Photo d'un aimant lévitant au-dessus d'un supraconducteur.

Un aimant permanent ou aimant dans le langage courant, est un objet fabriqué dans un 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 matériau ferromagnétique.

Étymologie

Le mot aimant est, comme le mot diamant, dérivé du grec ancien ἀδάμας, adámas (« fer particulièrement dur ou diamant »), apparenté à l'adjectif ἀδάμαστος, adámastos, (« indomptable »), en raison de la dureté de la pierre d'aimant.

Histoire

L'histoire des aimants commence dans l'Antiquité. En Chine, puis un peu plus tard en Grèce, les 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. Dans l'Antiquité, selon Plutarque , la pierre d'aimant s'appellait os d'Horus et le fer os de Typhon ; Pline l'Ancien écrivait : « 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. »

Partout où ces étonnantes propriétés de la magnétite sont remarquées, apparaissait la tentation de l'associer à la magie : « 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. »

Vers l'an Mille, en Chine, la boussole (appelée « aiguille du sud »), 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 en Asie Mineure. Au XIII siècle, 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, peut ainsi filer droit sur « Cipangu ». Samuel Purchas fait remarquer un siècle à peine après la mort de Colomb que « la pierre d'aimant est la pierre angulaire, la semence même d'où nait la découverte. »

William Gilbert, dans son De Magnete (1600), effectue pour la première fois la distinction entre corps électriques (il introduit ce terme) et magnétiques. 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 donne aussi les premières notions sur l'électricité, dont une liste des corps électrisables par frottement. Les propriétés d'aimantation sont alors indissociablement liées à la magnétite.

Jusqu'à très récemment, un aimant est défini comme « un oxyde naturel de fer qui attire le fer et quelques métaux. »

La magnétite (Fe3O4) 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 moteurs électriques qui sont, de fait, des moteurs magnétiques, les télécommunications, etc.

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 reflète leur importance dans le monde actuel.

Lien entre l'aimantation et le moment magnétique

L'aimantation du matériau ou du milieu considéré représente la densité volumique de moments magnétiques induits ou permanents au sein d'un matériau.

où représente le moment magnétique et le volume. L'aimantation M est mesurée en Ampère par mètre (A/m).

Pôles

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.

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 pôle sud magnétique, et inversement.

Les deux pôles sont indissociables, l’un n'existe pas sans l’autre (en vertu d’une 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 décroit 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.

Application

Tout barreau aimanté s'oriente naturellement dans la direction nord-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 boussoles.

Les aimants sont très utilisés pour la réalisation de machines à courant continu ou de machines synchrones. L'existence de champ magnétique en l'absence de courant est mise à profit pour la réalisation de capteurs, par exemple des capteurs de proximité, la RMN et donc l'IRM. Les aimants sont aussi utilisés dans la conception de sources dipolaires afin de produire des plasmas micro-onde. Il faut cependant que celui-ci permette de vérifier les conditions de couplage RCE (résonance cyclotronique électronique) soit 0,0875 tesla pour un champ électrique tournant de 2,45 GHz. En général, 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. Certaines pièces de jeux fonctionnent grâce à des aimants, permettant ainsi de jouer pendant un trajet en voiture ou en train, par exemple. Certaines figurines décoratives, appelées aussi « magnets » se fixent à leur support, par exemple le réfrigérateur, à l'aide d'aimants.

Caractéristiques

Les aimants permanents contiennent presque toujours des atomes d'au moins un des éléments chimiques suivants : fer, cobalt ou nickel, ou de la famille des lanthanides (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 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. Les aimants naturels sont des oxydes mixtes de fer II et de fer III de la famille des ferrites (oxydes mixtes d'un métal divalent et de fer III). Il existe aussi des aimants moléculaires comme des aimants de chimie de coordination, des aimants organo-métalliques et des aimants purement organiques (CHNO) mais en 2010, ils ont tous des températures de Curie très basses excepté le V(TCNE)2 (di-tétracyanoéthylénure de vanadium).

L'induction rémanente Br = µ0 Msat est l'induction magnétique subsistant dans le matériau à excitation magnétique nulle.

Le champ coercitif de désaimantation (HcB, 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 (HcM ou HcJ, 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.

