Voir la source de Aimant

[[Image:Magnet 4.jpg|vignette|droite|upright=1.5|Photo d'un aimant lévitant au-dessus d'un [[Supraconductivité|supraconducteur]].]]

Un '''aimant permanent''', ou simplement '''aimant''' dans le langage courant, est un objet fabriqué dans un [[matériau ferromagnétique dur|matériau magnétique dur]], c’est-à-dire dont l'[[aimantation rémanente]] et le [[champ coercitif]] sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés particulières liées à l'existence du [[champ magnétique]], comme celle d'exercer une force d'attraction sur tout [[Ferromagnétisme|matériau ferromagnétique]].

== Étymologie ==
Le mot ''aimant'' est, comme le mot ''diamant'', dérivé du grec ancien {{Grec ancien|ἀδάμας|adámas}}, « fer particulièrement dur, acier » puis « diamant », apparenté à l'adjectif {{Grec ancien|ἀδάμαστος|adámastos}}, « indomptable », en raison de la dureté de la [[pierre d'aimant]]{{refsou}}.

== Histoire ==
L'histoire des aimants commence dans l'Antiquité.

En [[Chine]], puis un peu plus tard en [[Grèce]], des hommes découvrent une pierre noire, la [[pierre d'aimant]], qui a le pouvoir d'attirer le [[fer]]. Qui plus est, cette pierre a la capacité de transmettre son pouvoir au fer<ref name=Boorstin>''Les découvreurs'', D. Boorstin, 1986, Seghers, Paris.</ref>. Dans l'Antiquité, selon [[Plutarque]]<ref>Plutarque, ''in Ifide & ofir'', In Sympofiac. IV, [https://books.google.fr/books?hl=fr&id=bsecIlNrohYC&q=f%C3%A9tichisme#v=snippet&q=f%C3%A9tichisme&f=false] cité par [[Charles de Brosses]] (1760) pages in ''Du culte des dieux fétiches, ou Parallèle de l'ancienne religion de l'Égypte avec la religion actuelle de Nigritie'' (285 p.)</ref>, la pierre d'aimant s'appelait ''os d'[[Horus]]'' et ''le fer os de [[Typhon (mythologie)|Typhon]]''.

[[Pline l'Ancien]] écrivait : {{citation|Il y a auprès du fleuve [[Indus]] deux montagnes, dont l'une retient et l'autre repousse toute espèce de fer (XXXVI, 25) ; de la sorte, si l'on porte des clous aux souliers, dans l'une on ne peut pas retirer son pied, dans l'autre on ne peut pas le poser<ref>Pline l'Ancien, ''[[Histoire naturelle (Pline l'Ancien)|Histoire naturelle]]'', livre II, Chapitre 97-99 [http://agoraclass.fltr.ucl.ac.be/concordances/pline%5Fhist%5Fnat%5F02/lecture/33.htm Lire en français et en latin]</ref>.}}

Partout où ces étonnantes propriétés de la [[magnétite]] sont remarquées, apparaissait la tentation de l'associer à la [[magie (surnaturel)|magie]] : {{citation|Une pierre d'aimant placée sous l'oreiller d'une épouse infidèle avait le pouvoir, disait-on, de lui faire avouer sa faute.
La croyance populaire attribuait à l'aimant une telle force qu'un seul fragment suffisait pour guérir toute sorte de maux et même servir de contraceptif}}<ref name=Boorstin/>.

