Qu’est-ce que le magnétisme ?

Quel est le principe physique d’attraction de la force magnétique ?

Le magnétisme désigne le principe physique que nous utilisons pour concevoir des produits qui répondent à vos attentes en termes de manipulation, de levage et de transport des métaux ou de filtrage des particules ferreuses afin d’éliminer la contamination dans vos flux de produits. Grâce au magnétisme nous pouvons également recycler ou trier des déchets ou des flux de matières premières.

About magnetism | Goudsmit Magnetics

Magnétite

Autres appellations : pierre de plomb ou minerai ferromagnétique

Dès l'antiquité, on a découvert que les cristaux de magnétite s'attiraient ou se repoussaient selon leur orientation. Ce phénomène physique est appelé le magnétisme. La magnétite, tout comme le magnésium, doit son nom à la région thessalienne de Magnésie dans la Grèce antique, où l'on trouve des pierres magnétiques en grandes quantités.

 

La magnétite doit son magnétisme au fait qu'elle contient du fer. Beaucoup d'alliages de fer sont magnétiques. Outre le fer, le nickel, le cobalt et le gadolinium possèdent eux aussi des caractéristiques magnétiques.

Magnetite and paperclip | Goudsmit Magnetics

Matériaux ferromagnétiques

Magnétique « dur » ou « mou » ?

De tous les matériaux magnétiques, les matériaux ferromagnétiques sont les seuls matériaux suffisamment puissants pour être attirés par un aimant ou être utilisés dans la composition des aimants.

 

Les matériaux ferromagnétiques peuvent être répartis en matériaux magnétiques « mous », comme le fer recuit, qui sont magnétisés, mais qui ne le restent généralement pas, et les matériaux magnétiques « durs » qui eux restent magnétisés.

 

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Magnétisme permanent

Les matériaux ferromagnétiques durs peuvent conserver leur magnétisme

Un aimant permanent est un matériau ferromagnétique dur. Il conserve ses propriétés magnétiques permanentes pendant une longue période après la magnétisation et résiste suffisamment bien à la démagnétisation.

 

Tous les aimants ont 2 pôles appelés pôle nord (N) et pôle sud (S). Les pôles nord et sud s’attirent. L’attraction diminue en fonction du carré de la distance entre eux.

 

Le pôle nord d'un aimant repousse le pôle nord d'un autre aimant et attire le pôle sud d'un autre aimant. De la même manière, deux pôles sud se repoussent.

 

Lignes de champ magnétique

Les lignes de champ sont des lignes imaginaires qui indiquent l’orientation du champ magnétique à un point donné. Elles deviennent visibles lorsque l’on saupoudre de la limaille de fer sur une feuille de papier placée sur un aimant et dans le champ magnétique de ce dernier. La limaille de fer se regroupe alors le long des lignes de champ, les rendant ainsi visibles. Vous pouvez également visualiser les lignes de champ à l’aide d’une aiguille de boussole puisqu’elle pointe toujours dans leur direction.

 

Les lignes de champ définissent à la fois la trajectoire et la direction. À l’extérieur de l’aimant, elles se déplacent du nord au sud tandis qu’à l’intérieur de l’aimant elles convergent du sud au nord. La densité des lignes de champ magnétique représente la force du champ magnétique, également définie comme la densité de flux.

 

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Magnetic Field N-S with field lines | Goudsmit Magnetics

Aimants permanents Goudsmit

Plusieurs matériaux magnétiques et qualités disponibles

La qualité des aimants Goudsmit est telle qu’ils ne perdent pratiquement aucune force magnétique au fil du temps, à condition que vous respectiez nos consignes concernant la plage de température et les champs magnétiques externes, notamment.

 

Nous proposons et utilisons quatre sortes d’alliages aimantés dans nos systèmes. Chaque alliage sert un objectif spécifique. Les principales différences résident dans la force et la résistance à la démagnétisation. La résistance à la démagnétisation dépend du matériau et de la qualité, ainsi que du rapport entre les dimensions.

