I- Les propriétés de l'aimant

A) Qu'est-ce que le magnétisme

Définition : Caractérise l’ensemble des phénomènes liés aux aimants ou aux champs magnétiques. 

Un aimant permanent à la particularité d'attirer le fer, cependant on peut distinguer:

- les aimants dits "naturels": qui sont dès l'origine aimantés (tels que la magnétite Fe₂O₃),

- les aimants dits "artificiels": qui ne prennent leurs propriétés magnétiques qu'après un traitement préalable.

En présence d’un champ magnétique extérieur, les corps non ferromagnétiques s’aimantent très faiblement, il existe trois types de magnétisme connus à ce jour :

- le paramagnétisme : s’aimantent dans le sens du champ magnétique (ex : aluminium, platine…),                                                                                                                                                    - le diamagnétisme : s’aimantent dans le sens contraire du champ magnétique (ex : or, argent…),                                                                                                                                                         - le ferromagnétisme : certains métaux sont très fortement attirés par les aimants, ils sont dits « aimants permanents », à noter que le ferrimagnétisme est inclus dans les phénomènes ferromagnétismes puisque les matériaux de ce type sont des isolants électriques (ex : la magnétite). 

             Plus un aimant est capable d'attirer à travers un grand nombre de couches, plus sa puissance magnétique est grande mais cette force diminue avec le nombre. Lorsqu’un aimant attire un objet en fer, ce dernier devient aimant à son tour. L'aimant possède des millions de micro aimants, dirigés tous vers la même direction, le fer en possède également cependant ils sont dirigés dans tous les sens. Ainsi lorsque l’on pose un aimant sur un élément en fer, les micro-aimants de ce dernier prennent la même direction, il devient donc à son tour aimant. Or, lorsque l’on retire l’aimant, les micro-aimants du fer reprennent leur position initiale et perd donc son aimantation, ce n’est plus un aimant.

 

Est-il possible qu'un aimant dit "permanent" puisse perdre son aimantation ?

              En 1895, le physicien français, Pierre Curie découvre qu'un matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique porté à une température au-dessus de celle de la température dite aujourd'hui de Curie qui est propre à chaque matériau, entraine la perte instantanée de l'aimantation de ce matériau, une aimantation qui a été perdue à moins de remagnétiser le matériau.


Les dipôles :

            Un aimant possède toujours un pôle Nord et un autre Sud même s'il est divisé en deux parties (cependant certains scientifiques auraient découvert des aimants monopôles, pour de plus amples informations cliquez sur le lien suivant: http://www.larecherche.fr/actualite/aussi/premiers-monopoles-magnetiques-19-10-2009-67680 ) . Par convention le pôle Nord est représenté en rouge et le pôle Sud en bleu. Deux aimants présentant face à face le même pôle, s’attirent, au contraire, deux aimants présentant face à face des pôles contraires, se repoussent (ces phénomènes sont appelés « forces magnétiques »).


B) Qu’est-ce que le champ magnétique ?

            Le champ magnétique est une force invisible qui est en quelque sorte l’espace dans lequel se fait sentir l’activité de l’aimant. Il est représenté usuellement par un vecteur,  qui est définie dans les trois dimensions et par trois paramètres : sa direction, son sens (du pôle sud de l’aiguille vers le pôle nord terrestre), et sa valeur soit son intensité qui diminue à mesure qu’augmente sa distance à la source, qui est mesurée par un teslamètre s’exprimant dans le système international (S.I) en Tesla (de symbole T), il existe également une ancienne mesure encore utilisée dans le système C.G.S (dont les unités de bases sont le centimètre, le gramme et la seconde), le Gauss (de symbole G) qui correspond à 10¯⁴ T.

          Cependant, le champ magnétique qui est normalement invisible peu devenir visible, voici deux vidéos que nous avons réalisées mettant en évidence les lignes de champ magnétique d'un aimant en forme de barre et de U mais avec deux techniques différentes. La première vidéo est réalisée à l'aide d'aimants, de limaille de fer et d'un retroprojecteur: en saupoudrant  la limaille de fer au voisinage d'un aimant, on obtiendra alors des "lignes de champ magnétique" ou des "spectres magnétiques" allant du pôle Nord magnétique de l'aimant à son pôle Sud magnétique. Alors que pour la seconde vidéo nous avons utilisés les même aimants mais nous avons remplacé la limaille de fer par de petites boussoles: le pôle Nord magnétique des boussoles est attiré par le pôle Sud de l'aimant et vis versa. Donc, il est évident que le champ magnétique possède une direction, un sens et une valeur, d'où sa représentation usuelle par un vecteur, .

