Alimenter le monde avec des aimants

L'un des phénomènes les plus étonnants de la nature est la manifestation du magnétisme dans certains matériaux. Les aimants permanents sont connus depuis l'Antiquité. Avant les grandes découvertes dans le domaine de l'électricité, les aimants permanents étaient activement utilisés par les médecins. Au fil du temps, les gens ont appris à créer des aimants artificiels en plaçant des produits en alliage de fer dans des champs magnétiques. Les aimants permanents sont fréquemment utilisés dans l'industrie, dans divers domaines tels que l'électrotechnique, les technologies informatiques, les transports, la navigation, la médecine, la biologie, l'astronomie, etc. L'application principale des aimants est l'électrotechnique, l'ingénierie radio, l'instrumentation, l'automatisation et la télé- mécanique. Par exemple, sans matériaux magnétiques, l'électrification serait impossible car des générateurs, des transformateurs pour la transmission d'énergie et des haut-parleurs pour les moteurs électriques, les téléphones, les radios et les télévisions seraient utilisés pour la production d'électricité.

L'introduction active des aimants permanents dans la sphère de l'activité humaine stimule l'invention et la création de nouveaux alliages ferromagnétiques aux caractéristiques magnétiques améliorées.

Métaux magnétiques purs

Fer, cobalt, nickel, gadolinium, seuls ces quatre métaux sont purs et magnétiques à température ambiante. Cette propriété est appelée ferromagnétisme. Tous les alliages de terres rares utilisés industriellement pour les aimants permanents contiennent ces métaux.

Or, il existe 9 métaux qui ont de fortes propriétés magnétiques, pouvant être attirés par des aimants et eux-mêmes capables de devenir des aimants : le fer, le cobalt, le nickel, mais aussi le gadolinium, le terbium, le dysprosium, l'holmium, l'erbium, le thulium. L'aluminium, le platine, le chrome, le titane, le vanadium, le manganèse sont très faiblement attirés par l'aimant. Ils s'aimantent si peu qu'il est impossible de détecter leurs propriétés magnétiques sans outils spéciaux.

Métaux ferromagnétiques

Les métaux ferromagnétiques sont fortement attirés par les objets avec des champs magnétiques et peuvent conserver leurs propriétés magnétiques après que l'aimant en a été retiré. Ils sont utilisés pour créer des aimants permanents. Les principaux métaux ferromagnétiques sont le fer, le nickel, le cobalt, le gadolinium et le dysprosium. Si un morceau de métal ferromagnétique est tenu à côté d'un aimant, une attraction suffisamment forte se fera sentir.

Alliages ferromagnétiques

Les alliages ferromagnétiques sont des matériaux tels que l'acier, qui contiennent des métaux ferromagnétiques. Les aciers sont une combinaison de fer et de plusieurs autres métaux et sont plus durs que le fer. En raison de cette dureté, l'acier peut conserver son magnétisme plus longtemps que le fer. Lorsqu'il est chauffé à haute température, l'acier perd ses propriétés magnétiques. Cela arrivera également aux métaux ferromagnétiques tels que le nickel.

Matériaux ferrimagnétiques

Les matériaux ferrimagnétiques sont la ferrite, la magnétite et le magnésium. Ils ont tous comme composant principal des oxydes de fer, ainsi que des oxydes d'autres métaux. Lodestone est de la magnétite naturellement magnétisée. La magnétite est attirée par les champs magnétiques, mais ne se magnétise généralement pas. Les matériaux ferrimagnétiques sont similaires aux ferromagnétiques, mais avec une attraction magnétique plus faible.

Métaux paramagnétiques

Les métaux paramagnétiques sont faiblement attirés par l'aimant et ne conservent pas leurs propriétés magnétiques lorsqu'ils sont retirés de l'aimant. Ceux-ci incluent le cuivre, l'aluminium et le platine. Les propriétés magnétiques des métaux paramagnétiques dépendent de la température et l'aluminium, l'uranium et le platine deviennent plus attractifs pour les champs magnétiques lorsqu'ils sont très froids. Les substances paramagnétiques ont des forces d'attraction beaucoup plus faibles pour les aimants que les matériaux ferromagnétiques et des instruments très sensibles sont nécessaires pour mesurer l'attraction magnétique.

