Comment fonctionne un aimant : pôles, lignes de champ, domaines et attraction du fer
Un aimant fonctionne parce qu’un champ magnétique l’entoure, et ce champ attire le fer et d’autres aimants. Dans le fer, les minuscules champs magnétiques des atomes s’alignent dans des régions appelées domaines, et leurs effets s’additionnent au lieu de s’annuler. Les pôles de noms contraires s’attirent et ceux de même nom se repoussent. Un aimant de frigo crée environ 5 mT à sa surface, soit à peu près 100 fois le champ terrestre d’environ 50 µT, mais seulement à quelques centimètres.
Les aimants semblent tirer sur les objets à travers le vide, et on s’y habitue facilement. Ce guide explique comment cela marche : les pôles et les lignes de champ invisibles, pourquoi un aimant colle à la porte en acier du frigo mais pas au bois, ce qui se passe à l’intérieur d’un morceau de fer, et pourquoi la Terre entière se comporte comme un aimant géant qui fait tourner l’aiguille d’une boussole. Il résout les nombres, d’un aimant de frigo à un cap de boussole, et s’achève sur un chapitre de manuel animé où vous pouvez voir vous-même les lignes de champ.
Idées essentielles
- Tout aimant a deux pôles : les pôles de noms contraires s’attirent et ceux de même nom se repoussent. Coupez un aimant en deux et vous obtenez deux aimants plus petits, chacun avec ses deux pôles ; on n’a jamais trouvé de pôle isolé.
- Le magnétisme vient de la charge électrique en mouvement. Dans le fer, le spin des électrons fait de chaque atome un minuscule aimant, et dans un aimant ceux-ci s’alignent dans des régions appelées domaines.
- Le fer, le nickel et le cobalt sont fortement attirés par un aimant ; le cuivre, l’aluminium, le bois et le plastique ne le sont pas. Au-dessus du point de Curie, environ 770 °C pour le fer, celui-ci cesse d’être un aimant.
- La Terre est un aimant géant dont le champ vaut environ 50 µT au sol (de 25 à 65 µT environ), créé par du fer liquide en mouvement dans son noyau. La boussole le suit jusqu’au nord magnétique, qui n’est pas exactement le nord géographique.
Pôles et lignes de champ
Un morceau de magnétite, un aimant naturel fait du minéral du même nom, repose sur une feuille de papier. Saupoudrez de la limaille de fer autour de lui : elle s’aligne en courbes qui vont d’une extrémité, le pôle nord, à l’autre, le pôle sud. Ces courbes sont les lignes de champ, et le champ est le plus fort là où elles se resserrent. Coupez un aimant en deux et vous n’obtenez pas un nord seul et un sud seul, mais deux aimants plus petits, chacun avec ses deux pôles. On n’a jamais observé de pôle magnétique isolé.
Tout champ magnétique est créé par une charge électrique en mouvement. Un électroaimant utilise un courant dans une bobine de fil. Dans un aimant permanent, le « courant » est le spin des électrons à l’intérieur des atomes de fer, dont chacun agit comme un minuscule aimant. En 1820, Hans Christian Ørsted remarqua qu’un courant dans un fil dévie l’aiguille d’une boussole, premier signe net que l’électricité et le magnétisme sont deux faces d’une même force.
Pourquoi les aimants s’attirent, se repoussent et collent au fer
Rapprochez deux aimants. Nord contre nord se repousse et nord contre sud s’attire : les pôles de même nom se repoussent et les pôles opposés s’attirent. Un aimant de frigo typique crée un champ d’environ 5 mT à sa surface, alors que le champ terrestre au sol est d’environ 50 µT. Divisons : 5 × 10⁻³ / 50 × 10⁻⁶ = 100, donc à sa propre surface l’aimant de frigo est cent fois plus fort que la planète. Le champ décroît vite avec la distance. Bien au-delà de la taille d’un petit aimant, il décroît comme le cube de la distance, si bien qu’à distance double il n’en reste qu’un huitième.
Un aimant colle à une porte en acier parce que son champ aligne les domaines du fer voisin, et le fer devient un aimant temporaire dont le pôle opposé fait face à l’aimant. Les deux s’attirent. Le fer, le nickel et le cobalt, et beaucoup de leurs alliages, réagissent avec cette force. Le cuivre, l’aluminium, le bois, le verre et le plastique ne sont pas attirés dans la vie courante, et l’acier inoxydable dépend de l’alliage : certains types sont magnétiques et d’autres non.
Dans le fer : domaines, chaleur et boussole maison
En zoomant sur le fer, on trouve de minuscules régions appelées domaines, chacune une foule d’atomes dont les petits aimants pointent dans la même direction. Dans un clou ordinaire, les domaines pointent dans tous les sens et s’annulent. Un aimant est du fer dont les domaines se sont alignés. Les coups et la chaleur les désordonnent. Au-dessus du point de Curie, que Pierre Curie a étudié dans les années 1890, le fer cesse d’être magnétique. Pour le fer, c’est environ 770 °C, soit 770 + 273,15 ≈ 1043 K. Une fois refroidis, les domaines ne se réalignent en général pas d’eux-mêmes.
