Pr

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 Magnétisme de Langevin à la lévitation
magnétique   par Julien Bok
LPS-ESPCI LMPQ-Paris 7
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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
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Introduction
Le magnétisme est un des plus anciens phénomènes
connus dinteraction à distance. Il est connu
depuis lantiquité. Les Grecs, les Romains et les
Chinois avaient remarqué que loxyde de fer (Fe)
magnétique, la magnétite, avait la faculté
dattirer les objets contenant du fer. Ils
avaient également constaté quun 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 leau), une invention des Chinois,
seize siècles auparavant. La magnétite oxyde
de Fer de formule Fe3O4
4
(No Transcript)
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2 - Notion de champ magnétique -
Electromagnétisme -
Champ magnétique
Les physiciens ont introduit la notion de champ
magnétique pour décrire linteraction 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 laimant dans la
direction du champ magnétique B.
Ainsi laiguille dune boussole soriente dans la
direction du champ magnétique terrestre.
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2 - Notion de champ magnétique -
Electromagnétisme -
Champ magnétique
Les physiciens ont introduit la notion de champ
magnétique pour décrire linteraction 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 laimant dans la
direction du champ magnétique B.
Ainsi laiguille dune boussole soriente dans la
direction du champ magnétique terrestre.
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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 aimants qui s'alignent naturellement selon
le champ magnétique.
http//www.chez.com/lalevitationmagnetique/utilisa
tiondaimantspermanents.htm
8
Champ magnétique terrestre
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Champ magnétique créé par les courants électriques
Oersted a observé que le passage dun courant
électrique à proximité dune aiguille aimantée
faisait dévier cette aiguille, donc créait un
champ magnétique. Les lois de lélectromagnétisme
permettant de calculer le champ magnétique crée
par un courant ont été données par Ampère, Biot
et Savart .. Exemple champ magnétique dun
solénoïde, analogue à un aimant
http//www.chez.com/lalevitationmagnetique/utilisa
tiondelectroaimants.htm
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3 Propriétés magnétiques de la matière
La plupart des matériaux saimantent lorsquils
sont placés dans un champ magnétique. Ils
deviennent eux-mêmes des aimants.
Etude expérimentale de laimantation des matériaux
On mesure la force exercée sur un barreau
aimanté grâce à une balance magnétique
(Il existe aujourdhui bien dautres systèmes de
mesure des aimantations)
Schéma de la balance de GOUY
http//wwwens.uqac.ca/chimie/Chimie_theorique/Chap
itres/chap_14.htm
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A Le Diamagnétisme
La plupart des corps sont diamagnétiques. Ils
sont repoussés par les aimants. Cest en général
un effet très faible.
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A Le Diamagnétisme
La plupart des corps sont diamagnétiques. Ils
sont repoussés par les aimants. Cest en général
un effet très faible.
N S
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A Le Diamagnétisme
La plupart des corps sont diamagnétiques. Ils
sont repoussés par les aimants. Cest en général
un effet très faible.
N S
B Le Paramagnétisme
Certains corps contenant des métaux comme Fe,
Ni, Co de façon diluée sont paramagnétiques.
Ils sont attirés par les aimants.
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A Le Diamagnétisme
La plupart des corps sont diamagnétiques. Ils
sont repoussés par les aimants. Cest en général
un effet très faible.
N S
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
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A Le Diamagnétisme
La plupart des corps sont diamagnétiques. Ils
sont repoussés par les aimants. Cest en général
un effet très faible.
N S
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 rareset
leurs alliages) sont très fortement attirés par
les aimants (clous en Fe, épingles, ). Ils
restent aimantés en labsence de champ extérieur.
Ce sont des aimants permanents.
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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.
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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
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Etude quantitative de laimantation des matériaux
On trouve quà bas champ laimantation 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 cest
un nombre sans dimension
M et H se mesurent en Ampère par mètre
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La force mesurée par la balance de GOUY est
directement proportionnelle à M . C est donc un
moyen de mesurer M , donc X 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.
Lunité de B est le Tesla.