Vers l'an mille, en Chine, la [[boussole]] (appelée « aiguille du sud »<ref group=note>Les cartes étant orientées le nord en bas, comme pour la lecture descendante des idéogrammes.</ref>), première application de la propriété d'aimantation, fait son apparition dans la navigation maritime. Cette boussole ou marinette, qui est constituée d'une aiguille de fer aimantée par contact avec la pierre d'aimant, sera introduite en [[Europe]] environ deux siècles plus tard au contact des Arabes. Le [[champ magnétique]] terrestre à l'origine de l'aimantation de la magnétite a permis à l'homme muni d'une marinette de mieux se situer dans l'espace et donc de l'explorer. Le mot [[magnétisme]] vient de la ville de [[Magnésie du Méandre|Magnésie]] en Asie Mineure<ref>{{Ouvrage |langue=fr|auteur1=Pierre Germa |titre=Depuis quand ? |sous-titre=le dictionnaire des inventions |éditeur=|lieu= |année=|pages totales= |passage=18 |isbn= |lire en ligne= }}</ref>. Au {{s-|XIII}}, l'ingénieur militaire [[Pierre de Maricourt]], Picard vivant à Paris et dont parle avec admiration le physicien franciscain [[Roger Bacon]], compose un traité intitulé ''De Magnete'', dans lequel il décrit les propriétés de l'aimant. [[Christophe Colomb]], à l'aide de son [[Compas (navigation)|compas]], peut ainsi filer droit sur « Cipangu »<ref name=Colin>''Synthèse et caractérisation d'aimants à précurseur moléculaire'', Thèse de J.-C. Colin, 1994, Université de Paris XI Orsay.</ref>.

[[Samuel Purchas]] fait remarquer, un siècle à peine après la mort de Colomb, que {{Citation|la pierre d'aimant est la pierre angulaire<ref group=note>Le texte en anglais comporte un jeu de mots sur ''{{lang|en|loadstone}}'', [[pierre d'aimant]] et ''{{lang|en|leadstone}}'', pierre qui conduit.</ref>, la semence même d'où naît la découverte}}.

[[William Gilbert (astronome)|William Gilbert]], dans son ''De Magnete'' (1600), effectue pour la première fois la distinction entre corps électrique (il introduit ce terme) et magnétique. Il assimile la Terre à un aimant, note les lois de répulsion et d'attraction des aimants par leur pôle et l'influence de la chaleur sur le magnétisme du fer. Il invente aussi le mot [[électricité|électrique]]{{ref|{{CNRTL|électrique<!--racine, et non pas électricité même si expliqué dans [[Électricité]]. -->}}.}} sur la racine grecque « ambre jaune », et établit une liste des corps électrisables par frottement. Les propriétés d'aimantation sont alors, pour les pierres, indissociablement liées à la magnétite.

[[Charles de Coulomb]] en 1785 formule pour la première fois la force d'attraction entre deux aimants, et [[Hans Christian Ørsted]] en 1805 l'associe au courant électrique.{{sfn|Dictionnaire des Sciences|pp=541-542.}}
[[Pierre Weiss (physicien)|Pierre Weiss]] en 1906 explique l'aimantation permanente ([[domaine de Weiss]]).{{ref|{{citation|Seule une très petite minorité de matériaux garde une aimantation...une interaction puissante entre les boucles  électriques atomiques faites par chaque électron sur son orbite, (les rotations satellitaires), tend à aligner celles-ci suivant une même direction.}}... et aboutit à constituer un aimant permanent... {{Harvsp|Dictionnaire des Sciences|p=542}} - (en gros comme s'il s'agissait d'un ensemble de [[tore]]s orientés, (bobines électriques sans noyau, particules ponctuelles ne produisant pas de [[rayonnement ionisant|rayonnement]]), au niveau atomique, parcourus perpétuellement par un courant continu constant-).}}

Jusqu'à très récemment, un aimant est défini comme {{Citation|un oxyde naturel de fer qui attire le fer et quelques métaux}}<ref>Première définition d'un aimant dans le Petit Larousse illustré, 1987.</ref>.

== Lien entre l'aimantation et le moment magnétique ==
{{Article détaillé|Aimantation}}

L'aimantation <math>\vec J</math> d'un matériau ou d'un milieu est sa [[grandeur volumique|densité volumique]] de [[moment magnétique]] (induit ou permanent) :
:<math>\vec J=\frac{\mathrm d\vec M}{\mathrm dV}</math>
où <math>\vec M</math> désigne le [[moment magnétique]] et <math>V</math> le volume.

L'[[unité de mesure|unité]] [[système international d'unités|SI]] d'aimantation est l'[[ampère par mètre]] (A/m).

