I
Le magnétisme
A
) Magnétisme
1 ) Qu'est-ce qu'un aimant ?
.
C’est
un corps qui a la propriété d’attirer les métaux
ferreux, il existe naturellement dans la nature,
on les appelle des aimants
naturels mais il peut être fabriqué
artificiellement par
un traitement spécifique, que l'on nommera
alors : aimant
artificiel.
Il est généralement en acier dur (cobalt).
En
manipulant 2 aimants, on peut mettre en évidence
l'attraction et la répulsion qui existe entre
les pôles.
2 ) aimantation et magnétisme
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On place un clou sur la graduation 0 d'une règle.
Le long de la règle, on approche
l'aimant du clou.
Lorsque le clou est attiré
par l'aimant, on note la position de
l'aimant.
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Notons
dès à présent que le terme de "magnétisme"
est souvent utilisé à tort pour parler de l'électromagnétisme,
ce dernier n'étant qu'une partie du premier. En
outre, il n'est pas vain de rappeler que les phénomènes
magnétiques sont le fruit du mouvement des
charges électriques.
Ce phénomène s’applique sur
les particules chargées en mouvement qui
constituent les atomes des différents matériaux.
Tous les matériaux n’ont pas le même
potentiel d’aimantation : certains sont
dotés d’un magnétisme permanent comme la
magnétique, appelée aussi pierre d’aimant.
3 ) Notion de pôles magnétique
Certaines pierres naturelles ont le pouvoir d'attirer et de
retenir de la limaille de fer si elles y sont
plongées.
Si un aimant est plongée dans de la limaille de fer nous
nous apercevons que les particules de limaille
adhèrent surtout aux extrémités, l'attraction
y est plus forte. Ces extrémités seront appelées
Pôles
de l'aimant.
Propriétés
des aimants : Chaque aimant comprend donc un pôle Nord et un pôle Sud, situés
respectivement à chaque extrémité de
celui-ci. Si l’on met deux aimants en présence,
les pôles identiques se repoussent, tandis que
les pôles différents s’attirent. Voir figure
1.

figure
1
Un
barreau aimanté A que l’on
sectionnerait, donnerait naissance à plusieurs
aimants B, ayant chacun, un pôle Nord et
un pôle Sud. En plaçant ceux-ci bout à bout,
on obtient à nouveau un aimant unique C,
ayant un seul pôle Nord et un seul pôle Sud.
Les pôles d’un aimant sont inséparables.
Voir figure 2.

figure
2
Aimantation
temporaire : Un barreau d’acier doux à l’état naturel n’attire pas la
limaille ; Si celui-ci voisine un aimant ou
un champ électrique important, il attirera la
limaille. Après séparation il n’attirera
plus la limaille et ne gardera pas son
aimantation (non rémanent).
Aimantation
rémanente : Un barreau d’acier dur, qui voisinera un aimant ou un champ électrique
important, conservera son aimantation une fois
la séparation effectuée, (rémanent).
Corps
magnétiques ou ferromagnétiques : Corps attirés par un aimant ou un champ électrique,
(matériaux ferreux) : Fer, fonte, acier,
nickel, cobalt, vanadium.
Corps amagnétiques ou paramagnétiques : Corps
non attirés par un aimant ou un champ électrique,
(matériaux non ferreux) : Verre, aluminium,
plomb, cuivre, laiton.
B ) Champs magnétiques
1 ) Nature du champ
magnétique
lignes
de champs.
Saupoudrons
de limaille de fer un support horizontal
au-dessous duquel nous avons placé un aimant
droit. Les grains de limaille s'alignent selon
des lignes appelées lignes de champ.
L'aimant modifie localement les propriétés de
l'espace. On dit que l'aimant crée un champ magnétique dans
son voisinage.
Le
Champ magnétique est donc un espace dans lequel un aimant est actif, il est défini
par des lignes de champs allant du pôle Nord au
pôle Sud. Voir figure 3.
Figure
3
On
appelle aimants permanents des matériaux qui génèrent
autour d'eux un champ magnétique sans
intervention extérieure.
Remarque: Un fil
parcouru par un courant électrique se comporte
comme un aimant. Il crée un champ magnétique.
En effet, le champ magnétique
n'est pas crée seulement par les aimants. En
fait, tout courant électrique crée autour de
lui un champ magnétique. On appelle cela un électro-aimant.
C
) Histoire des premières innovations techniques
en électricité et magnétisme
Les phénomènes électriques et magnétiques sont connus de la plus
haute antiquité. Nous présenterons ici les
premières innovations techniques connues en électricité
et magnétisme.
1
) Découverte du magnétisme
Jusqu'en
1820, le seul magnétisme connu était celui des
aimants en fer et des " pierres d'aimants
", des aimants naturels de minerais riches
en fer.
