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Le magnétisme... Une conception de physicien? Loin des considérations du commun des mortels? En êtes vous vraiment sûr? Si l'homme des cavernes pouvait considérer le magnétisme comme superflu, ce n'est plus votre cas aujourd'hui. De votre clavier au detecteur d'antivol de votre magasin de vêtements favori, le magnétisme est partout alors si vous êtes curieux du monde qui vous entoure... Je vous invite à la lecture !

Commençons par une expérience : Placez donc, à proximité d'un aimant, une boussole.   Comme je me doute bien que vous n'avez pas forcément tout ça sous la main, voici une vidéo de cette expérience.

Que remarque-t-on ? L'aiguille de la boussole n'indique plus le Nord, mais la direction de l'aimant ! Plus fort encore : Si vous bougez l'aimant, l'aiguille "suit" et s'oriente pour être dans la direction de l'aimant.

Bon, c'est suffisant pour éblouir le petit frère, mais d'où vient ce phénomène ? Il en fait dû à un type de force bien précis : les forces magnétiques .

Dans le cas de la boussole, ce sont les forces magnétiques créées par la convection des roches terrestres en fusion autour du noyau. Cependant, chaque aimant à "son" propre champ magnétique, et, localement, il est plus fort que celui de la Terre. L'aiguille se range donc sous ce nouveau champ, et change d'orientation.

En présence d'un champ magnétique, une aiguille aimantée subit des actions mécaniques (comprenez : elle bouge).

Vecteur Champ Magnétique

Passons aux maths à présent (Mais non, ne fuyez pas, ça va être bien...).

Nous avons vu il y a peu que les aimants n'étaient en fait que des forces magnétiques. Or, si je vous dis force, vous devez penser à....vecteur !  En chaque point P de l'espace entourant un aimant, on va donc définir un vecteur champ magnétique `vec(B)` , avec les caractéristiques suivantes :

• Direction : Celle de l'aiguille aimantée placée au point P étudié.
  
• Sens : Celui de l'axe de l'aiguille.
  
• Valeur : B, bien sûr (norme du vecteur champ magnétique). Au cas où vous l'auriez oublié, norme = "longueur". Cette valeur s'exprime en Tesla (T).

Pourquoi ce mot bizarre, "Tesla" ? 

L'unité vient, comme souvent en physique, du nom du chercheur qui met le phénomène en évidence. Ici, il s'agit de Nikola Tesla, ingénieur et inventeur Serbe.

Mesurer un champ magnétique

Bon, dessiner des vecteurs, c'est bien mignon, mais ça un but bien précis : mesurer la valeur du champ magnétique, c'est à dire la norme du vecteur champ magnétique ` ` !

Alors, comment on le mesure ? A l'aide  d'une sonde de Hall. Son action est la suivante : La sonde détecte le champ magnétique, et envoie (électriquement) une tension proportionnelle à la valeur de B.

Voici un tableau réunissant quelques valeurs de champs magnétiques, pour vous donner un ordre d'idée :

La plus grande valeur que l'on puisse obtenir est, actuellement, de l'ordre de 40 Tesla (T), à l'aide de bobines supraconductrices.

Comme vous venez de le voir, votre corps également émet un (faible) champ magnétique. Il est dû aux différents métaux présents dans votre corps (entres autres, le fer). Mais ne vous inquiétez pas, il est trop faible pour agir sur quoi que ce soit, même pour déplacer une aiguille !

Principe de superposition

Avec l'expérience de l'aiguille aimantée, nous avons vu que l'aiguille subissait 2 forces magnétiques. Vous vous souvenez ?

• L'aimant : C'est la force magnétique la plus proche de l'aiguille, et, localement, la plus forte. L'aiguille s'oriente donc en direction de cet aimant.
• Le champ magnétique terrestre : Eh oui ! Bien qu'il soit localement moins "fort", il est bel est bien présent, même si négligeable.

Mais pensons tordu, et imaginons à présent un système composé d'une aiguille et de...deux aimants, à égale distance de l'aiguille, de valeur de champ identique (tordu, n'est ce pas ?). Que va-t-il se passer ?

Si vous avez pensé à "l'aiguille fait ce qu'elle veut", je vous rassure, ce n'est pas la bonne réponse . En fait, notre aiguille aimantée va tendre à se stabiliser entre les 2 champs magnétiques qu'on lui impose. Mathématiquement, cela nous donne :

`vec(B)(P) = vec(B_1)(P) + vec(B_2)(P)`

Un bon dessin valant mieux qu'un long discours, voici le résultat en image :

C'est pas magnétique, c'est mathématique ...

Le Champ Magnétique Terrestre

Chaque fois que nous l'avons évoqué, c'était pour dire : "il était négligeable". Voici venu le temps d'offrir sa part à ce champ magnétique un peu particulier !

Il est maintenant temps que je vous fasse une révélation digne de l'existence du Père Noël :

La Terre possède 2 Pôles Nord !

On distingue en effet le pôle Nord géographique du pôle Nord magnétique, car il ne sont pas exactement au même endroit (à quelques kilomètres près).

Mais alors, réfléchissons. Je vous ai dit tout à l'heure que deux pôles opposés d'un aimant s'attirent. Or, le pôle nord d'un aimant est attiré par le Pôle Nord terrestre, non ? Alors, où est l'arnaque ?