== Pôles ==
[[Fichier:Magnetic field near pole.svg|vignette|droite|150px|Pôles d’un aimant dipolaire et orientation des lignes de champ magnétique visibles sur les pôles de l’aiguille aimantée d’une boussole au voisinage des pôles de l’aimant.]]
{{Article détaillé|Pôle magnétique|Dipôle magnétique|Champ magnétique terrestre}}

Les pôles magnétiques sont nommés « nord » et « sud » en fonction des pôles géographiques terrestre vers lesquels ils sont attirés. Comme les pôles magnétiques de polarité opposés s'attirent mutuellement, on en déduit que les pôles géographiques terrestres ont une polarité magnétique en réalité opposée à leur polarité géographique : le [[pôle Nord]] géographique terrestre est un [[Champ magnétique terrestre|pôle sud]] magnétique, et inversement.

Les deux pôles sont indissociables, l’un n'existe pas sans l’autre (en vertu d’une [[Équations de Maxwell|équation de Maxwell]] montrant la continuité du champ magnétique produit). Les pôles indiquent une direction d’un axe unique passant par un point central, et le long duquel les lignes de champs viennent s’aligner (avec une inversion brutale de la direction du champ au voisinage de ce centre) : autour de ces deux pôles, le champ magnétique est maximum et orienté parallèlement à l’axe, tandis qu’il décroît avec la distance à l’aimant ; l’effet combiné des deux pôles forme hors de cet axe des lignes de direction du champ magnétique orientées le long de cercles passant par le centre magnétique entre les deux pôles, ces cercles de même intensité du champ étant disposés sur un [[tore]] passant par le centre magnétique.

== Applications ==
Tout barreau aimanté s'oriente naturellement dans la direction [[nord]]-[[Point cardinal|sud]] suivant les lignes du [[champ magnétique terrestre]], pour peu qu'on lui laisse un axe de rotation libre de toutes contraintes. Cette propriété est utilisée dans la fabrication des [[boussole]]s. Ils sont par exemple présents dans les haut-parleurs, certains verrous de portes sous un grand nombre de formes et de taille (de minuscules aimants de 4 mg (Cobalt-Terres rares) par exemple dans les montres électriques, jusqu'à des aimants de 40 kg coulés en Ticonal 600 (ex. : aimant de [[stator]] de [[générateur électrique]])<ref name= Lemaire1974/>. <br>Au début des années 1970, de grandes usines pouvaient en produire jusqu'à plusieurs centaines de millions par an<ref name= Lemaire1974>{{Article |prénom1=H. |nom1=Lemaire |titre=Matériaux durs pour aimants permanents |périodique=Revue de Physique Appliquée |volume=9 |numéro=5 |date=1974 |issn=0035-1687 |doi=10.1051/rphysap:0197400905081900 |lire en ligne=http://www.edpsciences.org/10.1051/rphysap:0197400905081900 |consulté le=2020-10-30 |pages=819–836}}</ref>.

La [[magnétite]] ({{fchim|Fe|3|O|4}}) n'est pas le seul matériau permettant de faire des aimants. Les mêmes propriétés ont été trouvées dans de nombreux autres composés minéraux. Les applications se sont multipliées. Aujourd'hui, on trouve des aimants dans des domaines aussi divers que la [[santé]], les [[Machine électrique|moteurs électriques]] qui sont, de fait, des moteurs magnétiques<!--on parle d'aimants permanents présentant une aimantation, on ne parle pas de signaux-->{{, etc.}}<ref name=Colin/>.

Le volume de vente d'aimants dans le monde occidental qui dépassait dix milliards de Francs (1,5 milliard d'euros) par an en [[1994]]<ref>J. S. Miller; A. J. Epstein, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1994, vol. 33, {{p.|385}}.</ref> reflète leur importance dans le monde actuel<ref name=Colin/>.