Les
Grecs avaient remarqué que l'ambre attire les
corps légers après avoir été frotté.
D'autre part, ils connaissaient une pierre,
associée à la ville de Magnésie, qui avait la
vertu d'attirer les petits morceaux de fer. Ils
appelèrent cette pierre « magnês »
qui signifie "de Magnésie". Plus
tard, au moyen-âge, cette pierre fut appelé
aimant, du grec adamas, qui veut dire acier.
Ces
deux phénomènes, celui de l'ambre (électricité)
et celui de l'aimant (magnétique) furent
confondus, car ils consistaient tous les deux en
une attraction, une force exercée à distance,
chose très mystérieuse à une époque où on
ne concevait naturellement que des forces de
contact.
Les
phénomènes électriques ne seront pas vraiment
étudiés avant le XVIIe siècle. Les
recherches, à cette époque, se sont limitées
aux travaux de quelques philosophes marginaux.
Par contre, on écrira beaucoup plus sur les phénomènes
magnétiques, en raison de leur rôle dans le
fonctionnement de la boussole.
Au
XIème siècle, les Arabes
utilisaient le magnétisme pour la navigation en
mer
avec la boussole, une invention des
chinois, seize siècles auparavant.
Pourtant,
il fallut attendre encore six siècles avant que
William Gilbert ne réalise les premières études
scientifiques sur le magnétisme. Dans un de ses
ouvrages, il montra que la Terre elle-même se
comporte comme un aimant géant, distingua
attraction magnétique et attraction électrique,
et découvrit que le fer perd son pouvoir
d'aimantation lorsqu'il est chauffé au rouge.
2
) Electricité et magnétisme
Lorsque,
en 1820, un professeur de physique de
l’université de Copenhague, Hans Christian Œrsted,
annonça qu’il venait d’observer qu’un fil
parcouru par un courant électrique provoquait
la déviation d’une aiguille aimantée placée
à proximité, il ne se doutait probablement pas
qu’il ouvrait ainsi la voie à l’électromagnétisme,
qui allait devenir l'un des piliers de la
physique du XIXe siècle. Certes, on soupçonnait
déjà qu'existait une relation de cousinage
entre les phénomènes électriques et magnétiques,
ne serait-ce que parce que l’on savait qu’un
orage, dont la nature électrique avait été établie
par Benjamin Franklin pouvait perturber le
fonctionnement des boussoles. Mais une telle
influence n’avait jamais pu être mesurée de
façon rigoureuse et reproductible.
Au
début du xixe siècle, l'édifice théorique
de cette branche de la physique était constitué
de deux piliers bien séparés : l’électrostatique
d'une part, la magnétostatique d'autre part.
L’électrostatique décrivait les interactions
entre corps chargés électriquement, la magnétostatique
celles entre corps aimantés. Les deux domaines
présentaient bien certaines similitudes, par
exemple la propriété pour les objets étudiés
de se repousser ou de s’attirer, mais ils
semblaient recouvrir des phénomènes de natures
distinctes : un aimant et un corps électrisé
ne s’attirent pas ; un corps électrisé
est soit chargé positivement, soit chargé négativement,
tandis qu’un AIMANT contient toujours deux pôles inséparables, même
lorsqu’on le casse en deux.
Une
semaine après l’exposé d’Œrsted, André
Marie Ampère donna l'explication de ce que
celui-ci avait observé. Il prit comme objet élémentaire
le fil conducteur parcouru par un courant électrique
(ou, plus exactement, une portion infime de ce
fil) et ramena le problème du magnétisme à
celui de l’interaction entre fils électriques.
( Si un fil est susceptible d’agir sur un
aimant, c’est parce qu'un aimant est au fond
lui-même équivalant à une multitude de
boucles de courants ). Ampère trouvait ainsi la
clé de l’ensemble des phénomènes magnétiques
observés, mettant le doigt sur l’origine
commune des phénomènes magnétiques et électriques :
le magnétisme résulte simplement de la présence
de courants électriques, c’est-à-dire de déplacements
de charges électriques.
La compréhension de ce lien entre électricité et
magnétisme fut renforcée par les travaux de
Michael Faraday. Fasciné par l’expérience
d’Œrsted, celui-ci n’eut de cesse de démontrer
l’effet inverse, c'est-à-dire l'induction par
un aimant d’un courant électrique au sein
d’un fil conducteur. Il y parvint en 1831, découvrant
que l’effet ne se produit que si l’aimant
est animé d’un mouvement par rapport au fil.
Ce nouveau phénomène, l'induction électromagnétique,
allait jouer un rôle considérable dans le développement
de l’électricité industrielle.
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