (65 degrés) pendant 10-20 minutes. Après la cuisson, retirez les aimants et testez leur force de traction.

Essayez de ramasser des trombones ou des petits clous. Vous devriez remarquer que la chaleur rend les aimants moins puissants. La cuisson a réduit leur attraction magnétique dans le four chaud. Cela montre que même une chaleur douce peut perturber les champs magnétiques invisibles des aimants permanents.

Attraction magnétique :

Prenez deux aimants puissants. Collez un aimant sur un sac de glace pour qu'il fasse très froid. Collez l'autre aimant sur un pack chauffe-mains pour qu'il soit bien chaud. Maintenant, essayez de rapprocher lentement les deux aimants l’un vers l’autre.

Faites attention à la force avec laquelle les pôles opposés s’attirent et se collent. Vous remarquerez qu’il est beaucoup plus difficile pour l’aimant chaud d’attirer l’aimant froid.

L'aimant froid a toujours un magnétisme puissant, mais la chaleur affaiblit le magnétisme de l'aimant chaud. Cela démontre qu’une température plus élevée réduit les forces magnétiques invisibles entre les aimants. Génial!

Aimants fondus :

Avec l’aide d’un adulte, tu peux montrer comment les aimants perdent leur magnétisme lorsqu’ils sont trop chauffés. Utilisez soigneusement des plaques chauffantes ou des fours pour chauffer un aimant au-delà de 770 degrés (1 418 degrés F). C'est plus élevé que leur température de Curie, où ils cessent d'être magnétiques.

Après avoir autant chauffé l’aimant, il ne doit plus coller aux objets métalliques ni repousser les autres aimants !

Jouer avec des aimants et des températures élevées peut être dangereux, alors demandez à un adulte de vous aider à surveiller les choses en toute sécurité. Mais il est intéressant de voir comment la température peut supprimer les pouvoirs magnétiques invisibles d’un aimant. Soyez toujours très prudent et ne menez des expériences que sous la surveillance appropriée d'un adulte.

Conclusion

La température a un impact important sur les aimants. Les aimants permanents comme le fer ou le néodyme perdent tout magnétisme au-dessus du point de Curie. Une température plus froide améliore leur intensité de champ.

Les électroaimants s'affaiblissent progressivement lorsqu'ils sont plus chauds en raison d'une conductivité électrique plus faible. Mais le froid propulse les électroaimants supraconducteurs à des champs très élevés. Un contrôle minutieux de la température est vital. Garder les aimants permanents à l’écart de la chaleur extrême préserve le magnétisme.

Les électro-aimants de refroidissement permettent des champs magnétiques plus forts. L’exploitation du chaud et du froid ouvre la voie à de nouvelles applications magnétiques dans les domaines de la science, de la médecine et de l’ingénierie.

FAQ sur la façon dont la température affecte les aimants

Comment puis-je savoir si un aimant a été affecté par la température ?

Testez la force de l'aimant en mesurant son champ magnétique ou sa capacité à soulever un poids connu. Comparez les spécifications pour déterminer toute perte de magnétisme.

Quelle est la température de Curie d'un aimant ?

La température de Curie est le seuil où un matériau perd ses propriétés magnétiques permanentes en raison des effets thermiques.