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Comment déterminer la force magnétique d'un aimant ?
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Les aimants se trouvent couramment dans les moteurs, les dynamos, les réfrigérateurs, les cartes de crédit et de débit et les équipements électroniques tels que les micros électriques, les hautparleurs stéréo et les disques durs d’ordinateur. Il peut s’agir d’aimants permanents, de formes naturellement magnétiques de fer, d’alliages ou d’électroaimants. Les électromagnétiques créent un champ magnétique lorsqu’un courant électrique traverse une bobine de fil enroulée autour d’un noyau de fer. Il existe plusieurs facteurs qui influent sur la force des champs magnétiques, mais aussi plusieurs façons de déterminer la force de ces champs.

1. Considérez les caractéristiques d’un aimant.

Les propriétés magnétiques sont décrites en utilisant les caractéristiques suivantes.

La force de champ magnétique coercitive (Hc ou Bc). Elle représente le point où l’aimant peut être démagnétisé par un autre champ magnétique. Plus ce nombre est élevé, plus il est difficile de démagnétiser l’aimant.
La densité de flux magnétique résiduel (Br). C’est le flux magnétique maximal que l’aimant peut produire.
La densité d’énergie globale est liée à la densité de flux magnétique (Bmax). Plus ce nombre est élevé, plus l’aimant est puissant.
Le coefficient de température de la densité de flux magnétique résiduel (Tcoef de Br) est exprimé en pourcentage de degrés Celsius et décrit comment le flux magnétique diminue à mesure que la température de l’aimant augmente. Un Tcoef de Br de 0,1 signifie que si la température de l’aimant augmente de 100 °C, son flux magnétique diminuera de 10 pour cent.
La température de fonctionnement maximale (Tmax) est la température la plus élevée à laquelle l’aimant peut fonctionner sans perdre sa force magnétique. Une fois que la température tombe en dessous de Tmax, l’aimant récupère sa pleine intensité de champ magnétique. Si l’aimant est chauffé au-dessus de Tmax, il perdra une partie de sa force de champ magnétique en permanence après refroidissement à sa température de fonctionnement normale. Si, cependant, l’aimant est chauffé à sa température Curie, en abrégé Tcurie, il sera démagnétisé.

2. Notez le matériau à partir duquel est fabriqué un aimant permanent.

Les aimants permanents sont généralement fabriqués à partir de l’un des matériaux suivants.

L’alliage de néodyme, fer et bore. Ce dernier a la plus grande densité de flux magnétique (12 800 gauss), idem pour la force de champ magnétique coercitive (12 300 Oe) et la densité d’énergie globale (40). Il a la température de fonctionnement maximale et la température Curie la plus basse, de 150 °C et 310 °C respectivement et un coefficient de température de - 0,12.
L’alliage de cobalt et samarium. Il a la seconde force de champ coercitive la plus élevée, de 9 200 œrsteds. Mais sa densité de flux magnétique est de 10 500 gauss et sa densité d’énergie globale de 26. Sa température de fonctionnement maximale est beaucoup plus élevée que pour l’alliage de bore, de fer et de néodyme à 300 °C, de même que sa température Curie de 750 °C. Son coefficient de température est de 0,04.
L’alnico est un alliage d’aluminium, de nickel et de cobalt. Il a une densité de flux magnétique proche de celle de l’alliage de bore, de fer et de néodyme (12 500 gauss), mais une force de champ magnétique coercitive beaucoup plus faible (640 œrsteds) et par conséquent une densité d’énergie globale de seulement 5,5. Il a une température de fonctionnement maximale plus élevée que le samarium-cobalt, de 540 °C, ainsi qu’une température Curie plus élevée, de 860 °C et un coefficient de température de 0,02.
Les aimants en céramique et ferrite ont des densités de flux et des densités d’énergie beaucoup plus faibles que les autres matériaux, de 3 900 gauss et 3,5. Leur densité de flux magnétique, cependant, est beaucoup plus élevée que l’alnico (3 200 œrsteds). Leur température de fonctionnement maximale est identique à celle du samarium-cobalt, mais leur température Curie est beaucoup plus basse, soit 460 °C et leur coefficient de température est de - 0,2. Par conséquent, ils perdent leur force du champ plus rapidement que les autres matériaux.

3. Comptez le nombre de tours dans la bobine d’un électroaimant.

Plus la bobine tourne par longueur du noyau, plus la force du champ magnétique est importante. Les électroaimants commerciaux ont des noyaux importants fabriqués à partir de l’un des matériaux magnétiques qui ont été décrits ci-dessus, et autour duquel tourne une grosse bobine. Cependant, un électroaimant simple peut être réalisé en enroulant une bobine de fil autour d’un clou et en attachant ses extrémités à une batterie de 1,5 volt.

