L'histoire des aimants - Un regard sur l'histoire du magnétisme

La longue histoire des aimants et la découverte du magnétisme ont commencé avec la découverte des magnétites. Il est impossible de nommer un véritable inventeur des aimants, car des matériaux naturels, tels que les magnétites, aux propriétés magnétiques, existent bel et bien, mais ils ont été découverts plutôt qu'inventés. Le nom « aimant » provient probablement de sites antiques de la région grecque de Magnésie. La découverte des aimants est souvent attribuée à Thalès de Milet Selon la légende, le philosophe grec aurait observé les premières magnétites lors de leur découverte en 600 av. J.-C. Il était constamment engagé dans ses recherches, étudiant les forces d'attraction entre les aimants et l'ambre résineux.
Ce minéral noir composé de fer et d'oxygène, appelé hydroxyde de fer, se forme naturellement par volcanisme. Aujourd'hui, plus de 9 600 sites ont été répertoriés.

La découverte des magnétites a changé le monde entier. Grâce aux recherches modernes et aux avancées sur le magnétisme en physique, les aimants sont désormais utilisés dans de nombreux domaines. Ils sont utilisés, par exemple, dans les domaines suivants :

• disques durs
• moteurs électriques
• écrans d'ordinateur
• téléviseurs
• microphones
• haut-parleurs

Cependant, les pierres magnétiques ont également trouvé une application dans les jouets, comme les blocs de construction faits d'aimants, et même dans les bijoux.

Où ont été utilisés les premiers aimants ?

La magnétite naturelle n'est pas une véritable pierre, mais plutôt un oxyde de fer magnétisé. Les sources chinoises mentionnent pour la première fois ce phénomène attractif au IIIe siècle avant J.-C. La magnétite était souvent appelée la « pierre de l'amour ». Les Chinois lui ont donné ce nom particulier car elle attire le fer, comme une mère aimante attire ses enfants.

L'une des plus anciennes utilisations du magnétisme dans l'histoire est la boussole.
En 200 av. J.-C., les Chinois utilisaient une boussole munie d'une cuillère en magnétite pointant vers le sud. Celle-ci indiquait les quatre directions. À cette époque, la boussole originale était probablement davantage utilisée en feng shui pour la divination. Elle était principalement destinée à déterminer l'orientation de divers bâtiments.

La boussole, telle que nous la connaissons aujourd'hui, fut mentionnée pour la première fois au Ier siècle apr. J.-C., lorsqu'une aiguille flottante était utilisée pour déterminer les points cardinaux. On découvrit plus tard que les aimants pouvaient également servir à magnétiser d'autres objets. Même une aiguille en fer tenue près d'une magnétite acquiert des propriétés magnétiques.
L'aiguille magnétique peut ensuite être placée sur du liège. Dès que le liège est posé à la surface de l'eau calme, l'aiguille tourne toujours dans deux directions spécifiques : un côté pointe vers le pôle Sud, l'autre vers le pôle Nord.

Pierre de Maricourt est considéré comme le fondateur de l'étude du magnétisme en physique. Il fut le premier à étudier systématiquement le magnétisme et enregistra ses découvertes le 8 août 1269. Il fit les observations suivantes :

• les pôles magnétiques se repoussent
• leur rupture crée deux aimants supplémentaires

Recherche et application dans les temps modernes

Au XVIIe siècle, la recherche scientifique apporta de nouvelles perspectives grâce aux travaux de William Gilbert. Dans son ouvrage « De Magnete », il décrivit la Terre comme un grand aimant. Il découvrit l'analogie entre le champ magnétique terrestre et différents types d'aimants. Grâce à ce principe, il put enfin expliquer en détail la boussole. Bien que son utilisation fût déjà répandue, le physicien écossais James Clerk Maxwell fut le premier à établir le lien entre magnétisme et électricité en 1864. Les équations de Maxwell, qu'il développa, sont encore connues aujourd'hui. Elles constituent le fondement de l'électricité et du magnétisme. Depuis le XIXe siècle, elles comptent parmi les avancées les plus importantes de la physique et des mathématiques.
D'autres mesures, comme celles d'Henry Gellibrand, révélèrent que le champ magnétique terrestre n'est pas statique, mais qu'il évolue lentement au fil du temps.
Au début du XIXe siècle, la Société magnétique fut fondée à Göttingen et Carl Friedrich Gauss réussit à démontrer que la majeure partie du champ magnétique terrestre provient de l'intérieur de la Terre.

Distinguer les différents aimants

Il existe différents types d'aimants, chacun possédant ses propres propriétés. Les plus courants sont :

• aimant en ferrite
• aimant en néodyme
• aimant AlNiCo
• aimant en samarium-cobalt
• électroaimants

Aimants en ferrite

La plupart des gens ont probablement déjà eu entre les mains un aimant en ferrite, comme aimants de réfrigérateur 3D.
Les aimants en ferrite sont reconnaissables à leur couleur foncée, noire ou anthracite. Les aimants en ferrite dure comptent parmi les matériaux magnétiques les plus utilisés aujourd'hui. Les matières premières sont le dioxyde de fer et le carbonate de strontium. La ferrite dure permet de fabriquer des aimants isotropes et anisotropes. Les aimants en ferrite anisotropes présentent une densité énergétique nettement supérieure à celle des aimants isotropes.
C'est plus de 300 pour cent de plus. Selon la matière première, on les distingue en ferrite de baryum et en ferrite de strontium coercitive.
Les propriétés les plus importantes des aimants permanents en ferrite sont une excellente résistance à la corrosion et des capacités fonctionnelles élevées entre -40 °C et +250 °C.
Ils sont également très résistants aux produits chimiques. De plus, ils sont non toxiques et respectueux de l'environnement pour leur mise en décharge. Les aimants en ferrite peuvent être classés différemment :

Aujourd'hui, les aimants permanents sont utilisés en électrotechnique, dans l'industrie automobile, ainsi qu'en médecine, dans l'exploitation minière et dans la métallurgie. Ils constituent également le cœur de nombreux aimants pour tableaux d'affichage et blocs magnétiques utilisés au bureau ou pour les loisirs.