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 B_r : l'induction rémanente, proportionnelle à l'aimantation du matériau, et H_cM, qui est une mesure de la capacité du matériau à garder cette aimantation.

Matériaux Br en tesla Hc en kA/m T° de Curie en °C Remarques diverses Aciers 0,001 à 0,02 6 à 19 750 Anciens aimants Ferrites 0,2 à 0,4 200 300 Les moins chers Alnico 1,2 50 750 à 850 Se désaimantent facilement Samarium cobalt 0,5 800 700 à 800 Prix élevé à cause du cobalt 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 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 F nécessaire pour séparer l'aimant d'une distance ε de la surface de fer. La distance 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 B. Le travail fait par la force F est

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 :

J.m

Ici ε est la perméabilité de l'air, presque égale à celle du vide : µ0 = 4π 10 H⋅m.

Le volume de l'espace créé entre l'aimant et le fer est égal à Sε où S est la surface de l'aimant qui était collée au fer. Le travail fait s'est transformé en énergie :

On déduit la valeur de la force de contact :

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

Ainsi, un aimant permanent à base de néodyme-fer-bore de 1 cm de rayon ayant une force d'adhérence de 2 kg (soit environ 20 newtons), génère une induction magnétique à proximité de sa surface d'environ 0,2 tesla, soit 2 000 gauss.

由铝镍钴永磁合金制成的马蹄磁铁。这形状试图拉近两个磁极之间的距离，借以产生能够吸引沉重铁磁体的强烈磁场。

磁铁是可以吸引铁并于其外产生磁场的物体。狭义的磁铁指磁铁矿石的制品，广义的磁铁指的是用途为产生磁场的物体或装置。磁铁作为磁偶极子，能够吸引铁磁性物质，例如铁、镍及钴等金属。磁极的判定是以细线悬挂一磁铁，指向北方的磁极称为指北极或N极，指向南方的磁极为指南极或S极。（如果将地球想成一大磁铁，则目前地球的地磁北极是S极，地磁南极则是N极。）磁铁异极则相吸，同极则排斥。指南极与指北极相吸，指南极与指南极相斥，指北极与指北极相斥。

磁铁分作永久磁铁与非永久磁铁。天然的永久磁铁又称为天然磁石，永久磁铁也可以由人工制造（最强的磁铁是钕磁铁）。非永久性磁铁只有在某些条件下会有磁性，通常是以电磁铁的形式产生，也就是利用电流来强化其磁场。

未磁化的磁石内部磁分子（分子磁铁学说）是无规则排列的，经过磁化的过程后磁分子会有规则的排列。此时，磁分子的N极和S极会朝向相同方向使磁石具有磁性而成为磁铁。同时，同一磁铁上存在相反两极且两极之磁量相等。

磁铁制备历史

古代人们是从天然磁石中认识磁性，天然磁石一般是在自然界被磁化的铁矿石，会吸引铁的物品。希腊文的磁铁意思是「来自马格尼西亚（Magnesia）的石头」，悬吊着的天然磁石就是最早的指南针。已知最早记载磁铁及其性质的文献是在二千五百年前，来自希腊、印度及中国的文献。古罗马作家老普林尼在《博物志》就已记载天然磁石及其可以吸收铁的特性。中国文献对天然磁石吸引铁以制备磁铁的描述于《管子》、《吕氏春秋》、和《淮南子》中提及，被称为「慈石」。 约在西元前12至13世纪，中国、欧洲及其他地区的人已经用指南针来导航。

有关磁和磁铁的背景知识

方向：延着指南针的指北极指向的方向。

大小（也称为强度）：是和指南针受到B场影响的程度成正比。

铁磁性及亚铁磁性材料是一般认定的磁性材料，会被磁铁的任何一极吸引，且可以感受到其吸引力。也只有这类的物质可以在外加磁场消失后时仍维持其磁化的特性，因此可以作为磁铁使用。像是冰箱磁铁的磁性就是因为这类材料所产生。亚铁磁性材料包括铁氧体及最早的天然磁铁磁铁矿及天然磁石，其磁性和铁磁性材料类似，但磁力略弱。两者磁力的差异是因为其微观结构所造成。

