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

1. « Magnétisme: de Langevin à la lévitation magnétique »  parJulien 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. Introduction Le magnétisme est un des plus anciens phénomènes connus d’interaction à distance. Il est connu depuis l’antiquité. Les Grecs, les Romains et les Chinois avaient remarqué que l’oxyde de fer (Fe) magnétique, la magnétite*, avait la faculté d’attirer les objets contenant du fer. Ils avaient également constaté qu’un 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 l’eau), une invention des Chinois, seize siècles auparavant. *La magnétite: oxyde de Fer de formule Fe3O4

5. 2 - Notion de champ magnétique – - Electromagnétisme - Champ magnétique Les physiciens ont introduit la notion de champ magnétique pour décrire l’interaction entre 2 aimants. lignes de champ magnétique Le premier aimant crée un champ magnétique B dans son environnement Ce champ magnétique agit sur un autre aimant. La force magnétique tend à aligner l’aimant dans la direction du champ magnétique B. Ainsi l’aiguille d’une boussole s’oriente dans la direction du champ magnétique terrestre.

6. 2 - Notion de champ magnétique – - Electromagnétisme - Champ magnétique Les physiciens ont introduit la notion de champ magnétique pour décrire l’interaction entre 2 aimants. lignes de champ magnétique Le premier aimant crée un champ magnétique B dans son environnement Ce champ magnétique agit sur un autre aimant. La force magnétique tend à aligner l’aimant dans la direction du champ magnétique B. Ainsi l’aiguille d’une boussole s’oriente dans la direction du champ magnétique terrestre.

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 aimantsqui s'alignent naturellement selon le champ magnétique. http://www.chez.com/lalevitationmagnetique/utilisationdaimantspermanents.htm

8. Champ magnétique terrestre

9. Champ magnétique créé par les courants électriques Oersted a observé que le passage d’un courant électrique à proximité d’une aiguille aimantée faisait dévier cette aiguille, donc créait un champ magnétique. Les lois de l’électromagnétisme permettant de calculer le champ magnétique crée par un courant ont été données par Ampère, Biot et Savart ….. Exemple: champ magnétique d’un solénoïde, analogue à un aimant http://www.chez.com/lalevitationmagnetique/utilisationdelectroaimants.htm

10. 3 – Propriétés magnétiques de la matière La plupart des matériaux s’aimantent lorsqu’ils sont placés dans un champ magnétique. Ils deviennent eux-mêmes des aimants. Etude expérimentale de l’aimantation des matériaux On mesure la force exercée sur un barreau aimanté grâce à une balance magnétique : (Il existe aujourd’hui bien d’autres systèmes de mesure des aimantations) Schéma de la balance de GOUY http://wwwens.uqac.ca/chimie/Chimie_theorique/Chapitres/chap_14.htm

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

12. A – Le Diamagnétisme La plupart des corps sont diamagnétiques. Ils sont repoussés par les aimants. C’est en général un effet très faible. NS

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

15. A – Le Diamagnétisme La plupart des corps sont diamagnétiques. Ils sont repoussés par les aimants. C’est en général un effet très faible. NS B – Le Paramagnétisme Certains corps contenant des métaux comme: Fe, Ni, Co … de façon diluée sont paramagnétiques. Ils sont attirés par les aimants. S N 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 l’absence 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. Etude quantitative de l’aimantation des matériaux On trouve qu’à bas champ l’aimantation M est proportionnelle à H champ magnétique créé par le courant I dans le solénoïde. On écrit: M = X H M =aimantation , moments magnétiques par unité de volume X = susceptibilité magnétique c’est un nombre sans dimension M et H se mesurent en Ampère par mètre

19. La force mesurée par la balance de GOUY est directement proportionnelle à M . C’ est donc un moyen de mesurer M , doncX et sa variation avec la température. Le champ magnétique total est: B = m0 [ H + M ] Où m0 est une simple constante due au fait que B et H ne sont pas mesurés dans les mêmes unités. L’unité de B est le Tesla. Schéma de la balance de GOUY http://wwwens.uqac.ca/chimie/Chimie_theorique/Chapitres/chap_14.htm

20. Diamagnétisme < 0, très petit 10-6 Supraconducteur = -1 B = 0 Paramagnétique > 0,  10-4 à 10-2 Ferromagétisme > 0, grand  10000 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 (qu’il a appelé: magnéton), analogue à une minuscule aiguille aimantée. Aujourd’hui nous connaissons la structure des atomes. SPIN Noyau + orbites électroniques se répartissent en couches. Chaque électron possède un moment magnétique intrinsèque appelé SPIN. couches électroniques

22. Origine atomique des propriétés magnétiques de la matière 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 s’associer par paires de spins opposés (liaisons chimiques). Le moment magnétique total est alors NUL. SPIN Exemple : NaCl (sel de cuisine) est constitué d’ions Na+ et Cl-, ces deux ions ont des couches électroniques externes à 8 électronsde moment magnétique total NUL non paramagnétique. couches électroniques