Schéma de la balance de GOUY
http//wwwens.uqac.ca/chimie/Chimie_theorique/Chap
itres/chap_14.htm
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Diamagnétisme ? lt 0 , très petit 10-6
Supraconducteur ? -1
B
0 Paramagnétique ? gt 0, ? 10-4 à
10-2 Ferromagétisme ? gt 0, grand ? 10000 Ex
permalloy (20Fe-80Ni)
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Origine atomique des propriétés magnétiques de
la matière
Paul Langevin a le premier attribué un petit
moment magnétique intrinsèque à certains atomes
(quil a appelé magnéton), analogue à une
minuscule aiguille aimantée. Aujourdhui 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
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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 sassocier par
paires de spins opposés (liaisons chimiques). Le
moment magnétique total est alors NUL.
SPIN
Exemple NaCl (sel de cuisine) est constitué
dions Na et Cl- , ces deux ions ont des
couches électroniques externes à 8 électrons de
moment magnétique total NUL non paramagnétique.
couches électroniques
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Tableau de Mendeleev
24
3d
4s
4p
Fe
Fe
couches électroniques externes
Fe
Fe
Ni
Ni
http//wwwens.uqac.ca/chimie/Chimie_theorique/Chap
itres/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 laimantation des corps avec la
température absolue T.Les expériences faites à
lEcole de Physique et Chimie ont été menées
grâce à un dispositif, conçu et réalisé par
lui-même, qui lui permettait daller jusqu à
1300 C. - Il a découvert que la facilité
daimantation des paramagnétiques appelée
susceptibilité varie comme 1/T (Loi de Curie). -
Pour les ferromagnétiques, il y a une transition
vers un état paramagnétique (laimantation
diminue fortement et brusquement) au-dessus dune
température Tc, dite  température de
Curie . Pour le Fe, Tc 770 Celsius
Paul Langevin (1905) a expliqué lorigine
physique de ces lois et les a démontrées
théoriquement. Il a montré quil sagit dune
compétition entre les forces magnétiques qui
tendent à aligner les moments magnétiques et
lagitation thermique qui introduit du désordre.
En utilisant la physique statistique de L.
Boltzman, il a réussi à retrouver théoriquement
la loi empirique de Curie.
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EXPERIENCE DE MAGNETISME
ALIGNEMENT DES MOMENTS MAGNETIQUES
DESORDONNES SOUS LEFFET DE LEUR INTERACTION
MUTUELLE ET DUNCHAMP MAGNETIQUE
EXTERNE INFLUENCE DE LAGITATION THERMIQUE
MODELISEE PAR UN AGITATEUR MAGNETIQUE
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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//informatique.kelkok.fr
http//perso.wanadoo.fr/daniel.robert9/Digit/Digit
_12T.htmlMAGNÉTIQUES
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 dhydrogène) 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.h
tm
http//jerome.giraudet.free.fr/recherchermn.htm2.
2.5.20Séquence20CP-MAS.
31
La fréquence (tours/seconde) de rotation est
donnée par f w / 2 p et w g B0 où g
est appelé rapport gyromagnétique du noyau. Pour
le proton à B0 1 Tesla f 40 MHz
(radiofréquence)
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Lorsquon envoie une onde électromagnétique
(radio) sur un système, il y a un pic
dabsorption lorsque fréquence radio fréquence
de précession (w) On dit qu il y a résonance.
Les caractéristiques de la résonance dépendent
de lenvironnement chimique, d où IMAGERIE
traitement du signal électrique par
linformatique pour le transformer en image.
33
IRM
http//www.medical.philips.com/fr/
34
IRM cérébrale fonctionnelle laire rouge
dactivation 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
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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 dun
alliage de niobium et de titane. Chacun deux est
maintenu à une température constante de -269C !
Cela permet aux deux aimants de conserver leur
état de supraconducteur donc de nopposer aucune
résistance au passage du courant électrique.
http//www.chez.com/lalevitationmagnetique/leprinc
ipedefonctionnement.htm
41
CONCLUSION