L'inox est-il magnétique ?

Il existe plus de 120 types d'acier inoxydable différents ! Si un alliage contient au moins 12 % de chrome, il peut être considéré comme un acier inoxydable résistant à la rouille. La plupart des aciers inoxydables sont constitués d'alliages austénitiques et ne sont que faiblement magnétiques. L'acier à structure ferritique ou martensitique est magnétique. Si un type d'acier contient une structure mixte de ferrite et d'austénite, la proportion de ferrite détermine ces propriétés magnétiques de l'acier.

Il existe un mythe largement répandu sur le comportement magnétique de l'acier inoxydable. Beaucoup de gens pensent que tous les types d'acier inoxydable peuvent attirer un aimant. Ce n'est pas vrai du tout. En fait, les aimants fonctionnent sur certains types d'acier inoxydable. Il existe de nombreux types d'acier inoxydable, mais on peut les classer en deux grandes catégories : les austénitiques et les ferritiques. Chaque classification a des arrangements atomiques uniques. Pour cette raison, on rencontre souvent des aciers inoxydables non magnétiques et d'autres qui le sont. Les aciers inoxydables de base à structure ferritique attireront un aimant, contrairement aux types austénitiques plus courants. En raison de la structure et des fortes concentrations de fer, les aciers inoxydables ferritiques sont magnétiques.

L'acier inoxydable est un alliage de fer, de carbone et de chrome. Il a une bonne résistance à la corrosion et est très solide. Cependant, il n'a aucun magnétisme. Alors, comment est-il utilisé pour fabriquer des aimants ?

La réponse se trouve dans les lois de la physique. Dans la structure moléculaire des métaux, plusieurs atomes génèrent des champs micro magnétiques. Dans un assemblage libre et désordonné d'atomes, les différents champs magnétiques ne forment pas une force commune mais s'annulent. Dans ce cas, il n'y a pas de champ magnétique. En revanche, si les atomes sont assemblés dans le même sens, leurs champs magnétiques ne s'annulent pas, mais se coordonnent et donc se rassemblent, générant un fort champ magnétique. C'est pourquoi certains métaux tels que le fer seront attirés par un autre métal magnétisé, car leurs champs micro magnétiques s'alignent dans la même direction et forment le champ magnétique du métal magnétisé.

Reconnaitre l'inox

S'il sent mauvais, ce n'est pas de l'inox. Il peut être poli ou peint mais contiendra également d'autres éléments. Certains fabricants ajoutent une petite quantité de nickel (ou un autre métal) dans leur acier inoxydable pour attirer les aimants. Ce n'est pas vraiment de l'acier inoxydable, mais plutôt une combinaison d'acier inoxydable et d'alliage de nickel. Pour une pièce en inox sans rouille, il faut avoir une nuance '304' ou '316'.

Types d'acier inoxydable

Les autres types d'aciers inoxydables, ferritiques et martensitiques, développent une faible aimantation. Concrètement, la solidité de l'inox, son caractère inoxydable, sa résistance aux chocs n'ont rien à voir avec le fait qu'il soit aimanté. Quant à leur utilisation, il convient de mentionner que le soudage sur de l'acier inoxydable ferritique affectera irrémédiablement la structure moléculaire, ce qui peut poser des problèmes. En revanche, l'inox austénitique se soude parfaitement. Un acier inoxydable ferritique ne rouille pas, la résistance à la corrosion est une question de composition chimique et n'a rien à voir avec sa capacité magnétique.

L'acier magnétique, la partie la moins connue du moteur électrique

L'acier magnétique, dopé au silicium et laminé en fines feuilles, est indispensable à la fabrication du cœur des moteurs électriques. Malgré l'augmentation de la capacité de production des producteurs d'acier en Europe, la demande pourrait dépasser l'offre. A l'ombre des inquiétudes liées au nickel et au cobalt, l'acier magnétique est un alliage beaucoup plus discret qui pourrait freiner l'essor des véhicules électriques et qui pousse les constructeurs à adapter en urgence leurs capacités. Cette année, à la mi-mars, le géant sidérurgique ArcelorMittal a annoncé qu'il allait investir plus de 300 millions d'euros sur son site de Mardyck pour y installer des laminoirs électriques (ou magnétiques). Si cette autorisation n'est pas connue du grand public, l'annonce était attendue de la part du secteur. Dans les rotors et stators des moteurs électriques et dans les transformateurs, cet acier dopé au silicium et empilé en fines tranches est indispensable pour optimiser la circulation du champ magnétique et garantir un bon fonctionnement de la voiture.