 

Pour tous les aimants, la force magnétique diminue à mesure que la température augmente. Certains matériaux voient leurs propriétés se dégrader plus vite que d’autres sous l’effet de la chaleur. La résistance à la démagnétisation diminue généralement à mesure que la température augmente, à l’exception de la ferrite dont la résistance à la démagnétisation diminue à mesure que la température baisse.

 

Cliquez sur un matériau magnétique pour plus d’informations sur l’alliage, ses diverses qualités et ses applications spécifiques.

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Goudsmit permanent magnets | Goudsmit Magnetics

Le champ magnétique terrestre

Pôle nord et pôle sud géographiques

La Terre possède son propre champ magnétique formé par un pôle sud magnétique situé près du pôle nord géographique et un pôle nord magnétique situé près du pôle sud géographique. Par conséquent, un aimant libre prendra toujours une orientation nord-sud. C’est cette caractéristique qui donne leur nom aux pôles d'un aimant. Le fait que le pôle sud corresponde au pôle nord magnétique de l’aimant de la Terre et que le pôle nord corresponde au pôle sud magnétique de l’aimant de la Terre est quelque peu déroutant.

 

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Compass | Goudsmit Magnetics

Influence du magnétisme

Réaction de différents matériaux au magnétisme

Les matériaux ferromagnétiques sont le seul type de matériau dont les propriétés magnétiques sont suffisamment exceptionnelles pour entrer dans la composition d’un aimant (c’est pourquoi ils sont considérés comme magnétiques). Toutefois, toutes les autres substances réagissent également à un champ magnétique, mais de manière plus faible, par l’intermédiaire d’un ou de plusieurs autres types de magnétisme.

 

Lorsqu'il est exposé à un champ magnétique, un matériau peut réagir de différentes manières. Nous distinguons plusieurs types de magnétisme, parmi lesquels :

  • le diamagnétisme
  • le ferromagnétisme
  • l’anti-ferromagnétisme
  • le ferrimagnétisme
  • le paramagnétisme
    • le paramagnétisme de Pauli
    • le superparamagnétisme
  • le magnétisme des verres de spin

Lorsque nous parlons de matériau magnétique, nous désignons un matériau qui présente un comportement ferromagnétique ou ferrimagnétique. Les forces qui interviennent dans le comportement diamagnétique et paramagnétique sont nettement plus faibles et ces types de matériaux ne présentent aucun champ magnétique spontané. Nous considérons donc qu’ils ne sont pas magnétiques. Les matériaux diamagnétiques ont tendance à repousser les lignes de champ de leur partie interne tandis que les matériaux ferromagnétiques, ferrimagnétiques et paramagnétiques tendent justement à les concentrer.

 

Exemple pratique de diamagnétisme : l’eau est faiblement diamagnétique, environ quarante fois moins que le carbone pyrolytique, mais cela suffit aux objets lumineux contenant beaucoup d’eau pour flotter s’ils se trouvent dans un champ magnétique fort.

 

Cette grenouille, par exemple, s’est mise à flotter grâce à un électro-aimant d’une intensité magnétique de 16 teslas dans le High Field Magnetic Laboratory (HFML) de l'université Radboud de Nimègue, aux Pays-Bas.

 

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Frog under magnetic levitation | Goudsmit Magnetics

Aimants magnétiques

Axe d’aimantation - anisotropique – isotropique

La plupart des aimants permanents sont anisotropes, ce qui veut dire que l’aimant a une direction préférentielle et qu’il peut être magnétisé uniquement sur un axe. Il est cependant possible de changer l’aimant de façon à inverser les pôles nord et sud. Goudsmit dispose d'appareils de magnétisation très puissants qui assurent une magnétisation des aimants permanents à leur saturation maximale.

 

Nous magnétisons les aimants en les plaçant dans une bobine. À l’aide d’un générateur d’impulsions, nous envoyons alors un courant élevé à travers la bobine pendant une très courte durée. Par conséquent, la bobine génère brièvement un champ magnétique très puissant poussant l’aimant à suivre son axe.

 

Des aimants ferrites sont également disponibles en versions isotropes. Ces aimants ne sont pas comprimés dans un champ magnétique et peuvent donc être magnétisés dans n’importe quelle direction par la suite.