Aimants en néodyme

Le néodyme, ou « Nd », est une terre rare exploitée pour la première fois par Carl Auer von Welsbach à la fin du XVIIIe siècle. Cependant, il possède une propriété cruciale et importante.
La découverte du néodyme remonte à Carl Friedrich Auer von Welsbach, Carl Gustav Mosander, Per Teodor Cleve et Lecoq de Boisbaudran. Le néodyme métal pur, cependant, n'a été produit qu'en 1925.
Allié au bore et au fer, le néodyme forme le composé NdFeB, qui permet de fabriquer les aimants permanents les plus puissants aujourd'hui. Les aimants en néodyme possèdent une énergie nettement supérieure à celle des aimants en acier AlNiCo et sont donc principalement utilisés lorsque des aimants permanents puissants sont nécessaires dans un espace réduit.

Parmi les exemples notables, on peut citer :

• générateurs
• moteurs
• satellites

Les aimants néodymes classiques sont désignés par un « N » suivi d'un chiffre précis, indiquant leur force magnétique. Les valeurs se situent généralement entre N35 et N50.
L'un des inconvénients des aimants NdFeB est leur extrême sensibilité à la corrosion.

Aimants AlNiCo

Les aimants AlNiCo sont essentiellement des aimants permanents. L'aimant en acier a été développé en 1931. Lors de leur fabrication, les pièces métalliques ferromagnétiques sont magnétisées par un champ magnétique puissant, les transformant en aimants permanents. Leur force magnétique dure donc des décennies.

Les aimants AlNiCo sont composés d'aluminium, de cobalt et de nickel. Selon leur composition, ils contiennent également du fer, du cuivre et du titane. Différents procédés de fabrication permettent de produire des aimants isotropes et anisotropes présentant des forces magnétiques variables. Ces aimants permanents ne peuvent être usinés qu'avec des outils diamantés.
Les aimants permanents sont particulièrement résistants aux solvants, ne supportant que des concentrations d'acide inférieures à 10 %. Les acides inorganiques tels que l'acide citrique ou l'eau de mer endommagent les aimants AlNiCo. Ils présentent également une rémanence élevée et une excellente résistance à la corrosion. De plus, ils sont insensibles aux huiles, aux solvants organiques, à l'alcool et à l'essence. Les aimants AlNiCo peuvent être éliminés de manière écologique si nécessaire.

Aimants samarium-cobalt

Le samarium-cobalt, abrégé « SmCo », a été développé à la fin des années 1960. Il s'agit d'un alliage composé de samarium, une terre rare, et de cobalt. Les abréviations sont « Sm » et « Co ».
Le samarium-cobalt peut être produit sous deux structures d'alliage : SMCo5, qui ne contient pas de fer, et Sm2Co17, qui contient environ 20 à 25 % de fer.
Dans les années 1970, le samarium-cobalt était l'un des matériaux présentant la plus forte densité énergétique connue. Cette valeur est restée inchangée jusqu'à la découverte du néodyme-fer-bore. La poudre métallique de samarium-cobalt est frittée dans des conditions de traitement thermique appropriées, ce qui permet d'obtenir une densité et une orientation magnétique maximales.

Par leur composition, les aimants possèdent un champ magnétique extrêmement puissant. De plus, ils sont particulièrement résistants à la démagnétisation. Leur grande résistance à la corrosion leur permet d'être chauffés jusqu'à 300 °C.

Électroaimants

Les électro-aimants diffèrent fondamentalement des aimants permanents car leur champ magnétique ne dépend pas du matériau magnétique, mais est généré par le flux de courant.
La découverte de l'électromagnétisme au XIXe siècle par Hans Christian Oersted a jeté les bases du développement des électroaimants.

Le fonctionnement des électroaimants repose sur le lien fondamental entre l'électricité et le magnétisme, appelé électromagnétisme. Lorsqu'un courant électrique traverse une bobine de fil (enroulement), un champ magnétique se crée autour de celle-ci. L'intensité de ce champ dépend du courant, du nombre de spires et des matériaux utilisés. Pour amplifier l'effet du champ magnétique, un noyau en matériau ferromagnétique, comme le fer, est souvent inséré dans la bobine. La clé de ce fonctionnement réside dans les pôles, qui peuvent être inversés selon le sens du courant, contrôlant ainsi leur fonctionnement. Les électroaimants sont aujourd'hui utilisés dans de nombreuses technologies, du contrôle de précision des machines industrielles aux appareils du quotidien tels que les haut-parleurs ou les serrures. Ils permettent d'exploiter la puissance du magnétisme de manière ciblée et flexible.

Le principal avantage des électroaimants par rapport aux aimants permanents traditionnels est que leur champ magnétique ne reste actif que tant que le courant circule. Cela permet de les allumer et de les éteindre à volonté, ce qui les rend idéaux pour des applications telles que les moteurs électriques, les relais ou les aimants de levage industriels.