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Attractions et forces répulsives d\'un aimant

Lorsqu'un aimant s'approche d'un matériau ferromagnétique, une force magnétique attractive agit entre les deux corps. C’est tellement puissant, même avec de petits aimants, que vous pouvez clairement les sentir. La cause d'une force magnétique est due à de petits courants électriques ou à des charges mobiles: de très petits courants circulaires au niveau atomique sont responsables, dans un aimant permanent, de la force exercée par ce dernier. Les électroaimants, à leur tour, ne fonctionnent qu'à travers une bobine dans laquelle circule un courant ou une charge en mouvement. En électrostatique, il existe des forces électriques qui, à leur tour, émanent de charges statiques et agissent en même temps sur d'autres charges. De plus, il existe un champ électrique dans l’électrostatique même si un seul pôle est présent.

Les trois forces fondamentales de la physique

Une force magnétique décrit la force qui existe entre deux charges en mouvement. Tous les effets de force en physique reposent sur les trois forces de base: le nucléaire, la gravité et l’électromagnétisme.

Nucléaire

Les forces nucléaires jouent un rôle dans les atomes eux-mêmes et sont la raison pour laquelle elles ne "divergent" pas littéralement. Dans la vie quotidienne, vous n’obtenez rien en réalité. Il peut y avoir une exception: la source d’énergie de la fusion nucléaire commençant tout juste à se développer, l’importance des forces nucléaires et l’idée de l’utiliser pourraient toucher directement un nombre beaucoup plus grand de personnes.

Forces gravitationnelles

Tout le monde peut imaginer quelque chose en dessous: les forces gravitationnelles jouent un rôle dans les très grandes masses - par exemple, la lune est forcée par la force gravitationnelle entre la terre et la lune sur une orbite circulaire autour de la terre. Si la force de gravitation n’était pas présente, la lune volerait de manière tangentielle vers son orbite, de même que les humains et tous les autres corps sur la Terre en rotation.

Forces électromagnétiques

Puisque les forces nucléaires sont au-delà de notre perception directe et que la gravitation ne joue qu’un rôle en ce qui concerne le poids des corps sur Terre, toute autre force qui peut autrement être mesurée est de nature électromagnétique - par exemple, l'attraction entre une charge positive et négative ou entre les pôles nord et sud de deux aimants. Une charge de point électrique positive et une charge de point électrique négative s'attirent. Autant serait bien repoussé les mêmes charges électriques. En conséquence, il existe un champ dit électrique entre les deux charges, qui peut être visualisé avec des lignes de champ. Cependant, ce champ électrique commence également à partir d'une seule charge. Mais lorsqu'il s'agit d'aimants, les charges magnétiques ne peuvent pas être utilisées. De plus, un pôle Sud ou un pôle Nord n'existe jamais seul. Au lieu de cela, les forces magnétiques sont déclenchées par des courants circulaires minuscules et les moments magnétiques résultants au niveau atomique. Le spin électronique de l'électron libre de chaque atome est généralement l'aimant élémentaire le plus puissant du matériau. Si une grande partie des moments magnétiques ou des aimants élémentaires sont alignés en parallèle, la magnétisation est mentionnée. Ensuite, le matériau a un pôle nord et un pôle sud - les deux pôles coexistent toujours, en raison de l'orientation des spins individuels. Les forces magnétiques agissent à leur tour toujours le long du champ magnétique entre les pôles nord et sud. Il peut également être illustré par des lignes de champ. Avec la densité de ces lignes de champ, la force magnétique augmente. De plus, les lignes de champ à l'extérieur de l'aimant pointent toujours du pôle nord au sud.