Magnétisme de l'or

L'or pur n'est pas attiré par les aimants. Les pièces d'or impur deviennent légèrement magnétiques sous un grand champ magnétique. L'or est diamagnétique et paramagnétique, et les effets peuvent s'annuler. Par conséquent, l'or n'est ni attiré ni repoussé par un aimant. Une forme impure d'or, comme les bijoux en or 18 et 22 carats, est constituée de matériaux ferromagnétiques. Ces matériaux sont ajoutés pour rendre l'or plus dur et plus résistant à l'usure.

Dans de tels cas, le magnétisme de l'or dépend du métal qui y est fondu. Par exemple, si les producteurs mélangent de l'or avec du fer, cela produira un alliage extrêmement magnétique. S'il est mélangé avec de l'argent, il en résultera de l'or blanc non magnétique.

Les aimants peuvent être utiles pour tester les pièces et les lingots d'or. Si la pièce d'or est pure à plus de 99 %, elle ne doit pas être affectée par un aimant.

L'or peut être magnétisé en appliquant de la chaleur

En 2016, une équipe de chercheurs de l'Université de Tohoku, au Japon, a découvert que l'or pouvait être magnétisé sous la chaleur générée par un gradient de température. L'étude met également en évidence la propriété de transport d'électrons altérée par l'injection de spin et fournit ainsi une approche polyvalente pour la génération et la détection de l'aimantation hors équilibre dans les métaux ordinaires.

Aimants permanents

Les aimants permanents sont des matériaux magnétiques « durs », c'est-à-dire des matériaux qui, une fois aimantés, conservent leur aimantation à la température d'utilisation. Leurs propriétés magnétiques sont principalement déterminées par les propriétés des composés qui les constituent. De plus, ils dépendent beaucoup de la microstructure du matériau obtenu par le processus de fabrication.

Quatre familles de matériaux pour aimants permanents sont utilisées dans la plupart des applications du marché. Ce sont les alnicos, les ferrites durs, le samarium-cobalt et le néodyme-fer-bore. Il existe également d'autres matériaux, mais leurs applications sont très limitées. Ce sont : les alliages ductiles, les alliages manganèse-aluminium-carbone, les aciers martensitiques durs ou les micro-aimants à base de poudre.

Le terme aimant permanent vient de la capacité de l'aimant à retenir une charge magnétique induite après son retrait du magnétiseur. Les aimants permanents sont nécessaires pour fabriquer des boussoles, des émetteurs radio, divers instruments de mesure électriques, etc. Ils sont généralement en acier à haute teneur en carbone. Les aimants permanents commencent à être utilisés dans un nouvel alliage hautement magnétisable appelé magnico, composé de cobalt, de nickel, de cuivre, d'aluminium et de fer.

Meilleurs métaux à utiliser dans un circuit magnétique

L'acier massif est généralement le meilleur choix, d'un point de vue économique, dans les dispositifs de champ statique. De l'acier à faible teneur en carbone (ASME 1006 – 1018) doit être utilisé pour les pièces polaires, si possible, et doit être enrichi en hydrogène après traitement. Les aciers inoxydables de la série 400 peuvent être utilisés, mais ils ne sont pas aussi bons magnétiquement que l'acier à faible teneur en carbone, de sorte que les pièces peuvent devoir être plus grandes pour compenser.