 

Des aimants en forme de segment de ferrite et des aimants Neoflux® sont également disponibles. Ils présentent des propriétés anisotropes selon un axe radial et ne peuvent donc être magnétisés que dans le sens radial.

 

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Courbe (dé)magnétisante

Hystérésis dans les matériaux ferromagnétiques - Courbe BH = courbe hystérésis

L’« hystérésis » est une caractéristique des matériaux ferromagnétiques, comme illustré sur la figure ci-dessous. L'axe x indique la force du champ magnétique H et l'axe y, le degré de magnétisation B (densité de flux magnétique). Lorsqu'il n'y a pas de champ magnétique, il n'y a pas non plus (au début) de magnétisation et la courbe commence seulement.

 

Dès que nous établissons un champ magnétique, le ferro-aimant devient magnétique. Le phénomène se poursuit jusqu’à ce que tous les « domaines de Weiss » se trouvent du même côté dans le matériau. Ce dernier est à présent magnétisé au maximum et une augmentation du champ magnétique n'a plus d’influence sur le degré de magnétisation. Si le champ magnétique est abaissé, les domaines de Weiss resteront partiellement à leur place.

 

Ce n'est que lorsque le champ est à nouveau négatif que la magnétisation totale changera également de sens. Ceci continue jusqu’à ce que tous les spins se trouvent de l'autre côté et que la magnétisation soit totalement inversée. Le produit est à présent démagnétisé.

 

Courbe hystérésis (courbe BH)

Lorsqu'un champ magnétique externe changeant périodiquement H est appliqué, la magnétisation d'un matériau ferromagnétique suit une courbe d'aimantation. Partant d'un matériau « vierge » sans magnétisation nette, la courbe bleue est parcourue lors de la première application d'un champ externe H. Une fois la densité de flux de saturation atteinte, avec l'intensité du champ magnétique HS, la magnétisation n'augmente plus.

 

Si nous inversons ensuite le champ, la magnétisation à la puissance du champ H = 0 n'a pas été totalement réduite à zéro. Il existe une puissance de champ rémanente BR du fait que les « domaines de Weiss » n’ont pas encore repris leur l'état initial.

 

Ce n'est que lorsque le champ appliqué de manière externe a atteint une valeur dirigée de manière opposée que la puissance du champ coercitif Hc (la magnétisation B) devient nulle. Le produit est démagnétisé. La surface de la boucle traversée par une magnétisation alternative est une mesure de la perte. Les matériaux avec de faibles valeurs de Hc et par conséquent de petites boucles d'hystérésis sont appelés matériaux magnétiques mous. Si la valeur de Hc est très grande, les matériaux sont dits magnétiques durs.

 

Rémanence, Br :

La rémanence est l'induction magnétique d'un matériau magnétique pour une puissance de champ nulle (H=0) et après saturation totale.

 

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Courbe hystérésis (courbe BH)

Hysteresis curve / BH curve | Goudsmit Magnetics

Métaux ferreux

Métaux aux propriétés magnétiques

Les métaux ferreux incluent le fer, le cobalt et le nickel. En raison de ses propriétés magnétiques, le gadolinium est parfois également compté parmi les métaux ferreux. Tous les autres métaux sont classés parmi les métaux non ferreux.

 

Les métaux ferreux jouent un rôle économique important, davantage par leur abondance que par leur rareté. Cette abondance a d’ailleurs conduit au développement d’innombrables applications techniques. La valeur économique des métaux ferreux est déterminée par leur quantité Pour les métaux non ferreux (beaucoup plus rares), la valeur est uniquement déterminée par la qualité : il y en a peu et ils sont très recherchés.

 

Dans le traitement des déchets, il est également important d’un point de vue économique de faire la distinction entre les métaux ferreux d'une part et les non ferreux d'autre part. C’est pourquoi il est intéressant de séparer les deux groupes à un stade précoce du processus de recyclage. Cette séparation peut être facilement réalisée à l’aide d’aimants de recyclage et de tri.

 

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Magnétisme indésirable

Magnétisation indésirable des matériaux ferromagnétiques

Les matériaux ferromagnétiques (ou conducteurs magnétiques) tels que le fer et l’acier peuvent facilement devenir magnétiques. Selon le type de matériau ou d’alliage, le produit reste magnétique. C’est ce qu’on appelle le magnétisme rémanent. Même l’acier inoxydable non ferrique peut devenir magnétique après avoir été soudé ou déformé.