En réalité, si l'on considère la Terre comme un aimant droit, son pôle Sud correspondrait avec le Pôle Nord terrestre, et son pôle Nord avec le Pôle Sud terrestre (je n'ai perdu personne  ?). Voilà pourquoi le pôle Nord de vos aimants est attiré par le Pôle Nord terrestre  .

Et si nous nous amusions à faire ce que nous avons fait avec nos aiguilles aimantées, mais en considérant uniquement le champ géomagnétique (= celui de la Terre) ?

Quelques considérations à connaître :

• Le plan vertical contenant une aiguille aimantée libre de s'orienter dans le champ géomagnétique définit ce qu'on appelle le plan méridien.
• Dans l'hémisphère Nord, le pôle Nord de l'aiguille aimantée s'oriente vers le sol, et définit avec l'horizontale un angle appelé inclinaison. Cet angle vaut environ 60° en France.
• Je vous ai dit tout à l'heure que le pôle Nord géographique ne coïncidait pas avec le pôle Nord magnétique. L'angle entre les plans formés par le méridien magnétique et le méridien géographique s'appelle l'angle de déclinaison.

Voilà pour la partie vocabulaire, qui compte plus pour votre culture générale .

Le Spectre Magnétique _{(rien à voir avec les fantômes  )}

Vous avez très probablement déjà vu (ou fait) l'expérience suivante : placer, autour d'un aimant, des petits bouts de fer (de la limaille). Pour ceux qui ne l'auraient jamais vue, ou si votre mémoire vous fait défaut, voici le résultat :

(Source)

Qu'est ce que cela veut dire ? La limaille "s'oriente" en quasi cercle autour de l'aimant !

Explications

Chaque élément de limaille de fer agit comme une petite aiguille aimantée. Ainsi, comme nous l'avons vu plus haut, elle s'oriente selon le sens du champ magnétique créé par l'aimant.Lorsqu'on a beaucoup de limaille, comme ici, on peut tracer le spectre magnétique de l'aimant, c'est-à-dire l'ensemble des lignes de champ visibles autour de l'aimant. Une ligne de champ, sont en quelque sorte les sillons créés par la limaille de fer.

Voici quelques propriétés du champ magnétique à connaître absolument (tellement absolument que vous risquez de le retrouver dans le QCM !) !

• Vu qu'il n'y a qu'un seul vecteur champ magnétique `vec(B)` en un point donné, les lignes de champ ne se coupent pas.
• Les lignes de champ "sortent" de son pôle Nord, l'enveloppent complètement (dans l'espace, c'est-à-dire en 3 dimensions), et convergent vers le pôle Sud. Ainsi, les lignes de champ se referment dans l'aimant.

Electroaimant

Electroaimant. Voici un terme dont vous avez sûrement déjà entendu parler...Qu'est ce qui se cache derrière ce nom un peu barbare ? Comme souvent, quelque chose de très simple. Nous allons recommencer l'expérience de la limaille de fer, mais cette fois, nous allons enlever l'aimant....pour le remplacer par autre chose. Nous allons le remplacer par un clou. Tout à fait, un ridicule petit clou, comme celui-ci :

(Source)

Mais ce n'est pas tout; nous allons l'enrouler dans du fil électrique, et alimenter ce fil électrique à l'aide d'une petite pile. Au final nous obtenons quelque chose qui ressemble à ce schéma "fait maison" :

Si vous lancez votre limaille sur une feuille de papier posée sur le clou...vous pourrez constater le même résultat. Nous avons ici créé un aimant artificiel, simulé à l'aide du flux d'électrons qui parcourt le fil. C'est la base d'une bonne partie des appareils électroniques, entre autres la sonnette, le haut-parleur...Electroaimant : vous n'aurez plus peur de ce mot à présent  !

Vient une notion importante du programme de Première : celle de champ uniforme. Un champ est uniforme si le vecteur `vec(B)` est le même en tous les points. Souvenez-vous, deux vecteurs sont égaux s'ils ont :

1. Même direction
2. Même sens
3. Même norme
   

Conséquence, les lignes de champ d'un champ uniforme sont parallèles entre elles. C'est ce qui arrive entre les barreaux d'un aimant en "U", par exemple.

Est il possible de séparer les pôles d'un aimant ?

Lors des cours sur l'électricité, nous avons vu qu'il était possible de créer des charges positives, des charges négatives, et de ne garder que les unes ou que les autres. En est-il de même avec les pôles d'un aimant. Peut-on le casser, pour ne garder que le pôle Nord, ou que le pôle Sud ?

La réponse est : non (et si je le mets en gros, rouge et gras, c'est qu'il ne faut pas se faire piéger  ).

Si vous brisez un aimant en deux parties, chaque partie va se comporter comme un nouvel aimant, avec un pôle Nord et un pôle Sud. Vous pouvez recommencer l'expérience jusqu'à l'échelle microscopique si vous voulez, ca reste vrai.

C'est dû au fait que les propriétés de la matière aimantée dépendent des propriétés magnétiques des atomes qui la constitue.

Déjà la fin ?! Mais rassurez-vous, nous n'avons pas fini d'en découdre avec le magnétisme  . Pour la suite, je vous propose les forces magnétiques créées par un courant, dont nous n'avons que brièvement parlé ici. N'oubliez pas le QCM !