Matériaux magnétiques : propriétés, fonctionnement, types, différences et leurs applications

Il existe différents types de matériaux et également de substances constituées de particules chargées : comme ; électrons et protons. Ces matériaux peuvent présenter certaines propriétés magnétiques lorsqu’ils sont magnétisés par un champ magnétique externe appelé matériaux magnétiques. Ces matériaux présentent des moments magnétiques induits ou permanents dans le champ magnétique. Pour étudier les propriétés magnétiques de ces matériaux, le matériau est généralement placé dans un champ magnétique standardisé, puis le champ magnétique est modifié. Dans la technologie moderne, ces matériaux jouent un rôle clé et constituent des composants importants pour transformateurs , moteurs et générateurs. Cet article fournit de brèves informations sur matériaux magnétiques .

Que sont les matériaux magnétiques ?

Les matériaux magnétisés par un champ magnétique appliqué de l’extérieur sont appelés matériaux magnétiques. Ces substances obtiennent également une magnétisation lorsqu’elles sont attirées par l’aimant. Des exemples de ces matériaux sont : Fer, cobalt et nickel.

Ces matériaux sont classés en matériaux magnétiquement durs (ou) magnétiquement doux.

Les matériaux magnétiquement durs sont magnétisés grâce à un champ magnétique externe très puissant généré par un électro-aimant. Ces matériaux sont principalement utilisés pour créer des aimants permanents fabriqués à partir d'alliages généralement constitués de quantités variables de fer, de nickel, d'aluminium, de cobalt et d'éléments de terres rares comme le samarium, le néodyme et le dysprosium.

Les matériaux magnétiquement mous sont très facilement magnétisés bien que le magnétisme induit soit temporaire. Par exemple, si vous caressez un aimant permanent avec un tournevis ou un clou, il deviendra temporairement magnétisé et générera son faible champ magnétique car un grand nombre de fer atomes sont temporairement alignés dans une direction similaire à travers le champ magnétique externe.

Propriétés

Propriétés des matériaux magnétiques sont l'un des concepts les plus fondamentaux de la physique. Ainsi, les propriétés comprennent principalement : le paramagnétisme, le ferromagnétisme et l'antiferromagnétisme qui sont discutés ci-dessous.

Le paramagnétisme est un type de magnétisme dans lequel certains matériaux sont faiblement attirés par un champ magnétique appliqué à l'extérieur. Il forme des champs magnétiques internes et induits dans la direction du champ magnétique appliqué. En paramagnétisme, les électrons non appariés sont disposés de manière aléatoire.

Le ferromagnétisme est un phénomène dans lequel un matériau comme le fer devient magnétisé et reste magnétisé dans un champ magnétique externe pendant cette étape. En ferromagnétisme, les électrons non appariés sont tous connectés.

L'antiferromagnétisme est une sorte d'ordre magnétique qui se produit principalement lorsque les moments magnétiques des atomes (ou) des ions adjacents s'alignent dans des directions inverses et aboutissent à des moments magnétiques nets nuls. Ce comportement est donc principalement dû à l'interaction d'échange entre les ions ou les atomes voisins, ce qui facilite l'alignement antiparallèle pour réduire l'énergie du système. Habituellement, les matériaux antiferromagnétiques présentent un ordre magnétique sous une température spécifique appelée ; Température Néel. Au-delà de cette température, le matériau deviendra paramagnétique et perdra ses propriétés antiferromagnétiques.

Comment fonctionnent les matériaux magnétiques ?

Ces matériaux comportent de petites régions dans lesquelles le moment magnétique peut être dirigé dans une direction spécifique, appelées domaines magnétiques, qui sont principalement responsables des performances exclusives des matériaux. L’énergie complète des matériaux peut être apportée simplement par l’énergie d’anisotropie, l’énergie d’échange et l’énergie magnétostatique. Chaque fois que la taille du matériau magnétique est réduite, divers domaines du matériau sont alors améliorés. Ainsi, en raison de la réduction de l'énergie magnétostatique, davantage de parois de domaine augmenteront l'énergie d'échange et d'anisotropie. Ainsi, la taille du domaine déterminera la nature du matériau magnétique.