4. Mesurez le courant circulant à travers la bobine électromagnétique.

Utilisez un multimètre pour réaliser cette étape. Plus le courant est fort, plus le champ magnétique généré l’est aussi.
L’ampère-tour par mètre est une autre unité métrique permettant de mesurer la force du champ magnétique. Elle représente la façon dont, si le courant, le nombre de bobines ou les deux augmentent, la force du champ magnétique augmente.

5. Créez un support pour une barre aimantée.

Vous pouvez créer un porte-aimant très simple à l’aide d’une épingle à linge et d’une tasse en papier ou en styromousse. Cette méthode sera adaptée pour enseigner aux élèves en école primaire les bases des champs magnétiques.

Scotchez une des extrémités longues d’une épingle à linge au fond de la tasse.
Placez la tasse avec l’épingle à linge à l’envers sur une table.
Insérez l’aimant dans la pince à linge.

6. Insérez un trombone dans un crochet.

La façon la plus simple de le faire est de retirer l’extrémité extérieure du trombone. Vous devrez pouvoir accrocher plus de trombones sur le crochet.

7. Ajoutez d’autres trombones pour mesurer la force de l’aimant.

Touchez le trombone plié sur l’aimant à l’un de ses pôles. La partie attachée du crochet devrait rester libre. Accrochez les trombones au crochet et continuez jusqu’à ce que le poids des trombones entraine la chute du crochet.

8. Notez le nombre de trombones qui ont provoqué la chute du crochet.

Lorsque vous aurez ajouté un nombre suffisant de trombones et que le crochet sera tombé de l’aimant, notez soigneusement le nombre exact de trombones qui a provoqué cette chute.

9. Ajoutez le ruban adhésif au pôle magnétique.

Mettez 3 petites bandes de ruban adhésif sur le pôle de l’aimant et fixez à nouveau le crochet.

10. Ajoutez des trombones sur le crochet jusqu’à ce qu’il tombe de l’aimant.

Répétez la méthode précédente pour suspendre les trombones au crochet, jusqu’à ce qu’il finisse par se détacher de l’aimant.

11. Écrivez le nombre de trombones ayant provoqué la chute du crochet.

Assurez-vous de noter à la fois le nombre de bandes de ruban adhésif et le nombre de trombones utilisés.

12. Répétez les étapes précédentes plusieurs fois.

Ajoutez chaque fois plus de bandes de ruban adhésif. Notez chaque fois le nombre de trombones utilisés pour que le crochet se détache de l’aimant. Vous devriez remarquer qu’après avoir ajouté de nouvelles bandes de ruban adhésif, il aura fallu de moins en moins de trombones pour faire tomber le crochet.

13. Calculez la référence ou la tension d’origine.

Vous pouvez utiliser pour cela un gaussmètre, également connu sous le nom de magnétomètre ou un détecteur de champ électromagnétique, un dispositif portatif qui mesure la force et la direction d’une force de champ magnétique. Ils sont très faciles à trouver et utiliser. La méthode du gaussmètre est adaptée pour enseigner aux collégiens et lycéens les bases des champs magnétiques. Voici comment commencer à utiliser cet appareil.

Réglez la tension maximale lisible sur 10 volts DC.
Lisez la tension affichée en écartant l’appareil de l’aimant. Il s’agit de la tension de référence ou d’origine, représentée par la valeur V0.

14. Touchez l’un des pôles de l’aimant avec le capteur du compteur.

Sur certains gaussmètres, ce capteur, appelé capteur à effet Hall, est intégré à une puce de circuit intégré, vous permettant de relier le pôle de l’aimant à un capteur.

15. Enregistrez la nouvelle tension.

Représentée par la valeur V1, la tension va monter ou descendre, selon le pôle de l’aimant qui touche le capteur à effet Hall. Si la tension augmente, le capteur touche le pôle sud de l’aimant. Si la tension diminue, le capteur touche le pôle chercheur nord de l’aimant.

16. Indiquez la différence entre la tension de référence et la nouvelle tension.

Si le capteur est étalonné en millivolts, divisez le résultat par 1 000 pour convertir les millivolts en volts.

17. Divisez le résultat par la sensibilité du capteur.

Par exemple, si le capteur a une sensibilité de 5 millivolts par gauss, vous diviseriez le résultat par 5. S’il a une sensibilité de 10 millivolts par gauss, vous diviseriez le résultat par 10. La valeur que vous obtiendrez est la force de champ magnétique de l’aimant exprimée en gauss.

18. Répétez pour tester la résistance du champ magnétique.

Vous testerez la résistance du champ magnétique à différentes distances de l’aimant. Placez le capteur à une série de distances définies à partir du pôle de l’aimant et enregistrez les résultats.