Lignes de champ n1

Lignes de champ n2

           Ce phénomène est connu depuis l’Antiquité mais ce n’est qu’en 1820 grâce à l’expérience du physicien danois Oersted qu’est mis en évidence pour la première fois un effet magnétique . Faraday réalise de nombreux spectres magnétiques de circuits électriques et d’aimants. Maxwell continue les travaux d’Ampère et de Faraday introduisant par ailleurs les notions de champs magnétique et de champs électrique.

Le sens du champ magnétique

           La règle de la "main droite" ou du "tire-bouchon":  Pour un solénoïde, prenez votre main droite et enroulé là par exemple sur le manche d'un râteau, le pouce pointé vers le haut, l'index et majeur indiquent le sens du courant dans les spires et le pouce, le sens du champ magnétique.

Le champ magnétique terrestre :

            C'est un immense champ magnétique (d’une puissance d’environ 5*10‾ Tesla) qui entoure la planète Terre (il semblerait qu’elle partage cette particularité avec les autres astres de l’Univers même les étoiles) entre 800 et 1 000km d’altitude au niveau de la magnétosphère qui se situe au-dessus de l’ionosphère, généré par l’écoulement de matière ionisée (courants électriques) dans le noyau métallique externe liquide ce situant en son sein (appelé mouvement de convection). Cependant, le champ magnétique terrestre est très faible comparé à un simple aimant de type ferrite dont le champ magnétique est d'environ 3*10¯¹ Tesla ou encore aux magnétars, des étoiles à neutrons ayant un champ magnétique hyperpuissant qui peut aller jusqu'à 10¹¹Tesla. Le premier scientifique à avoir mesuré le champ magnétique de la Terre est le physicien allemand Carl Friedrich Gauss.

           Ce que nous appelons « pôle Nord » est le lieu où « s’enfoncent » à la verticale, les lignes de champs magnétiques mais il correspond en réalité au pôle magnétique Sud,  il fut appelé ainsi par pur analogie avec le pôle Nord géographique qui s’en trouve très proche (distant d’environ 1 500 km). L’angle formé par le pôle Nord magnétique et le pôle Nord géographique se nomme la « déclinaison magnétique ».

            La position du pôle Nord magnétique varie constamment et cela même dans une seule journée, cependant comme ce déplacement reste dans une même zone nous pouvons dire que les pôles magnétiques sont des repères assez stables au regard des temps géologiques.

 

          Il joue un rôle essentiel dans la survie des espèces vivantes sur Terre, en effet, il permet de dévier les particules "mortelles" des vents solaires. Cependant, il fluctue au cours du temps, en effet son intensité et sa direction varie, de plus, il n’est pas homogène sur l’ensemble du globe et il peut se déformer sous la pression des vents solaires (il est aplati côté jour et allongé côté nuit). Il peut arriver que des particules franchissent ce "bouclier" au niveau des pôles et en atteignant l'atmosphère, elles intéragissent avec les molécules de cette dernière, et excitent les atomes qui émettent des photons. On peut alors observer à l'oeil nu les fabuleuses aurores boréales et australes dont les couleurs varient selon les atomes et les molécules excitées. Il peut permettre aussi aux oiseaux migrateurs de se repérer mais permet également à l’homme d’effectuer les prospections minières appliquant l’étude du géomagnétisme (étude des phénomènes liés au champ magnétique terrestre) qui consiste à dresser une carte des profondeurs selon les différentes aimantations des roches qui s’y trouvent. Cependant, il semblerait selon certains scientifiques que l’intensité du champ magnétique terrestre tendrait à diminuer depuis 1 500 ans, son signe le plus spectaculaire étant l’anomalie magnétique régnant dans l’Atlantique Sud. A terme, lorsque le noyau de la Terre se sera refroidie et solidifié, dans quelques milliards d’années, notre planète "bleue" ne possèdera plus de champ magnétique comme aujourd’hui pour la Lune et Mars. 