=== Exemples d'utilisations ===
[[Fichier:Pacemaker magnet.JPG|vignette|Aimant de [[stimulateur cardiaque]].]]
Les aimants sont très utilisés pour la réalisation de [[Machine à courant continu|machines à courant continu]] ou de [[Machine synchrone|machines synchrones]] et de divers appareils électroniques et électrotechniques (ex. haut-parleurs). 

L'existence de champ magnétique en l'absence de courant est mise à profit pour la réalisation de séparateurs et de [[capteur]]s, par exemple des capteurs de proximité, la [[Résonance magnétique nucléaire|RMN]] et donc l'[[Imagerie par résonance magnétique|IRM]].

Les aimants sont aussi utilisés dans la conception de sources dipolaires pour produire des plasmas micro-onde. Celui-ci doit cependant vérifier les conditions de couplage RCE (résonance cyclotronique électronique) soit 0,0875 [[Tesla (unité)|tesla]] pour un [[champ électrique]] tournant de {{unité|2,45|GHz}}. Généralement, les aimants utilisés sont en [[samarium]] [[cobalt]] ou en [[néodyme]] [[fer]] [[bore]].

Les aimants équipent divers objets. Les attaches à aimants sont des fournitures de bureau qui permettent de fixer à un tableau des feuilles de papier, comme le ferait une pince ou une épingle ; ces mêmes attaches servent aux porte-photos, remplaçant la colle ou le ruban [[adhésif]].  des objets décoratifs et utilitaires dits « [[magnet (objet)|magnets]] » se fixent à certains support (ex. : réfrigérateur). Certaines pièces de jeux fonctionnent grâce à des aimants, permettant notamment des jeux de construction.

== Caractéristiques ==
Les aimants permanents contiennent presque toujours des atomes d'au moins un des [[Élément chimique|éléments]] chimiques suivants : [[fer]], [[cobalt]] ou [[nickel]], ou de la famille des [[lanthanide]]s ([[Terre rare|terres rares]]). Ces éléments présentent des propriétés magnétiques mais ne sont pas forcément utilisables seuls comme aimants permanents. On utilise donc des alliages présentant des propriétés [[Ferromagnétisme|ferromagnétiques]] dures (un cycle d'hystérésis large). Les aimants synthétiques sont produits par [[frittage]] d'un alliage de poudres de terres rares qui forme alors une céramique polarisée sous le champ intense d'un [[électroaimant]]<ref>Bertran Nogadère, « De quoi sont faits les aimants ? », émission ''Les p'tits bateaux'' sur [[France Inter]], 21 avril 2013</ref>. Les aimants naturels sont des [[Oxyde mixte|oxydes mixtes]] de fer II et de fer III de la famille des [[Ferrite (céramique ferromagnétique)|ferrites]] (oxydes mixtes d'un métal divalent et de fer III). Il existe aussi des aimants moléculaires comme des aimants de chimie de coordination<ref name=Colin/>, des aimants organo-métalliques<ref>par exemple : [Fe(Cp*)<sub>2</sub>].<nowiki>[</nowiki>[[Tétracyanoéthylène|TCNE]]<nowiki>]</nowiki>.[[acétonitrile|CH<sub>3</sub>CN]] : J.S. Miller, A. J. Epstein & W. M. Reiff, ''Molecular/Organic Ferromagnets'', [[Science (revue)|Science]], 1988, vol. 240(4848), {{p.|40-47}}. {{DOI|0.1126/science.240.4848.40}}.</ref> et des aimants purement [[chimie organique|organiques]] ([[carbone|C]][[Hydrogène|H]][[Azote|N]][[oxygène|O]])<ref>Par exemple : R. Chiarelli, M. A. Novak†, A. Rassat & J. L. Tholence, ''A ferromagnetic transition at 1.48 K in an organic nitroxide'', [[Nature (revue)|Nature]], 1993, vol.363, {{p.|147-149}}. {{DOI|10.1038/363147a0}}.</ref>. Ils ont tous des [[Température_de_Curie|températures de Curie]] très basses excepté le [[Vanadium|V]]([[Tétracyanoéthylène|TCNE]])<sub>2</sub><ref>Hiroyasu Matsuura, Kazumasa Miyake, Hidetoshi Fukuyama, ''Theory of Room Temperature Ferromagnet V(TCNE)_x (1.5 < x < 2): Role of Hidden Flat Bands'', J. Phys. Soc. Jpn., 2010, vol. 79(3). [[arXiv:1001.3512v2]]</ref> (di-tétracyanoéthylénure de vanadium).