Le moment magnétique n'est pas stable pour certains matériaux qui ont des diamètres de particules plus petits que le diamètre critique du superparamagnétisme. Chaque fois que le diamètre de la particule se situe entre le diamètre critique du superparamagnétisme et du domaine unique, alors le moment magnétique deviendra stable.

Types de matériaux magnétiques

Il existe différents types de matériaux magnétiques disponibles sur le marché, décrits ci-dessous.

Matériaux paramagnétiques

Ces matériaux ne sont pas fortement attirés par un aimant ; étain, magnésium, aluminium et bien d'autres. Ces matériaux ont une faible perméabilité relative mais la perméabilité positive comme l'aluminium est de : 1,00000065. Ces matériaux ne sont magnétisés que lorsqu'ils sont situés sur un champ magnétique très puissant et fonctionnent dans la direction du champ magnétique.

Chaque fois qu'un champ magnétique puissant est fourni à l'extérieur, les dipôles magnétiques permanents les ajustent en parallèle pour le champ magnétique appliqué et augmentent jusqu'à une magnétisation positive. Si l’orientation dipolaire est parallèle au champ magnétique appliqué n’est pas complète, alors la magnétisation est extrêmement faible.

Matériaux diamagnétiques

Ces matériaux sont repoussés par un aimant comme le mercure, le zinc, le plomb, le bois, le cuivre, l'argent, le soufre, le bismuth, etc. sont appelés matériaux diamagnétiques. Ces matériaux ont une perméabilité légèrement inférieure à un. Par exemple, la perméabilité du cuivre est de 0,000005, celle du bismuth est de 0,00083 et celle du bois est de 0,9999995.

Lorsque ces matériaux sont situés dans un champ magnétique extrêmement puissant, ils seront alors légèrement magnétisés et agiront dans la direction opposée au champ magnétique appliqué. Dans ces types de matériaux, il existe deux champs magnétiques assez faibles dus à la révolution orbitale et à la rotation axiale des électrons autour du noyau.

Matériaux ferromagnétiques

Ces types de matériaux fortement attirés par un champ magnétique sont appelés matériaux ferromagnétiques. Des exemples de ces matériaux sont : nickel, fer, cobalt, acier… Ces matériaux ont une perméabilité extrêmement élevée qui va de plusieurs centaines à plusieurs milliers.

Les dipôles magnétiques au sein de ces matériaux sont simplement disposés dans différents domaines où la disposition individuelle des dipôles est considérablement parfaite et peut générer des champs magnétiques puissants. Habituellement, ces domaines sont disposés de manière aléatoire et le champ magnétique de chaque domaine est annulé par un autre et l’ensemble du matériau ne présente pas le comportement d’un aimant.

Chaque fois qu'un champ magnétique externe est fourni à ces matériaux, les domaines se réorientent pour supporter le champ externe et génèrent un champ magnétique interne très puissant. Par déduction du champ externe, la plupart des domaines attendent et continuent d'être alliés dans la direction du champ magnétique.
Par conséquent, le champ magnétique de ces matériaux persiste même lorsque le champ externe s’éloigne. Cette propriété principale est donc utilisée pour produire des aimants permanents que nous utilisons quotidiennement. Les matériaux utilisés dans la fabrication des aimants permanents sont généralement hautement ferromagnétiques comme le fer, le nickel, le néodyme, le cobalt, etc.

Veuillez vous référer à ce lien pour Matériaux ferromagnétiques .

Matières premières magnétiques

Habituellement, les aimants permanents du monde entier sont fabriqués avec différents types de matériaux et chaque matériau présente des caractéristiques différentes. Ces matériaux comprennent principalement : alnico, caoutchouc flexible, ferrite, samarium cobalt et néodyme qui sont discutés ci-dessous.

Ferrites

Le groupe spécial de matériaux ferromagnétiques qui occupent une position intermédiaire entre les matériaux ferromagnétiques et non ferromagnétiques est appelé ferrites. Ces matériaux contiennent de fines particules de matériau ferromagnétique qui possèdent une perméabilité élevée et sont maintenues mutuellement grâce à une résine liante. Dans les ferrites, l'aimantation générée est très suffisante bien que leur saturation magnétique ne soit pas élevée comme les matériaux ferromagnétiques.