C)   Qu'est-ce que l’électromagnétisme ?

 

             L'électromagnétisme est l’étude des phénomènes résultant d’une interaction entre les courants électriques et les champs magnétiques. Nous avons vu précédemment qu’un aimant possède un pôle Nord et un pôle Sud et bien, il en va de même pour une bobine parcourue par un courant électrique. Ce lien fut découvert en 1819 par le physicien Hans Christian Oersted lors d’un de ses cours sur l’électricité, en réalisant l’expérience suivante : dévier l’aiguille d’une boussole à l’aide d’un fil parcouru par un courant électrique.

             Voici ci-dessous une expérience que nous avons réalisé illustrant nos propos, nous constatons un lien entre le magnétisme et l'électricité puisque le courant électrique traversant la bobine de fil de cuivre agit comme un aimant sur la boussole. Nous pouvons donc conclure que le courant électrique crée  un champ magnétique.

Oersted

Comment créer à partir d'un courant électrique, un électroaimant?

          Un électroaimant est un objet produisant un champ magnétique lorsqu'il est parcouru par un courant électrique. On peut contrôler l’aimantation de ce dernier, en effet un champ magnétique n’est créé que lorsque le solénoïde est traversé par un courant électrique. C’est un montage constitué d’un solénoïde (bobine cylindrique constitué de fils de cuivre, un composant conducteur) entouré autour d’une barre de fer dit « doux » (par exemple l’alliage fer-nickel, est un matériau constitué uniquement de fer qui gagne et perd donc son aimantation plus facilement qu’un fer dit « dur » comme la ferrite). Lorsque la bobine est parcourue par un courant électrique cela provoque un champ magnétique élevé autour de l’élément en fer. La force de l’électroaimant est alors proportionnelle au courant et au nombre de spires (tour complet d’une spirale). L’électro-aimant peut se résumer ainsi : un aimant contrôlé par un courant électrique. Il est possible d'augmenter l'intensité du champ magnétqiue dans un solénoïde en augmentant par exemple le nombre de spires (nombre de tour) ou encore l'intensité du courant électrique (noté I). 

         Voici ci-dessous une vidéo que nous avons réalisée, elle démontre comment un courant électrique peut transformer un matériau constitué de fer (en l'occurance un clou) en un aimant (la limaille de fer met en évidence l'attraction magnétique).

Magnétisation d'une vis

Le courant induit :

 

            On relit une bobine aux bornes d’un ampèremètre, lorsque l’on approche de la bobine le pôle Nord d’un aimant, on constate la création d’une tension électrique positive. Lorsque l’on  approche le pôle Sud de cet aimant de la bobine, nous constatons la création d’une tension électrique négative et lorsque le mouvement s'arrête, elle s'annule. On dit alors que la bobine est l’induit et que l’aimant est l’inducteur.

 

Quelques lois essentielles:

Force de Lorentz: c'est la force que subit une particule chargée électriquement par exemple l’électron, lorsqu’il traverse un champ magnétique. Ce principe est utilisé dans les moteurs asynchrones triphasés (moteur qui transforme l'énergie magnétique en énergie mécanique).

Loi de Faraday : une variation au sein d’un circuit fermé entraine un courant induit qui perdure le temps de cette variation.

Loi de Lenz : le courant induit s’oppose par ses effets à la cause qui lui a donné naissance.

Principe de Maxwell : énoncé par le physicien et mathématicien écossais, James Clerk Maxwell : «  Le champ magnétique crée un courant dans tout objet conducteur passant à proximité » et « les champs électriques et les champs magnétiques se propagent dans l’espace sous forme d’onde et à la vitesse de la lumière ».

             Donc, l'étude des domaines du magnétisme et de l'électromagnétisme nous ont permis d'expliquer l'étrange particularité de l'aimant à attirer principalement des matériaux constitué de fer. Et, nous verrons que la découverte et la compréhension des champs magnétiques aura très vite permis à l'Homme de s'approprier les aimants allant même jusqu'à en créer lui-même (les électroaimants) se faisant, il en fera un élément indispensable à l'épanouissement et à l'évolution de sa civilisation.

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