 

Le magnétisme constaté provient souvent d’autres sources magnétiques comme les aimants de levage, les tables de tension, les haut-parleurs ou les systèmes de transport magnétiques. Mais les champs magnétiques autour des transformateurs, des câbles de soudage et des processus de soudage peuvent aussi constituer une source magnétique. Qui plus est, certaines manipulations telles que percer, poncer, scier et sabler peuvent engendrer un magnétisme rémanent dans le matériel. Ceci peut même se produire pour l'acier inoxydable.

 

Les conséquences du magnétisme résiduel peuvent être ennuyeuses, voire très onéreuses. Un petit écrou qui reste collé au tournevis est bien pratique, mais deux produits qui collent l’un à l’autre dans une matrice arrêtent la production et coûtent donc beaucoup d'argent. Autres conséquences possibles du magnétisme indésirable : une surface inégale après la galvanisation, des soudures fixées d'un seul côté, une grande usure des paliers et des particules en éclisse.

 

Une démagnétisation du matériau évite ces conséquences.

 

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Unwanted magnetism - demagnetization | Goudsmit Magnetics

Perte des propriétés magnétiques

Perte irréversible

Si nous augmentons la température à la température de Curie, l’aimant perdra définitivement son magnétisme. Les atomes vibrent si intensément qu’il n’y a plus d’orientation globale ; par conséquent, l’aimant se démagnétise. Il en va de même pour les chocs mécaniques, l’oxydation ou l’exposition à des champs externes très puissants.

 

Cette perte ne peut pas être réparée. Elle est irréversible.

 

D’un autre côté, certaines pertes sont réversibles : il s’agit des pertes temporaires de magnétisme, par exemple en raison du changement de température. La perte est réversible grâce à une procédure de refroidissement et/ou de remagnétisation.

 

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Électromagnétisme

Magnétisme généré par un courant électrique

L’électromagnétisme est généré par un courant électrique. En quelque sorte, tout le magnétisme est créé tant par des charges en rotation que des charges électriques tournant dans des courants de Foucault.

 

Physique de l’électromagnétisme

Autour d’un fil conducteur qui est traversé par un courant électrique, un champ magnétique est créé. La densité de flux magnétique (B) générée est exprimée en teslas (T), gauss (G = Vs/m2) ou weber (Wb/m2) :

 

Φ = L * I

B = ΔΦ/ΔS, avec ΔS comme surface[m2].

où :

Φ représente la ligne de champ magnétique exprimée en weber (Wb)
L symbolise l'auto-induction en henry (H)
I désigne la puissance du courant en ampère (A)

 

Nous obtenons un champ magnétique fort à partir de courants élevés ou d’une forte auto-induction. Les courants élevés ne sont pas toujours applicables ou souhaitables, car ils peuvent être dangereux et générer de la chaleur. C’est pourquoi une auto-induction élevée est généralement générée en enroulant un fil autour d’un noyau en fer, appelé « solénoïde ». Ainsi, les champs de tous les enroulements s’additionnent et forment un champ magnétique puissant et inoffensif.

 

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Electromagnetism - BI - right hand rule | Goudsmit Magnetics

Électro-aimants

Magnétisme généré par un courant électrique

Les électro-aimants deviennent magnétiques uniquement sous l’influence d’un courant électrique.

 

Ils sont souvent préférés aux aimants permanents lorsqu’un champ magnétique très puissant et très profond est nécessaire. Un avantage important d’un électro-aimant par rapport à un aimant permanent réside dans le fait qu’il est possible de désactiver ou de modifier rapidement le champ magnétique en réglant la quantité de courant électrique dans les bobines.

 

Les électro-aimants sont généralement composés d’un noyau de matériau ferromagnétique, par exemple du fer mou autour duquel se trouve une bobine. Le noyau reste magnétique tant qu'un courant électrique traverse la bobine.