[[Image:Cycle matériaux durs.jpg|centré]]

* L'[[induction rémanente]] {{formule|§=''B''<sub>r</sub> = µ<sub>0</sub> ''M''<sub>sat</sub>}} est l'induction magnétique subsistant dans le matériau à [[excitation magnétique]] nulle.
* Le [[champ coercitif]] de désaimantation ({{formule|''H''<sub>cB</sub>}}, en A/m) est l'excitation magnétique qu'il faut produire pour désaimanter ce matériau, mais cette désaimantation peut être réversible.
* Le champ coercitif de désaimantation irréversible ({{formule|''H''<sub>cM</sub>}} ou {{formule|''H''<sub>cJ</sub>}}, en A/m) est l'excitation magnétique qu'il faut produire pour désaimanter le matériau de manière irréversible. Cette dernière peut être supérieure ou égale à la précédente<ref>Bernard Multon, ''Application des aimants aux machines électriques''</ref>.
* La [[température de Curie]] : température pour laquelle le matériau perd son aimantation, mais néanmoins de façon réversible (une fois refroidi, le matériau retrouve ses propriétés ferromagnétiques et pourra à nouveau être aimanté).

Les matériaux durs sont intéressants pour réaliser des aimants permanents car ils présentent des cycles d'hystérésis larges. Les grandeurs principales à prendre en compte sont {{formule|''B''<sub>r</sub>}} : l'induction rémanente, proportionnelle à l'aimantation du matériau, et {{formule|''H''<sub>cM</sub>}}, qui est une mesure de la capacité du matériau à garder cette aimantation.

{|class="wikitable"
|-
! Matériaux !! Br en tesla !! Hc en kA/m !! T° de Curie en °C !! Remarques diverses
|-
| [[Acier]]s || 0,001 à 0,02 || 6 à 19 || 750 || Anciens aimants
|-
| [[Ferrite (céramique ferromagnétique)|Ferrites]] || 0,2 à 0,4 || 200 || 300 || Les moins chers
|-
| [[Aimant AlNiCo|Alnico]] || 1,2 || 50 || 750 à 850 || Se désaimantent facilement
|-
| [[Aimant samarium-cobalt|Samarium-cobalt]] || 1,1<ref>{{Lien web|langue=en-US|titre=Samarium Cobalt Magnets {{!}} Arnold Magnetic Technologies|url=http://www.arnoldmagnetics.com/en-us/Products/RECOMA-SmCo-Magnets-en|site=arnoldmagnetics.com|consulté le=2017-07-31}}</ref> || 800 || 700 à 800 || Prix élevé à cause du cobalt
|-
| [[Aimant au néodyme|Néodyme-fer-bore]] || 1,3 || 1500 || 310 || Prix en hausse (terres rares), sujet à l'oxydation
|}

== Relation entre la force de contact et le champ magnétique ==
Si l'on connaît l'intensité de l'induction magnétique {{formule|''B''}} (en teslas) produite par l'aimant à sa surface, on peut calculer une bonne approximation de la force nécessaire pour le décoller d'une surface en fer. On considère la force {{formule|''F''}} nécessaire pour séparer l'aimant d'une distance {{formule|ε}} de la surface de fer. La distance {{formule|ε}} est très petite de sorte que l'on puisse accepter que, dans tout le volume situé entre l'aimant et le fer, l'induction magnétique est égale à {{formule|''B''}}. Le travail fait par la force {{formule|''F''}} est
:<math>W = F\varepsilon</math>

Ce travail s'est transformé en énergie du champ magnétique dans le volume créé entre l'aimant et le fer. La densité d'énergie par unité de volume due au champ magnétique est :
:<math>\rho = {\frac{1}{2}}{B^2\over\mu} \,</math> [[Joule|J]].[[Mètre|m]]<sup>−3</sup>

Ici {{formule|µ}} est la [[perméabilité magnétique|perméabilité]] de l'air, presque égale à celle du vide :
{{formule|§=µ<sub style="font-size: 70%">0</sub> = 4π 10<sup>−7</sup> [[Henry (unité)|H]]⋅[[Mètre|m]]<sup>−1</sup>}}.