Différence entre les matériaux magnétiques AlNiCo, SmCo et NdFeB

AlNiCo est un matériau magnétique plus ancien qui a encore des applications importantes. Son produit énergétique maximal est d'environ 1/5 des matériaux SmCo, mais il possède d'excellentes propriétés à haute température et une meilleure résistance à la corrosion. AlNiCo peut être coulé sous différentes formes avec différentes orientations magnétiques. Les aimants AlNiCo ont été largement utilisés, initialement dans les applications électroniques militaires et plus tard dans les versions civiles telles que les applications de capteurs automobiles et aéronautiques. Le développement des aimants Alnico a marqué le début d'une nouvelle façon de penser les matériaux magnétiques où les matériaux composites à phases multiples produisent des attributs supérieurs à ceux des composants individuels.

La tendance vers les aimants néodyme-fer-bore (NdFeB) était le résultat de l'augmentation du coût du Co à la fin des années 1970, un ingrédient essentiel des aimants SmCo.

Les aimants aux terres rares SmCo et NdFeB ont une coercivité élevée, ils n'ont donc pas besoin d'être magnétisés dans le circuit et peuvent être utilisés avec de faibles coefficients de perméabilité (c'est-à-dire des disques minces). Ces matériaux conviennent également pour tester la bobine de Helmholtz en raison de leurs courbes normales en ligne droite. Cela rend également les terres rares idéales pour les moteurs et les dipôles à champ élevé. SmCo a une bonne résistance à la démagnétisation thermique mais est fragile. Le NdFeB est moins fragile, a de mauvaises propriétés thermiques et est sujet à la corrosion.

Avantage d'un aimant permanent par rapport à un électroaimant

En général, le volume d'espace nécessaire pour produire un certain champ statique sera plus faible pour les aimants permanents lorsque l'espace de travail est petit ; les électroaimants gagnent dans les gros appareils. Les facteurs limitants pour les électroaimants sont l'espace consommé par les enroulements, l'alimentation électrique et la chaleur générée pendant le fonctionnement. Les aimants permanents ne nécessitent pas d'alimentation électrique, ils économisent donc de l'espace et de l'énergie. Une alimentation réglable permet de régler facilement le champ magnétique d'un électroaimant en ajustant simplement le courant d'entrée. Cependant, des aimants permanents réglables peuvent être utilisés si le champ n'a pas besoin d'être ajusté fréquemment.

Pourquoi les aimants en terres rares sont-ils si chers ?

Dans le cas des aimants de terres rares, les métaux utilisés pour améliorer les propriétés magnétiques sont difficiles à extraire. Les éléments liés aux aimants ne représentent qu'une petite fraction des lanthanides extraits, de sorte que le matériau ne peut pas être produit en quantités énormes. Comme les poudres fines sont pyrophoriques, les conditions de production doivent être très étroitement contrôlées et il existe une limite à la taille du bloc qui peut être formé en raison de la pression requise. Le traitement ultérieur des aimants augmente les coûts. Comme les aimants sont généralement très durs, les opérations de meulage et de traitement sont lentes.

Rôle des aimants dans l'énergie verte

Les matériaux magnétiques, en particulier les aimants permanents, sont essentiels pour la performance efficace de nombreuses technologies d'énergie renouvelable. Le recours accru aux sources d'énergie renouvelables a accéléré la recherche sur les technologies liées à l'énergie dans le monde entier. L'utilisation de métaux de terres rares dans les aimants permanents continue d'être une source de plus grande préoccupation en raison de l'approvisionnement limité en terres rares couplé à la diminution des réserves sur le globe.

La motivation derrière le développement des aimants permanents émane de la nécessité d'obtenir un produit à haute énergie magnétique sur de plus petits volumes d'aimants, qui pourraient être utilisés dans quelques applications technologiques telles que les technologies d'énergie propre (éoliennes et moteurs régénératifs hybrides), les composants de transport , et produits de consommation. Les matériaux magnétiques jouent un rôle central dans la société moderne en raison de leur capacité unique à effectuer plusieurs tâches comme suit : convertir l'énergie mécanique en énergie électrique ; transmettre et distribuer l'énergie électrique ; faciliter les communications par micro-ondes ; fournir une base pour les systèmes de stockage de données (Wallace Matizamhuka – The Impact of Magnetic Materials in Renewable Energy).

