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« Magnétisme: de Langevin à la lévitation magnétique » par Julien Bok LPS-ESPCI LMPQ-Paris 7.

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1 « Magnétisme: de Langevin à la lévitation magnétique » par Julien Bok LPS-ESPCI LMPQ-Paris 7

2 PLAN Introduction 1 - Aimants 2 - Notion de champ magnétique – Electromagnétisme - 3 – Propriétés magnétiques de la matière A – Le Diamagnétisme B – Le Paramagnétisme C – Le Ferromagnétisme D – Les Supraconducteurs Origine atomique des propriétés magnétiques de la matière EXPERIENCE DE MAGNETISME 4 – Applications du magnétisme A – Electroaimants B – Mémoires magnétiques en informatique C – Résonance Magnétique Nucléaire RMN Imagerie Médicale D – Lévitation Magnétique Conclusion FILM

3 Le magnétisme est un des plus anciens phénomènes connus dinteraction à distance. Il est connu depuis lantiquité. Les Grecs, les Romains et les Chinois avaient remarqué que loxyde de fer (Fe) magnétique, la magnétite*, avait la faculté dattirer les objets contenant du fer. Ils avaient également constaté quun morceau de Fe mis en contact avec la magnétite acquérait la même propriété. Au XIème siècle, les Arabes utilisaient le magnétisme pour la navigation en mer avec la boussole (aiguille magnétique flottant sur leau), une invention des Chinois, seize siècles auparavant. *La magnétite: oxyde de Fer de formule Fe 3 O 4 Introduction

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5 2 - Notion de champ magnétique – - Electromagnétisme - lignes de champ magnétique Ainsi laiguille dune boussole soriente dans la direction du champ magnétique terrestre. Les physiciens ont introduit la notion de champ magnétique pour décrire linteraction entre 2 aimants. Ce champ magnétique agit sur un autre aimant. La force magnétique tend à aligner laimant dans la direction du champ magnétique B. Le premier aimant crée un champ magnétique B dans son environnement Champ magnétique

6 2 - Notion de champ magnétique – - Electromagnétisme - Champ magnétique lignes de champ magnétique Ainsi laiguille dune boussole soriente dans la direction du champ magnétique terrestre. Les physiciens ont introduit la notion de champ magnétique pour décrire linteraction entre 2 aimants. Ce champ magnétique agit sur un autre aimant. La force magnétique tend à aligner laimant dans la direction du champ magnétique B. Le premier aimant crée un champ magnétique B dans son environnement

7 Une des expériences qui permet de caractériser ce champ est celui de la limaille de fer : on pose un aimant au milieu de limailles de fer éparpillées et il se dessine alors ce qu'on appelle les lignes de champ ou lignes de force. En fait, le champ magnétique créé par l'aimant transforme chaque grain de limaille de fer en de petits aimants qui s'alignent naturellement selon le champ magnétique.

8 Champ magnétique terrestre

9 Champ magnétique créé par les courants électriques Oersted a observé que le passage dun courant électrique à proximité dune aiguille aimantée faisait dévier cette aiguille, donc créait un champ magnétique. Les lois de lélectromagnétisme permettant de calculer le champ magnétique crée par un courant ont été données par Ampère, Biot et Savart ….. Exemple: champ magnétique dun solénoïde, analogue à un aimant

10 3 – Propriétés magnétiques de la matière La plupart des matériaux saimantent lorsquils sont placés dans un champ magnétique. Ils deviennent eux-mêmes des aimants. Etude expérimentale de laimantation des matériaux On mesure la force exercée sur un barreau aimanté grâce à une balance magnétique : Schéma de la balance de GOUY (Il existe aujourdhui bien dautres systèmes de mesure des aimantations)

11 A – Le Diamagnétisme La plupart des corps sont diamagnétiques. Ils sont repoussés par les aimants. Cest en général un effet très faible.

12 A – Le Diamagnétisme La plupart des corps sont diamagnétiques. Ils sont repoussés par les aimants. Cest en général un effet très faible. N S

13 A – Le Diamagnétisme La plupart des corps sont diamagnétiques. Ils sont repoussés par les aimants. Cest en général un effet très faible. B – Le Paramagnétisme N S Certains corps contenant des métaux comme: Fe, Ni, Co … de façon diluée sont paramagnétiques. Ils sont attirés par les aimants.

