Imán permanente



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Un imán permanente , o simplemente un imán en el lenguaje común, es un objeto hecho de un material magnético duro, es decir, uno con gran magnetización remanente y campo coercitivo (ver más abajo). Esto le confiere propiedades particulares ligadas a la existencia del campo magnético, como la de ejercer una fuerza de atracción sobre cualquier material ferromagnético .

Etimología

La palabra imán es, como la palabra diamante , derivada del griego antiguo , adámas ("hierro o diamante particularmente duro"), relacionado con el adjetivo , adámastos, ("indomable"), debido a la dureza del imán de piedra. [árbitro. necesario] .

Historia

La historia de los imanes comienza en la Antigüedad.

En China , y un poco más tarde en Grecia , los hombres descubren una piedra negra, la piedra magnética , que tiene el poder de atraer el hierro . Además, esta piedra tiene la capacidad de transmitir su poder al hierro. En la antigüedad, según Plutarco , la piedra del imán se llamaba hueso de Horus y hueso de hierro de Tifón .

Plinio el Viejo escribió: Hay dos montañas cerca del río Indo , una de las cuales retiene y la otra empuja hacia atrás todo tipo de hierro (XXXVI, 25); De esta manera, si te pones clavos en los zapatos, en uno no puedes quitarte el pie, en el otro no te lo puedes poner. "

Dondequiera que se advirtieran estas asombrosas propiedades de la magnetita , apareció la tentación de asociarla con la magia  : "Una piedra magnética colocada debajo de la almohada de una esposa infiel tenía el poder, se decía, de hacerla confesar su falta. La creencia popular atribuía al imán tal fuerza que un solo fragmento era suficiente para curar todo tipo de dolencias e incluso para servir como anticonceptivo .

Hacia el año 1000, en China, la brújula (llamada "aguja del sur"), la primera aplicación de la propiedad de magnetización, hizo su aparición en la navegación marítima. Esta brújula o marinette, que consiste en una aguja de hierro magnetizada por contacto con la piedra magnética, se introducirá en Europa unos dos siglos después en contacto con los árabes. El campo magnético terrestre en el origen de la magnetización de la magnetita permitió al hombre equipado con una marinette estar mejor situado en el espacio y por tanto explorarlo. La palabra magnetismo proviene de la ciudad de Magnesia en Asia Menor. En el XIII °  ingeniero militar del siglo Pierre de Maricourt , Picard viviendo en París y hablado con admiración físico franciscano Roger Bacon , compuso un tratado De Magnete , en el que describe las propiedades del imán. Cristóbal Colón , usando su brújula , puede entonces ir directamente a Cipangu.

Samuel Purchas señala, apenas un siglo después de la muerte de Colón, que "la piedra del magnetismo es la piedra angular, la misma semilla de la que nace el descubrimiento" .

William Gilbert , en su De Magnete (1600), hace por primera vez la distinción entre cuerpos eléctricos (introduce este término) y magnéticos. Asimila la Tierra a un imán, observa las leyes de repulsión y atracción de los imanes por su polo y la influencia del calor en el magnetismo del hierro. También da las primeras nociones sobre electricidad, incluida una lista de cuerpos electrificados por fricción. Las propiedades de magnetización están entonces indisolublemente ligadas a la magnetita.

Hasta hace muy poco, un imán se definía como "un óxido de hierro natural que atrae el hierro y algunos metales" .

La magnetita (Fe 3 O 4 ) no es el único material para fabricar imanes. Se han encontrado las mismas propiedades en muchos otros compuestos minerales. Las aplicaciones se han multiplicado. Hoy en día, encontramos imanes en campos tan diversos como la salud , motores eléctricos que son, de hecho, motores magnéticos, telecomunicaciones , etc.

El volumen de ventas de imanes en el mundo occidental, que superó los diez mil millones de francos (1.5 mil millones de euros) por año en 1994, refleja su importancia en el mundo actual.

Vínculo entre magnetización y momento magnético

La magnetización de un material o medio es su densidad volumétrica de momento magnético (inducido o permanente):

donde denota el momento magnético y el volumen.

La unidad SI de magnetización es amperio por metro (A / m).

Polos

Los polos magnéticos se denominan "norte" y "sur" según los polos geográficos de la tierra a los que son atraídos. A medida que los polos magnéticos de polaridad opuesta se atraen entre sí, deducimos que los polos geográficos de la Tierra tienen una polaridad magnética realmente opuesta a su polaridad geográfica: el Polo Norte geográfico de la Tierra es un polo sur magnético y viceversa.