Ces matériaux ne sont pas coûteux à produire, ce qui est lié à leur force magnétique. Ceux-ci sont nettement plus faibles que les matériaux des terres rares, mais même s’ils sont encore largement utilisés dans plusieurs applications commerciales. Ces matériaux ont une résistance à la corrosion et à la démagnétisation.

Néodyme

Le néodyme est un élément de terre très rare ((Nd) et son numéro atomique est 60. Il a simplement été découvert en 1885 par le chimiste autrichien Carl Auer von Welsbach. Ce matériau est mélangé à du bore, du fer et également des traces d'autres éléments. comme le praséodyme et le dysprosium pour générer un alliage ferromagnétique appelé Nd2Fe14b qui est le matériau magnétique le plus puissant. Les aimants en néodyme remplacent d'autres types de matériaux dans plusieurs appareils commerciaux industriels et modernes.

Alnico

L'acronyme d'aluminium, de nickel et de cobalt est « alnico », où ces trois éléments principaux sont principalement utilisés dans la création de matériaux magnétiques alnico. Ces aimants sont des aimants permanents très puissants par rapport aux aimants aux terres rares. Les aimants alnico peuvent être remplacés par des aimants permanents à l'intérieur moteurs , haut-parleurs et générateurs.

Samarium Cobalt

Ces aimants ont simplement été développés par le laboratoire des matériaux de l’US Air Force au début des années 1970. Le samarium cobalt ou SmCo est un matériau magnétique fabriqué avec un alliage d'éléments terrestres inhabituels tels que : samarium, cobalt métallique dur, traces de fer, hafnium, cuivre, praséodyme et zirconium. Les aimants samarium-cobalt sont des aimants de terres rares comme le néodyme, car le samarium est un élément d'un élément similaire du groupe des terres rares comme le néodyme.

Matériaux magnétiques et matériaux non magnétiques

Les différences entre ces deux matériaux sont discutées ci-dessous.

Comparaison

La comparaison entre différents matériaux magnétiques est discutée ci-dessous.

Applications

Le applications des matériaux magnétiques inclure les éléments suivants.

• Ceux-ci sont utilisés pour créer et distribuer de l’électricité dans les appareils qui utilisent de l’électricité.
• Ils sont utilisés pour le stockage de données sur des disques audio, vidéo et informatiques.
• Ces matériaux sont largement utilisés dans la vie, la production, la science et la technologie de la défense nationale.
• Ceux-ci sont utilisés dans la fabrication de différents transformateurs et moteurs dans le domaine de la technologie énergétique, de différents composants magnétiques et tubes micro-ondes dans le domaine de la technologie électronique, d'intensificateurs et de filtres dans le domaine de la technologie de communication, de canons électromagnétiques, d'appareils électroménagers et de mines magnétiques dans le cadre de la technologie de défense nationale.
• Ceux-ci sont largement utilisés dans l’exploration minérale et géologique, l’exploration océanique et les nouvelles technologies dans les domaines de l’énergie, de l’information, de l’espace et de la biologie.
• Ces matériaux jouent un rôle important dans le domaine de la technologie électronique et dans d’autres domaines scientifiques et technologiques.
• Ceux-ci sont applicables dans l’électronique, la médecine, l’électrotechnique, etc.
• Ceux-ci sont utilisés dans la fabrication d’appareils électroniques et électriques comme les moteurs électriques, les transformateurs et les générateurs.
• Ceux-ci sont utilisés dans la production de dispositifs de stockage magnétiques tels que : disquettes, lecteurs de disque dur et bandes magnétiques.
• Ces types de matériaux sont utilisés dans la production de capteurs magnétiques comme : Capteurs à effet Hall, capteurs de champ magnétique et capteurs magnétorésistifs.
• Ceux-ci sont applicables dans les équipements médicaux tels que : Appareils IRM, stimulateurs cardiaques et systèmes d'administration de médicaments implantables.
• Ceux-ci sont utilisés dans les méthodes de séparation magnétique, qui servent à déconnecter les particules magnétiques des particules non magnétiques.
• Ces matériaux sont utilisés dans la génération d’énergie renouvelable comme : centrales hydroélectriques et éoliennes.

Ainsi, c'est un aperçu du magnétique matériaux, types, différences, comparaison des matériaux et ses applications. Voici une question pour vous, qu'est-ce qu'un aimant ?