 

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Electro pot magnet & large electromagnetic coil | Goudsmit Magnetics

Densité de flux magnétique B

Une valeur pour la force magnétique

La densité de flux désigne la quantité de lignes de champ magnétique qui traversent une surface dans un certain point. L’unité SI est T (tesla), qui est égal à weber par mètre carré (Wb/m2). L’unité du système CGS est G (gauss). 1 tesla est égal à 10 000 gauss.

 

À un point donné dans un champ magnétique, vous pouvez voir la densité de flux magnétique comme vecteur dans le sens du champ d’une amplitude égale à la force de Lorentz qu’un fil électrique subit lorsqu’il est orienté perpendiculairement aux lignes de champ.

 

Plus la densité de flux est élevée, plus l’aimant est puissant en ce point et mieux il peut y retenir des particules de fer.

 

Goudsmit peut calculer la densité de flux à l’aide de la méthode des éléments finis (calcul FEM). Ces calculs nous permettent de concevoir plus rapidement et plus efficacement l'aimant adéquat pour un produit ou une application nouveau (nouvelle) ou existant(e). Apprenez-en plus sur les calculs magnétiques et les simulations ici.

 

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Courant de Foucault

Courants d’induction générés par un champ magnétique alternatif

On appelle courant de Foucault un courant d’induction, généré par un champ magnétique alternatif autour d’un matériau électriquement conducteur.

 

Les courants de Foucault sont également appelés « Eddy currents » en anglais. Ce sont des courants électriques qui sont, volontairement ou involontairement, induits dans un conducteur (plat). C’est un phénomène physique qui se produit quand, par exemple, un champ magnétique changeant se trouve dans une plaque métallique. Il peut s'agir d'un champ variable provenant d'une bobine électrique, mais aussi d'un mouvement dans lequel les lignes de champ sont coupées par la plaque. Lorsqu'un conducteur coupe les lignes de champ magnétique, un courant y est induit.

 

Pour nos séparateurs à courants de Foucault, nous utilisons ce principe pour séparer les métaux non ferreux des flux de matériaux à des fins de recyclage.

 

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Mesurer le magnétisme

Gaussmètre ou teslamètre

La façon la plus simple de déterminer le magnétisme est d'utiliser un trombone. Attaché à une ficelle, celui-ci est déplacé au-dessus de la surface et vous permet de détecter les zones magnétiques. Si le produit attire le trombone et que celui-ci y reste collé, la densité de flux magnétique est d'au moins 20 gauss. À moins de 20 gauss, le trombone se détache et à plus de 40 gauss, il reste fortement collé.

 

La limaille de fer reste collée à partir de 10 gauss. C'est très peu sachant que le magnétisme terrestre est d'environ 0,5 gauss (selon l'endroit sur la Terre).

 

L’utilisation d’un gaussmètre ou teslamètre, également appelé magnétomètre, permet de mesurer la puissance et la direction exactes du champ.

 

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Magnetism / gaussmeter / teslameter | Goudsmit Magnetics

Dangers du magnétisme

Dangers des champs magnétiques

Les aimants Néodyme-Fer-Bore (NdFeB) sont commercialisés chez Goudsmit sous le nom de Neoflux®. Ces aimants sont très puissants. Les aimants en néodyme, plus petits qu'une pièce d’un centime, peuvent soulever 10 kg !

 

Par conséquent, ces aimants sont également dangereux, car ils peuvent coincer la peau et les doigts lorsqu’ils attirent un objet en fer/acier.

 

Les aimants en néodyme sont fabriqués avec des poudres et des revêtements spéciaux et sont donc friables et fragiles. Ils peuvent facilement se briser à des températures supérieures à 150 ºC ou lorsqu'ils s'entrechoquent. Leur rupture est si soudaine et violente que les particules qui s’en dégagent peuvent provoquer des lésions aux yeux ou d'autres blessures.

 

Les aimants en néodyme doivent toujours être conservés loin des appareils électriques, des cartes magnétiques (bancaires), des anciens écrans (profonds), des stimulateurs cardiaques, des montres, etc., car ils peuvent causer des dommages permanents à ces dispositifs.

 

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Quelques pictogrammes d’avertissement et d’interdiction liés aux aimants que vous pouvez rencontrer ou utiliser :

Warning for magnetic field | Goudsmit Magnetics