aimantation, démagnétisation et interaction d'échange

Pour aligner les aimants élémentaires individuels de manière contrôlée, un champ magnétique est requis. Si l'on introduit un corps ferromagnétique dans un tel champ magnétique, les moments magnétiques s'alignent sur celui-ci. L'orientation des aimants élémentaires individuels est fixée par l'interaction d'échange - mais uniquement dans les matériaux ferromagnétiques. Si le champ magnétique externe est à nouveau supprimé après l'alignement des aimants élémentaires, l'interaction d'échange garantit que l'orientation reste constante. À ce stade, il est logique que l’orientation puisse être à nouveau détruite: pour cela, l’énergie de l’interaction d’échange doit être dépassée. Cela peut être fait en fournissant de l'énergie thermique, magnétique ou mécanique. Un fort impact, un champ magnétique externe puissant ou une température élevée du matériau peuvent provoquer une démagnétisation.

force de Lorentz

La force de Lorentz fait référence à la force agissant sur une charge en mouvement dans un champ magnétique. La force de Lorentz est perpendiculaire au champ magnétique et à la direction de déplacement de la charge, tant qu’elles ne sont pas parallèles les unes aux autres.


L'électromagnétisme en tant que bouclier du magnétisme et de l'électrodynamique

La raison pour laquelle les forces électriques et magnétiques sont combinées sous électromagnétisme sont les charges et les forces qu’elles induisent dans différents états de mouvement: les charges dans un état en mouvement provoquent des forces magnétiques et les charges au repos provoquent des forces électriques. L'électrodynamique décrit cette transition entre les deux forces par une transition entre les deux états de mouvement.

Les forces magnétiques peuvent également être comprises sur la base du principe de l’énergie la plus basse possible: Par exemple, un corps tombe au sol car l’énergie potentielle y est la plus basse. De même, l’énergie peut être minimisée dans un système constitué de deux aimants qui se font face: l’énergie magnétique est donc située entre les deux aimants, ce qui est décrit dans chaque cas par le produit énergétique. L'énergie de champ dans l'air diminue avec l'approche des deux aimants. Une fois que les deux aimants se touchent, l'espace aérien et donc la force magnétique qu'il contient sont minimes. À l’approche des aimants, la variation de cette énergie magnétique est donc proportionnelle à la force, qui peut être exprimée par la formule suivante avec la force F et le potentiel énergétique U:

(0)

Est le vecteur de changement des directions spatiales. Si le changement d'énergie du potentiel énergétique est particulièrement fort dans une direction, une force particulièrement forte agit également dans cette direction. Les équations de Maxwell décrivent la dépendance entre les courants et les charges et les champs électriques et magnétiques. Cependant, ils sont très coûteux à résoudre. Une formule d'approximation serait, par exemple, le calcul d'une force magnétique basée sur la surface d'un solénoïde sous forme cylindrique. Le champ magnétique H est d'abord calculé à l'aide de l'approximation suivante. R est le rayon et l (petit L) la longueur de la bobine. La lettre I (grand i) indique le courant traversant la bobine:(1)

A partir d'un champ magnétique H, la densité de flux magnétique B avec la perméabilité magnétique µ du matériau et la perméabilité magnétique du vide peuvent être déterminées comme suit:

(2)

La force F d’un aimant cylindrique est calculée selon la formule suivante, avec la face polaire A:

(3)

De plus, la face polaire du cylindre est:

(4)

Si vous mettez (2) dans (3), vous obtenez le texte suivant:

(5)

En utilisant (4) nous obtenons:

(6)

Maintenant nous plaçons (1) dans (6) et obtenons notre formule pour notre bobine cylindrique de longueur l et de rayon R:

(7)

Pour une bobine de 5 cm avec 1 000 tours et un rayon de 4 cm traversée par un courant de 15 A, il en résulterait une force d’environ 159,7 Newton. Traduit dans un exemple réaliste, cela signifierait qu'une telle bobine ou un tel électro-aimant peut soulever environ 16 kg. Pour une telle bobine et surtout pour le gros courant, ce n'est pas beaucoup. Pour amplifier le champ magnétique ou l'énergie magnétique, un noyau de fer peut être utilisé dans ce cours. En raison de la plus grande perméabilité magnétique µ, la force magnétique augmente exactement de multiples µ.