Énergie magnétique

L'énergie magnétique est une forme d'énergie ordinaire en physique. Elle désigne l'énergie contenue dans un champ magnétique. Pour créer un champ magnétique, un effort doit être fourni. Cet effort déployé se retrouve alors sous forme d'énergie dans le champ magnétique. On peut l'imaginer comme l'effort nécessaire pour aligner parallèlement tous les aimants élémentaires dans le matériau, c'est-à-dire un effort déployé pour faire tourner les spins atomiques. Les aimants élémentaires alignés parallèlement possèdent à leur tour une certaine énergie potentielle, à savoir l'énergie magnétique.

La quantité d'énergie magnétique stockée dans un aimant après l'alignement parallèle des aimants élémentaires dépend du matériau. La valeur de cette énergie est proportionnelle à la surface sous la courbe dite d'hystérésis.

Le produit d'énergie comme mesure de l'énergie magnétique

L'énergie magnétique peut être calculée à l'aide du produit énergétique et détermine la qualité d'un aimant. Elle augmente au carré avec le champ magnétique. Cela signifie que si un champ magnétique est deux fois plus grand qu'un deuxième champ magnétique tout en ayant la même étendue, il contient alors quatre fois plus d'énergie magnétique.

Plus l'énergie magnétique d'un champ magnétique est grande, plus les forces magnétiques sont importantes. Elles se comportent proportionnellement à l'énergie magnétique. Cela signifie qu'un champ magnétique deux fois plus énergétique possède des forces magnétiques deux fois plus importantes.

Principe de minimisation énergétique

La force qui agit dans une direction donnée se calcule concrètement comme une modification de l'énergie magnétique dans cette direction. Cela peut être imaginé comme un principe de minimisation énergétique. Lorsque le minimum énergétique est atteint, il n'y a pas de direction dans laquelle l'énergie pourrait être davantage minimisée, et toutes les forces disparaissent. Si l'énergie d'un champ magnétique est minimisée quand deux corps se rapprochent l'un de l'autre, une force agit dans la direction qui contribue à la minimisation, donc une force d'attraction entre les deux corps. C'est justement le cas lorsque un morceau de fer est rapproché d'un aimant ou qu'un pôle nord magnétique est rapproché d'un pôle sud magnétique.

En revanche, si l'énergie du champ magnétique est augmentée, comme lors du rapprochement de pôles identiques (c’est-à-dire pôle nord contre pôle nord ou pôle sud contre pôle sud), une force répulsive agit.

Entre un aimant et un morceau de fer ou entre les pôles opposés de deux aimants, il y a de l'énergie magnétique dans l'espace d'air qui est plus grande que l'énergie magnétique dans le matériau. Si le fer a une perméabilité magnétique μ, alors la part d'énergie qui passe par le fer diminue de ce facteur par rapport à l'énergie dans l'espace d'air.

Lorsque l'aimant et le fer se touchent, l'espace d'air et donc également l'énergie de champ dans l'espace d'air disparaissent. En physique, les forces agissent toujours dans la direction d'un minimum énergétique. Cela peut être exprimé de manière générale par \( \vec{F}=-\vec{\nabla}U\) pour toute force \( \vec{F}\) dans un potentiel énergétique U.

Ici, \( \vec{\nabla}\) désigne le "vecteur dérivé" dans toutes les directions spatiales (appelé mathématiquement "gradient") et peut être écrit comme

\( \vec{\nabla}=\left(\begin{array}{c} \frac{\partial}{\partial{x}} & & \frac{\partial}{\partial{y}} & & \frac{\partial}{\partial{z}} \end{array}\right) \)
où \(\frac{\partial}{\partial{x}}\) désigne le "changement" le long de l'axe x, c'est-à-dire la dérivation partielle par rapport à x.

Si, dans le potentiel U, la variation d'énergie est particulièrement forte dans une direction, une force particulièrement forte agit alors dans cette direction.

Applications de l'énergie magnétique

Un aimant peut également fournir un effort. Par exemple, il peut attirer un morceau de fer.

Ensuite, l'énergie magnétique diminue de la part de l'effort déployé. Cependant, le champ magnétique ne disparaît pas pour toujours. L'aimant n'est donc pas détruit si l'on laisse le fer être attiré par l'aimant plusieurs fois et qu'on le retire à nouveau, car en retirant le morceau de fer, un effort doit être déployé de l'extérieur. L'énergie magnétique de l'espace d'air augmente alors à nouveau et restitue au champ magnétique permanent la quantité d'énergie magnétique précédemment perdue.

Si un aimant tourne toujours en cercle dans une bobine, la rotation circulaire effectue un travail sur le champ magnétique qui peut être utilisé pour produire de l'électricité. Le changement de champ magnétique conduit à l'induction d'une tension. C'est ainsi qu'un générateur classique fonctionne.

Utilisation de l'énergie magnétique de la terre

De nombreuses idées tournent autour de l'exploitation de l'énergie magnétique de la terre ou même des champs magnétiques cosmiques. Cependant, il n'est pas possible de le faire le long de la surface terrestre, car ici le champ magnétique est en grande partie constant. Par conséquent, selon la loi générale \( \vec{F}=-\vec{\nabla}U\), aucune force n'agit, car la variation du potentiel énergétique U, à savoir \( \vec{\nabla}U\), le long de la surface de la terre est nulle.

D'après les équations de Maxwell, il n'existe également pas de pôle nord ou sud unique que l'on pourrait accélérer vers le pôle nord ou sud terrestre. Toutes ces idées d'utilisation d'énergie libre ou d'énergie magnétique sont physiquement insensées.

Pour exploiter l'énergie magnétique de la Terre, il faut rapprocher un corps ferromagnétique qui se trouve loin des pôles de la terre de l'un des pôles. Ce faisant, on réduirait l'énergie magnétique du champ terrestre, ce qui pourrait être exploité par exemple par l'induction d'un courant électrique.

L'effet est toutefois minime, car le champ magnétique de la terre est très faible. Une quantité d'énergie bien plus importante est simplement obtenue par la chute dans le champ de gravité de la terre. La quantité d'énergie est cependant au maximum aussi grande que le travail qui doit être fourni auparavant pour éloigner le corps de la terre.