Los dos polos son inseparables, uno no existe sin el otro (en virtud de una ecuación de Maxwell que muestra la continuidad del campo magnético producido). Los polos indican una dirección de un solo eje que pasa por un punto central, y a lo largo del cual las líneas de campo se alinean (con una repentina inversión de la dirección del campo en las proximidades de este centro): alrededor de estos dos polos, el campo magnético el campo es máximo y está orientado paralelo al eje, mientras que disminuye con la distancia al imán; el efecto combinado de los dos polos forma a partir de este eje líneas de dirección del campo magnético orientadas a lo largo de círculos que pasan por el centro magnético entre los dos polos, estando estos círculos de la misma intensidad de campo dispuestos en un toro que pasa por el centro magnético.

Aplicaciones

Cualquier barra magnética se orienta naturalmente en dirección norte - sur siguiendo las líneas del campo magnético terrestre , siempre que se le deje un eje de rotación libre de todas las limitaciones. Esta propiedad se utiliza en la fabricación de brújulas . Están presentes, por ejemplo, en altavoces, determinadas cerraduras de puertas en un gran número de formas y tamaños (desde imanes minúsculos de 4 mg (cobalto-tierras raras) por ejemplo en relojes eléctricos, hasta imanes de 40 kg fundidos Ticonal 600 estator del generador eléctrico ) .A
principios de la década de 1970, las grandes fábricas podían producir hasta varios cientos de millones al año.

Ejemplos de usos

Los imanes se utilizan ampliamente para fabricar máquinas de corriente continua o máquinas síncronas (por ejemplo, motores de baja potencia) y diversos dispositivos electrónicos y electrotécnicos.

La existencia de un campo magnético en ausencia de corriente se aprovecha para la producción de separadores y sensores , por ejemplo, sensores de proximidad, RMN y por tanto RMN .

Los imanes también se utilizan en el diseño de fuentes dipolo para producir plasmas de microondas. Sin embargo, esto debe verificar las condiciones de acoplamiento RCE (resonancia ciclotrónica electrónica), es decir, 0.0875 tesla para un campo eléctrico giratorio de 2.45  GHz . Generalmente, los imanes utilizados son samario de cobalto o neodimio de boro hierro .

Los imanes se utilizan en varios objetos. Los clips magnéticos son suministros de oficina que le permiten colocar hojas de papel en una pizarra, como un clip o un alfiler; Estos mismos sujetadores se utilizan para soportes de fotos, reemplazando el pegamento o la cinta adhesiva. Los objetos decorativos y utilitarios llamados "  imanes  " se adhieren a ciertos soportes (por ejemplo, refrigerador). Algunas piezas de juego funcionan con imanes, incluidos los juegos de construcción.

Caracteristicas

Los imanes permanentes casi siempre contienen átomos de al menos uno de los siguientes elementos químicos: hierro , cobalto o níquel , o de la familia de los lantánidos ( tierras raras ). Estos elementos tienen propiedades magnéticas pero no necesariamente pueden usarse solos como imanes permanentes. Por tanto, se utilizan aleaciones que tienen propiedades ferromagnéticas duras (un ciclo de histéresis amplio). Los imanes sintéticos se producen sinterizando una aleación de polvos de tierras raras que luego forma una cerámica polarizada bajo el intenso campo de un electroimán . Los imanes naturales son óxidos mixtos de hierro II y hierro III de la familia de la ferrita (óxidos mixtos de un metal divalente y hierro III). También hay imanes moleculares como los imanes de química de coordinación, los imanes organometálicos y los imanes puramente orgánicos ( C H N O ). Todos tienen temperaturas de Curie muy bajas excepto V ( TCNE ) 2 (di-tetracianoetilenida de vanadio).

Ciclos de materiales duros.jpg
  • La inducción remanente B r = µ 0 M sat es la inducción magnética que permanece en el material con excitación magnética cero.
  • El campo de desmagnetización coercitiva ( H cB , en A / m) es la excitación magnética que se debe producir para desmagnetizar este material, pero esta desmagnetización puede ser reversible.
  • El campo coercitivo de desmagnetización irreversible ( H cM o H cJ , en A / m) es la excitación magnética que debe producirse para desmagnetizar el material de manera irreversible. Este último puede ser mayor o igual que el anterior.
  • La  temperatura de Curie : temperatura a la que el material pierde su magnetización, pero no obstante de forma reversible (una vez enfriado, el material recupera sus propiedades ferromagnéticas y puede volver a magnetizarse).

Los materiales duros son interesantes para hacer imanes permanentes porque tienen grandes ciclos de histéresis. Las principales magnitudes a tener en cuenta son B r  : inducción remanente, proporcional a la magnetización del material, y H cM , que es una medida de la capacidad del material para mantener esta magnetización.

Materiales Br en tesla Hc en kA / m Curie T ° en ° C Observaciones varias
Aceros 0,001 hasta 0,02 6 hasta 19 750 Imanes viejos
Ferritas 0,2 hasta 0,4 200 300 El más barato
Alnico 1.2 50 750 hasta 850 Desmagnetizar fácilmente
Samario-cobalto 1.1 800 700 hasta 800 Alto precio debido al cobalto.
Neodimio-hierro-boro 1.3 1500 310 Precio en aumento (tierras raras), sujeto a oxidación

Relación entre la fuerza de contacto y el campo magnético.