Les aimants permanents NdFeB permettent le remplacement des boîtes de vitesses mécaniques dans les éoliennes par des générateurs à aimants permanents à entraînement direct, réduisant ainsi le poids global de la turbine, le coût des autres composants tels que le béton et l'acier nécessaires pour supporter les boîtes de vitesses lourdes et une réduction du nombre de pièces mobiles. ce qui permet essentiellement une plus grande fiabilité et efficacité. Les générateurs synchrones à aimants permanents utilisent le champ magnétique de puissants aimants de terres rares pour convertir l'énergie des pales en rotation en électricité. Ces générateurs peuvent fonctionner à bas régime, ce qui leur permet d'être alimentés directement par l'arbre de la turbine, éliminant ainsi le besoin d'une boîte de vitesses. Cela réduit le poids de la nacelle de l'éolienne. L'élimination de la boîte de vitesses améliore la fiabilité, réduit les coûts de maintenance et améliore l'efficacité. Les propriétés des aimants qui permettent aux concepteurs d'éliminer les boîtes de vitesses mécaniques des éoliennes illustrent comment les aimants peuvent être utilisés de manière innovante pour résoudre les problèmes opérationnels et économiques des éoliennes modernes.

Aujourd'hui, les véhicules électriques/électriques hybrides sont réapparus comme une alternative réaliste aux véhicules à combustion interne à essence. Le succès des véhicules électriques est dû aux moteurs à aimants permanents très efficaces utilisés pour faire fonctionner le groupe motopropulseur du véhicule électrique. L'utilisation du matériau magnétique dur NdFeB offre des avantages assez importants, ce qui a permis le développement de moteurs de traction très efficaces, impossibles avec d'autres technologies.

Au lieu d'éoliennes rotatives, l'hydroélectricité utilise de l'eau courante. Les technologies hydroélectriques génèrent de l'énergie en utilisant la différence d'élévation, créée par un barrage ou une structure de dérivation, de l'eau entrant d'un côté et sortant, bien en dessous, de l'autre. L'eau coule à travers le barrage et fait tourner une grande roue appelée turbine. La turbine fait tourner un arbre qui fait tourner une série d'aimants devant des bobines de cuivre et un générateur pour produire de l'électricité propre et renouvelable.

L'énergie solaire utilise des panneaux solaires pour convertir l'énergie du soleil en énergie thermique ou électrique. Lors de la fabrication de ces panneaux solaires, des couches minces sont déposées en plusieurs couches par un procédé appelé « pulvérisation cathodique » ou PVD (dépôt physique en phase vapeur). Pour optimiser ce processus, les assemblages d'aimants permanents améliorent l'utilisation du matériau déposé.

Les aimants sont utilisés pour créer des courants électriques dans le processus géothermique. Lorsque le fluide chaud se dilate et crée l'énergie mécanique nécessaire pour faire tourner les aubes de la turbine, la turbine fait tourner des aimants à l'intérieur d'une grande bobine, créant un courant électrique.

L'utilisation de matériaux magnétiques doux dans les transformateurs pour la production et la conversion d'électricité pour le réseau électrique joue un rôle central dans la production d'électricité. La performance des aimants doux est spécifique au matériau et est dominée par des propriétés telles qu'une faible coercivité et des pertes de noyau, une magnétisation à saturation élevée, une résistivité et une perméabilité, ce qui rend ces matériaux plus attrayants pour la transmission et la distribution efficaces de l'électricité.

Aimants pour le secteur pétrolier et gazier

L'industrie pétrolière et gazière présente certains des environnements les plus difficiles et des applications exigeantes pour les aimants et les assemblages magnétiques. Pour cette industrie, il est recommandé d'utiliser des aimants de terres rares, tels que les aimants en néodyme et samarium cobalt. Cela est dû à leurs propriétés hautement souhaitables telles que leur force coercitive élevée et leur stabilité à haute température. Alors que les aimants au samarium cobalt ont des propriétés de résistance à la corrosion, les aimants au néodyme n'en ont pas. De plus, les aimants aux terres rares sont utilisés pour éliminer les écailles créées par le vieillissement des équipements pétroliers, des tuyaux et des matériaux ferreux indésirables.

En conclusion, les propriétés des aimants sont largement utilisées dans divers domaines, étant utiles à toute l'humanité.