14 A – Le Diamagnétisme La plupart des corps sont diamagnétiques. Ils sont repoussés par les aimants. Cest en général un effet très faible. B – Le Paramagnétisme N S Certains corps contenant des métaux comme: Fe, Ni, Co … de façon diluée sont paramagnétiques. Ils sont attirés par les aimants. SN

15 A – Le Diamagnétisme La plupart des corps sont diamagnétiques. Ils sont repoussés par les aimants. Cest en général un effet très faible. B – Le Paramagnétisme N S Certains corps contenant des métaux comme: Fe, Ni, Co … de façon diluée sont paramagnétiques. Ils sont attirés par les aimants. SN C – Le Ferromagnétisme Certains métaux (Fe, Ni, Co, terres rares…et leurs alliages) sont très fortement attirés par les aimants (clous en Fe, épingles, …). Ils restent aimantés en labsence de champ extérieur. Ce sont des aimants permanents.

16 D – Les Supraconducteurs Ex: Pb, Nb Certains métaux à très basse température sont supraconducteurs. Ils sont très fortement repoussés par les aimants. Ce sont des diamagnétiques parfaits, qui excluent complétement le champ magnétique.

17 D – Les Supraconducteurs Ex: Pb, Nb Certains métaux à très basse température sont supraconducteurs. Ils sont très fortement repoussés par les aimants. Ce sont des diamagnétiques parfaits, qui excluent complétement le champ magnétique. Pb à 4K Coupe exclusion des lignes de champ magnétique

18 M = X H X = susceptibilité magnétique cest un nombre sans dimension Etude quantitative de laimantation des matériaux On trouve quà bas champ laimantation M est proportionnelle à H champ magnétique créé par le courant I dans le solénoïde. On écrit: M et H se mesurent en Ampère par mètre M = aimantation, moments magnétiques par unité de volume

19 La force mesurée par la balance de GOUY est directement proportionnelle à M. C est donc un moyen de mesurer M, donc X et sa variation avec la température. Le champ magnétique total est: Schéma de la balance de GOUY B = 0 [ H + M ] Où 0 est une simple constante due au fait que B et H ne sont pas mesurés dans les mêmes unités. Lunité de B est le Tesla.

20 Diamagnétisme < 0, très petit Supraconducteur = -1 B = 0 Paramagnétique > 0, à Ferromagétisme > 0, grand Ex : permalloy (20%Fe-80%Ni)

21 Origine atomique des propriétés magnétiques de la matière Paul Langevin a le premier attribué un petit moment magnétique intrinsèque à certains atomes (quil a appelé: magnéton), analogue à une minuscule aiguille aimantée. Aujourdhui nous connaissons la structure des atomes. Noyau + orbites électroniques se répartissent en couches. Chaque électron possède un moment magnétique intrinsèque appelé SPIN. couches électroniques SPIN

22 Origine atomique des propriétés magnétiques de la matière couches électroniques SPIN Exemple : NaCl (sel de cuisine) est constitué dions Na + et Cl -, ces deux ions ont des couches électroniques externes à 8 électrons de moment magnétique total NUL non paramagnétique. Le diamagnétisme est lié au mouvement orbital des électrons. Le paramagnétisme et le ferromagnétisme sont dus aux spins des électrons. Les électrons ont tendance à sassocier par paires de spins opposés (liaisons chimiques). Le moment magnétique total est alors NUL.

23 Tableau de Mendeleev

24 3d4s4p Fe Fe +++ Fe ++ Ni Ni ++ couches électroniques externes

25 Pierre Curie, dans sa thèse (1895), étudie « Les propriétés magnétiques des corps à diverses températures ». Il établit les lois des variations de laimantation des corps avec la température absolue T.Les expériences faites à lEcole de Physique et Chimie ont été menées grâce à un dispositif, conçu et réalisé par lui-même, qui lui permettait daller jusqu à 1300° C. - Il a découvert que la facilité daimantation des paramagnétiques appelée susceptibilité varie comme 1/T (Loi de Curie). - Pour les ferromagnétiques, il y a une transition vers un état paramagnétique (laimantation diminue fortement et brusquement) au- dessus dune température Tc, dite « température de Curie ». Pour le Fe, Tc = 770° Celsius Paul Langevin (1905) a expliqué lorigine physique de ces lois et les a démontrées théoriquement. Il a montré quil sagit dune compétition entre les forces magnétiques qui tendent à aligner les moments magnétiques et lagitation thermique qui introduit du désordre. En utilisant la physique statistique de L. Boltzman, il a réussi à retrouver théoriquement la loi empirique de Curie.