Si conocemos la intensidad de la inducción magnética B (en Tesla) producida por el imán en su superficie, podemos calcular una buena aproximación de la fuerza necesaria para despegarlo de una superficie de hierro. Consideramos la fuerza F necesaria para separar el imán por una distancia de la superficie del hierro. La distancia es muy pequeña, así que podemos aceptar que, en todo el volumen entre el imán y el hierro, la inducción magnética es igual a B . El trabajo realizado por la fuerza F es

Este trabajo se convirtió en energía de campo magnético en el volumen creado entre el imán y el hierro. La densidad de energía por unidad de volumen debida al campo magnético es:

J . m 3

Aquí µ es la permeabilidad del aire, casi igual a la del vacío: µ 0 = 4 10 7 H m 1 .

El volumen del espacio creado entre el imán y el hierro es igual a S donde S es el área del imán que estaba pegado al hierro. El trabajo realizado se ha convertido en energía:

Se deduce el valor de la fuerza de contacto:

Para un imán de 2,54  cm (1 pulgada) de diámetro y que produce una inducción magnética igual a 1  tesla en el circuito magnético formado con la parte metálica en contacto con la que está en contacto, la fuerza obtenida es de 205  newtons , es decir , l 'equivalente de la fuerza (peso) ejercida por una masa de aproximadamente 21  kg en el campo de gravedad promedio de la Tierra .

A la inversa y si conocemos la fuerza de contacto de un imán, por esta fórmula podemos tener una aproximación del valor de la inducción magnética creada cerca del imán.

Así, un imán permanente a base de neodimio-hierro-boro con un radio de 2  cm y una fuerza de adhesión de 2  kg (o aproximadamente 20  newtons ) genera una inducción magnética cerca de su superficie de aproximadamente 0.2  tesla , o 2.000  gauss .

Notas y referencias

  1. Los descubridores , D. Boorstin, 1986, Seghers, París.
  2. Plutarco, en Ifide & ofir , en Sympofiac. IV, [1] citado por Charles de Brosses (1760) páginas en Del culto a los dioses fetiches, o Paralelo de la religión antigua de Egipto con la religión actual de Nigritia (285 p.)
  3. Plinio el Viejo, Historia natural , Libro II, Capítulo 97-99 Leer en francés y latín
  4. Los mapas están orientados al norte hacia abajo, en cuanto a la lectura descendente de ideogramas.
  5. Pierre Germa, ¿ Desde cuándo : el diccionario de invenciones , pág.  18
  6. Síntesis y caracterización de imanes precursores moleculares. , Tesis de J.-C. Colin, 1994, Universidad de París XI Orsay.
  7. El texto del Inglés incluye un juego de palabras con la piedra imán , piedra imán y leadstone , piedra que conduce.
  8. Primera definición de imán en el Ilustrado Petit Larousse, 1987.
  9. JS Miller; AJ Epstein, Angew. Chem. En t. Ed. Engl., 1994, vol. 33, pág.  385 .
  10. H. Lemaire ,   materiales duros para imanes permanentes  , Revue de Physique Costura de aplicaciones , vol.  9, n o  5,, p.  819-836 ( ISSN  0035-1687 , DOI  10.1051 / rphysap: 0197400905081900 , leer en línea , consultado el 30 de octubre de 2020 )
  11. Bertran Nogadère, ¿De qué están hechos los imanes », Programa de barcos Les p'tits en France Inter , 21 de abril de 2013
  12. por ejemplo: [Fe (Cp *) 2 ]. [ TCNE ]. CH 3 CN  : JS Miller, AJ Epstein y WM Reiff, Ferromagnetos orgánicos / moleculares , Science , 1988, vol. 240 (4848), pág.  40-47 . DOI : 0.1126 / science.240.4848.40 .
  13. Por ejemplo: R. Chiarelli, MA Novak , A. Rassat & JL Tholence, Una transición ferromagnética a 1,48 K en un nitróxido orgánico , Nature , 1993, vol.363, p.  147-149 . DOI : 10.1038 / 363147a0 .
  14. Hiroyasu Matsuura, Kazumasa Miyake, Hidetoshi Fukuyama, Teoría de la temperatura ambiente Ferromagnet V (TCNE) _x (1.5 <x <2): Papel de las bandas planas ocultas , J. Phys. Soc. Jpn., 2010, vol. 79 (3). arXiv: 1001.3512v2
  15. Aplicación de imanes a máquinas eléctricas, Bernard MULTON
  16. (en-US)   Imanes de cobalto de samario | Arnold Magnetic Technologies   , en arnoldmagnetics.com (consultado el 31 de julio de 2017 )

Ver también

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Opiniones de nuestros usuarios

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