Le volume de l'espace créé entre l'aimant et le fer est égal à {{formule|''S''ε}} où {{formule|''S''}} est la surface de l'aimant qui était collée au fer. Le travail fait s'est transformé en énergie :
:<math>F\varepsilon = {1 \over 2}{S\varepsilon B^2\over\mu}</math>

On déduit la valeur de la force de contact :
:<math> F = {1\over 2}{B^2 S\over \mu}</math>

Pour un aimant de {{unité|2,54|cm}} (1 pouce) de diamètre et produisant une induction magnétique égale à {{unité|1 [[tesla (unité)|tesla]]}} dans le [[circuit magnétique]] formé avec la pièce métallique au contact de laquelle il se trouve, la force obtenue est de {{unité|205 [[newton (unité)|newtons]]}}, soit l'équivalent de la force (poids) exercée par une masse d’environ {{unité|21|kg}} dans le champ moyen de [[Gravitation|gravité terrestre]].

Inversement et si l'on connaît la force de contact d'un aimant, par cette formule on peut avoir une approximation de la valeur de l'induction magnétique créée à proximité de l'aimant.

:<math> B^2 = {2 F \mu \over S} \,</math>

Ainsi, un aimant permanent à base de néodyme-fer-bore de {{unité|2|cm}} de rayon ayant une force d'adhérence de {{unité|2|kg}} (soit environ {{unité|20 [[Newton (unité)|newtons]]}}) génère une induction magnétique à proximité de sa surface d'environ {{unité|0,2|[[tesla (unité)|tesla]]}}, soit {{unité|2000 [[Gauss (unité)|gauss]]}}.

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références|groupe=note}}

=== Références ===
{{Références}}

== Voir aussi ==
{{Autres projets| wiktionary=aimant| wiktionary titre=aimant}}

=== Bibliographie ===
*{{Ouvrage|langue=fr|prénom1=Michel|nom1=Serres|lien auteur1=Michel Serres|directeur1=Michel Serres|prénom2=Nayla|nom2=Farouki|directeur2= Nayla Farouki|lien auteur2=Nayla Farouki
|auteur3=[[Charles Auffray (scientifique)|Charles Auffray]]
|auteur4=[[Jean-Gabriel Ganascia]]
|auteur5=[[Christian Houzel]]
|auteur6=[[Albert Jacquard]]
|auteur7=[[Étienne Klein]]
|auteur8=[[Pierre Laszlo]]
|auteur9=[[Pierre Léna]]
|auteur10=[[Jean-Paul Poirier]]
|titre=Le Trésor|sous-titre=Dictionnaire des Sciences|éditeur=[[Groupe Flammarion|Flammarion]]|année=1997|pages totales=1092|isbn=2-08-035108-7|id=Dictionnaire des Sciences|chapitre=Magnétisme -Magnétisme en physique, p.541-542.}}

=== Articles connexes === 
* [[Électroaimant]]
* [[Magnétisme]]
* [[Champ magnétique]]
* [[Moment magnétique]]
* [[Périclase]] (magnésie)
* [[Ferrite (céramique ferromagnétique)|Ferrite]]
* [[Aimant aux terres rares]]
* [[Aimant au néodyme]]
* [[Aimant samarium-cobalt]]
* [[Aimant AlNiCo]]
* [[Moteur à aimants permanents]]
* [[Réseau de Halbach]]

{{Portail| technologie| électricité et électronique| physique}}

[[Catégorie:Ferromagnétisme]]
[[Catégorie:Électrotechnique]]