顺磁性材料，像铂、铝和氧等物质，会微弱的被磁铁的任何一极吸引，但其吸引力只有铁磁性材料的几十万分之一，所以只能用精密仪器来量测。铁磁流体是指悬浮许多奈米数量级大小的的铁磁体粉末，因为无法被磁化．有时也视为是顺磁性材料。

反磁性材料，像碳、铜、水和塑胶等物质会被磁铁的任何一极排斥，其排斥力非常微弱。大部份的物质都是反磁性的，其磁导率略小于真空磁导率，若使用一般磁铁，其排斥力非常小。但若使用强力的超导磁铁，像铅块甚至老鼠都可以因为磁悬浮而浮在空中。超导体也会受磁场的排斥，是强烈的反磁性材料。

永久磁铁

铁氧体：以氧化铁为其主要成份的陶瓷材料。

铝镍钴合金：添加了铝（Al）、镍（Ni）、钴（Co）元素的铁合金。

稀土磁铁：由稀土元素合金所组成的强力永久磁铁，其中最常见的有钕磁铁（也称做钕铁硼磁铁）及钐钴磁铁。

电磁铁

最简单的电磁铁就是绕一圈或数圈的导线线圈，称为螺线管。当螺线管上有电流时会产生磁场，磁场集中在螺线管附近，特别是其内部，其磁场分布和磁铁造成的磁场相当类似，而磁铁的方向可以依照右手定则决定。电磁铁产生的磁场和磁矩和螺线管圈数、截面积及其上面流过的电流乘积成正比。 若导线线圈绕在一般材料时，产生的磁场很小，但线圈绕在软铁磁性材料（例如铁钉）时，其磁场可以增加到原来的数百至数千倍。 电磁铁可以用在马达、粒子加速器、核磁共振影像仪器中。有些应用需要较复杂的磁极，例如粒子束的强聚焦就需要磁四极子或六极磁铁等设备。

电永磁

磁铁的磁化和退磁

将材料加热到居里温度以上，在有外加磁场的条件下冷却，并在冷却过程中锤打材料。这是最有效的磁化方式，也类似工业中制造永久磁铁的方式。

将材料置放在外加磁场中，当磁场移除后，铁磁性材料仍会有磁场，称为残磁。若在有外加磁场时振动材料，效果会更好。

若将一磁铁反复的由材料的一端移动到其另一端，也可以帮助其磁化。

加热到居里温度以上，分子运动会破坏材料的磁域，可以消除所有的磁性。

将材料放在一反复变化的磁场中，而其H场的强度超过材料的矫顽力，然后再慢慢的将材料移出磁场，或慢慢的将磁场强度降到零。这是去磁器对设备及信用卡去磁，以及阴极射线管中去磁线圈的原理。

若磁铁放在磁场强度大于矫顽力的反向磁场中，磁铁可能会部份退磁，不过也有可能被反向磁铁所磁化。

锤打或是撞击：力学上的扰动会打乱其磁域，也会减少其部份磁性。

对人体的影响

静磁场对于人体组织的影响不太大，很少有主流科学研究的证据显示曝露在静磁场下对安全的影响。但已有研究认为电磁辐射（高频的电磁场）和发生癌症的比率有相关性。 若人体组织中有铁磁性的异物，外加磁场可能会有重大的安全风险。 另一种和磁场有关的安全风险是心律调节器。若病人体内有心律调节器，必须远离有强磁场的环境。这也是有安装心律调节器的病人不能进行核磁共振扫描的主要原因。 偶尔会有小孩吞下小磁铁，若吞下超过一颗以上磁铁，磁铁相吸时可能挤压组织造成内出血或穿孔，已有一个因这类原因死亡的案例。

一般用途

对于磁带和其他的磁媒介存储设备像硬盘也是有非常重要的影响作用。在这些材料中，很显然一个磁极代表一个比特（bit），如北极代表1而南极代表0。然而，更换该存储器从一个到另一个，此迟滞作用要求了解已存信息，因为所需的场强在每种情况下都会不同。为了解决该问题，记录系统首先使用带偏移进程过速驱动整个系统到一个已知状态。模拟电磁记录同样适用这种技术。不同材料要求不同的偏移量，这就是为什幺在大多数卡式录音带前端都有一个选择装置（写保护）。