26 ALIGNEMENT DES MOMENTS MAGNETIQUES DESORDONNES SOUS LEFFET DE LEUR INTERACTION MUTUELLE ET DUNCHAMP MAGNETIQUE EXTERNE INFLUENCE DE LAGITATION THERMIQUE MODELISEE PAR UN AGITATEUR MAGNETIQUE EXPERIENCE DE MAGNETISME

27 4 – Applications du magnétisme Elles sont très nombreuses, voici quelques exemples A – Electroaimants AMARRAGE PAR ELECTRO-AIMANTS GEANTS

28 Ils permettent de soulever des objets en métal magnétique (ferreux) A – Electroaimants Souvent spécifiques, toujours très performants, pour un usage intensif. Linéaires Tirants Poussants Traversants Bistables Réversibles Rotatifs A gauche A droite Bistables Réversibles Ventouses magnétiques A rupture Spécifiques sur mesure Avec électronique intégrée Montage de sous-ensembles

29 B – Mémoires magnétiques en informatique Mémoire Samsung DISQUE MAGNÉTIQUE Disque à têtes fixes (une tête par piste)

30 C – Résonance Magnétique Nucléaire RMN Imagerie Médicale Principe de la RMN Les noyaux des atomes possèdent également un SPIN et donc un moment magnétique. Le moment magnétique du proton (noyau dhydrogène) est environ 2000 fois plus petit que celui de l électron. Dans un champ magnétique B 0, le spin tourne autour de l axe B 0 (précession) comme une toupie inclinée tourne autour d un axe vertical.

31 La fréquence (tours/seconde) de rotation est donnée par: f = / 2 et = B 0 où est appelé rapport gyromagnétique du noyau. Pour le proton à B 0 = 1 Tesla f = 40 MHz (radiofréquence)

32 Lorsquon envoie une onde électromagnétique (radio) sur un système, il y a un pic dabsorption lorsque: fréquence radio = fréquence de précession ( ) On dit qu il y a résonance. Les caractéristiques de la résonance dépendent de lenvironnement chimique, d où IMAGERIE : traitement du signal électrique par linformatique pour le transformer en image.

33 IRM

34 IRM cérébrale fonctionnelle: laire rouge dactivation située dans la région pariétale gauche est obtenue par stimulation sensitive de la paume de la main droite.

35 Les différents contrastes obtenus en écho de spin reposent sur les différences de temps de relaxation longitudinale et transversale quatre tissus

36 D – Lévitation Magnétique Dans les années 1960 débutent les études des trains, appelés Maglev ( MAGnetic LEVitation train ) Ils* flottent grâce à la présence d'un champ magnétique * sont propulsés par la force de champs magnétiques * sont ultrarapides (vitesses 550 km/h) * en utilisant une quantité d'énergie minime * sont plus écologiques Mais * leur coût de construction est très élévé Ce moyen de transport encore en cours de développement est un engin très rapide qui néglige toute force de friction.

37 Principe de fonctionnement : deux pôles magnétiques semblables se repoussent tandis que deux pôles magnétiques contraires s'attirent. Sur la base du train, des électroaimants sont installés pour lui permettre de flotter au-dessus des rails métalliques à une distance d'environ 1 cm. Ainsi, le train peut flotter, même s'il n'est pas en mouvement. Pour avancer, des électroaimants sont placés de manière à ce qu'on retrouve sur le côté du train une succession de pôles magnétiques alternés (NSNS…). Les électroaimants sur les rails sont placés de la même manière. Les pôles Nord du train sont alors attirés par les pôles Sud et repoussés par les pôles Nord des rails. Si on inverse le sens du courant qui parcourt les électroaimants des rails, on inverse aussi la polarisation de tous les électroaimants. Les électroaimants à bord du train sont alors attirés vers des électroaimants des rails qui se trouvent un peu plus loin, et le train se déplace. On peut donc propulser le train en faisant parcourir un courant alternatif dans les électroaimants des rails. Trains à lévitation magnétique par éléctroaimants Les Chinois sont les premiers à inaugurer, en janvier 2003, un train à grande vitesse commercial qu'on appelle Maglev ou Transrapid. Ce train, fabriqué par une compagnie allemande, relie le centre-ville de Shanghai à l'aéroport. Il effectue ce trajet d'environ 30 kilomètres en sept minutes seulement.

38 Railway Technical Research Institute Le principe de propulsion du Maglev

39 Pôle sud magnétique Pôle nord magnétique Principe du Maglev

40 le modèle MLX 01 : avec cinq wagons, bat tous les records… 552 km/h principe utilise la force de répulsion existant entre les aimants supraconducteurs du véhicule et des bandes ou bobines conductrices situées dans le rail de guidage. Ces aimants sont faits dun alliage de niobium et de titane. Chacun deux est maintenu à une température constante de -269°C ! Cela permet aux deux aimants de conserver leur état de supraconducteur donc de nopposer aucune résistance au passage du courant électrique. Maglev japonais Trains à lévitation magnétique supraconductrice

41 CONCLUSION


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