23. Tableau de Mendeleev

24. 3d 4s 4p Fe Fe+++ couches électroniques externes Fe+++ Fe++ Ni Ni++ http://wwwens.uqac.ca/chimie/Chimie_theorique/Chapitres/chap_14.htm

25. Pierre Curie, dans sa thèse (1895), étudie « Les propriétés magnétiques des corps à diverses températures ». Il établit les lois des variations de l’aimantation des corps avec la température absolue T.Les expériences faites à l’Ecole de Physique et Chimie ont été menées grâce à un dispositif, conçu et réalisé par lui-même, qui lui permettait d’aller jusqu ’à 1300° C. - Il a découvert que la facilité d’aimantation des paramagnétiques appelée susceptibilité varie comme 1/T (Loi de Curie). - Pour les ferromagnétiques, il y a une transition vers un état paramagnétique (l’aimantation diminue fortement et brusquement) au-dessus d’une température Tc, dite « température de Curie ». Pour le Fe, Tc = 770° Celsius Paul Langevin (1905) a expliqué l’origine physique de ces lois et les a démontrées théoriquement. Il a montré qu’il s’agit d’une compétition entre les forces magnétiques qui tendent à aligner les moments magnétiques et l’agitation thermique qui introduit du désordre. En utilisant la physique statistique de L. Boltzman, il a réussi àretrouver théoriquement la loi empirique de Curie.

26. EXPERIENCE DE MAGNETISME ALIGNEMENT DES MOMENTS MAGNETIQUES DESORDONNES SOUS L’EFFET DE LEUR INTERACTION MUTUELLE ET D’UNCHAMP MAGNETIQUE EXTERNE INFLUENCE DE L’AGITATION THERMIQUE MODELISEE PAR UN AGITATEUR MAGNETIQUE

27. 4 – Applications du magnétisme Elles sont très nombreuses, voici quelques exemples A – Electroaimants AMARRAGE PAR ELECTRO-AIMANTS GEANTS http://www.afcan.org/dossiers_techniques/amarrage.html

28. A – Electroaimants Ils permettent de soulever des objets en métal magnétique (ferreux) Souvent spécifiques, toujours très performants, pour un usage intensif. • Ventouses magnétiques • A rupture • Linéaires • Tirants • Poussants • Traversants • Bistables • Réversibles • Rotatifs • A gauche • A droite • Bistables • Réversibles • Spécifiques sur mesure • Avec électronique intégrée • Montage de sous-ensembles http://www.kuhnke.fr/pages/kuhnke4.htm

29. B – Mémoires magnétiques en informatique Disque à têtes fixes (une tête par piste) DISQUE MAGNÉTIQUE Mémoire Samsung http://perso.wanadoo.fr/daniel.robert9/Digit/Digit_12T.html#MAGNÉTIQUES http://informatique.kelkok.fr

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 d’hydrogène) est environ 2000 fois plus petit que celui de l ’électron. Dans un champ magnétique B0 , le spin tourne autour de l ’axe B0 (précession) comme une toupie inclinée tourne autour d ’un axe vertical. http://www.md.ucl.ac.be/rdgn/fr/animations_IRM_2.htm http://jerome.giraudet.free.fr/recherchermn.htm#2.2.5.%20Séquence%20CP-MAS.

31. La fréquence (tours/seconde) de rotation est donnée par: f = w / 2 pet w = g B0 où g est appelé rapport gyromagnétique du noyau. Pour le proton à B0 = 1 Tesla f = 40 MHz (radiofréquence)

32. Lorsqu’on envoie une onde électromagnétique (radio) sur un système, il y a un pic d’absorption lorsque: fréquence radio = fréquence de précession (w) On dit qu ’il y a résonance. Les caractéristiques de la résonance dépendent de l’environnement chimique, d ’où IMAGERIE : traitement du signal électrique par l’informatique pour le transformer en image.

33. IRM http://www.medical.philips.com/fr/

34. IRM cérébrale fonctionnelle: l’aire rouge d’activation située dans la région pariétale gauche est obtenue par stimulation sensitive de la paume de la main droite.

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

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. http://www2.fsg.ulaval.ca/opus/scphys4/complements/maglev.shtml

37. 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. 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.

38. Railway Technical Research Institute Le principe de propulsion du Maglev http://www2.fsg.ulaval.ca/opus/scphys4/complements/maglev.shtml

39. Principe du Maglev Pôle sud magnétique Pôle nord magnétique

40. Trains à lévitation magnétique supraconductrice Maglev japonais 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 d’un alliage de niobium et de titane. Chacun d’eux est maintenu à une température constante de -269°C ! Cela permet aux deux aimants de conserver leur état de supraconducteur donc de n’opposer aucune résistance au passage du courant électrique. http://www.chez.com/lalevitationmagnetique/leprincipedefonctionnement.htm

41. CONCLUSION