Vous pouvez aligner des domaines vous-même. Demandez l’aide d’un adulte, puis frottez une aiguille à coudre en acier une cinquantaine de fois dans le même sens le long d’une extrémité d’un aimant, en la soulevant à la fin de chaque passage. Posez l’aiguille sur un petit morceau de liège ou une feuille dans un bol d’eau calme : elle tourne lentement pour indiquer à peu près le nord et le sud. Attention à la pointe, et n’utilisez que de petits aimants.
La Terre, un aimant, et une boussole chiffrée
La Terre elle-même est un aimant, et les scientifiques pensent que son champ est créé par du fer liquide en mouvement dans le noyau externe. Une aiguille aimantée sur un pivot tourne pour indiquer à peu près le nord. Des auteurs chinois décrivent des aiguilles aimantées au XIᵉ siècle, et le Mengxi bitan (Dream Pool Essays) de Shen Kuo, vers 1088, observe qu’une telle aiguille ne pointe pas exactement vers le nord et le sud. Une boussole trouve le nord magnétique, qui n’est pas le nord géographique de l’axe de rotation. L’écart s’appelle la déclinaison : avec 10°, une marche de 5 km suivant le cap de la boussole finit à 5 × tan 10° ≈ 0,9 km de la ligne vraie.
Le champ terrestre s’étend loin dans l’espace et forme la magnétosphère. Il dévie les particules chargées du vent solaire autour de la planète, et certaines descendent en spirale le long des lignes de champ près des pôles jusqu’à l’air ténu de la haute atmosphère, où elles forment les rideaux lumineux de l’aurore. Les roches se souviennent aussi du champ : la lave qui refroidit sur le fond marin en fige la direction. Les bandes de directions alternées de part et d’autre des dorsales océaniques montrent que le champ s’est inversé de nombreuses fois, la dernière il y a environ 780 000 ans.
Voir le champ d’un aimant dans le VJOURNAL SMART BOOK
Le chapitre « Aimants et champ terrestre » du manuel de physique VJOURNAL SMART BOOK (tome II) sur VITON13 SCHOOL place une scène 3D vivante à côté de chaque paragraphe : une magnétite autour de laquelle la limaille de fer dessine les lignes de champ, deux aimants qui se repoussent ou s’attirent, une aiguille de boussole qui tourne vers le nord, un zoom dans le fer où les domaines s’alignent ou se dispersent avec la chaleur, et le champ terrestre enveloppant le globe avec un flot de particules solaires qui glisse. Sous l’image, un bac à sable à boussole montre l’aiguille suivre le champ.
Servez-vous-en pour vérifier ce guide : cherchez le bloc qui compare un aimant de frigo à la planète et faites vous-même la division des deux nombres. Tout se passe sur la page. Les chapitres suivants montrent comment un courant crée un aimant et comment un aimant en mouvement crée un courant, ce qui est le principe des moteurs et des générateurs.
En mots simples
Imaginez le fer comme une foule de minuscules aiguilles de boussole. Dans un clou ordinaire, elles pointent dans tous les sens et rien ne s’additionne. Dans un aimant, la plupart pointent dans la même direction, et leurs attractions s’additionnent en un seul champ fort avec un bout nord et un bout sud.
À vous de jouer
Dans le chapitre sur les aimants, trouvez le bloc qui compare un aimant de frigo au champ terrestre. Divisez les deux nombres, 5 mT par 50 µT, puis observez comment la limaille et l’aiguille de la boussole suivent le champ.
Résultat attendu
5 × 10⁻³ / 50 × 10⁻⁶ = 100 : à sa surface, l’aimant de frigo est environ cent fois plus fort que le champ terrestre.
Vérifiez votre réponse: Une boussole a une déclinaison de 8°. Vous marchez 10 km en suivant son cap. À quelle distance sur le côté de la ligne vraie finissez-vous ?
10 × tan 8° ≈ 10 × 0,141 ≈ 1,4 km.
Questions et réponses
Comment fonctionne un aimant en mots simples ?
Un aimant a un champ magnétique autour de lui. Dans le fer, les minuscules champs magnétiques des atomes pointent dans la même direction à l’intérieur de régions appelées domaines, donc ils s’additionnent. Le champ attire le fer et d’autres aimants : les pôles de noms contraires s’attirent et ceux de même nom se repoussent.
Pourquoi les aimants s’attirent-ils et se repoussent-ils ?
Chaque aimant a un pôle nord et un pôle sud, et ses lignes de champ vont du nord au sud. Les pôles opposés relient les lignes des deux aimants en une seule boucle et se tirent l’un vers l’autre ; les pôles semblables repoussent les lignes et se repoussent.
Pourquoi les aimants collent-ils au fer mais pas au bois ni à l’aluminium ?
Dans le fer, le nickel et le cobalt, les domaines s’alignent dans un champ extérieur, donc ils deviennent des aimants temporaires et sont attirés. Le bois, le plastique, le verre, le cuivre et l’aluminium n’ont pas de tels domaines et ne montrent presque aucune attraction.
Pourquoi la chaleur détruit-elle un aimant ?
La chaleur désordonne les domaines. Au-dessus du point de Curie, environ 770 °C pour le fer, l’ordre disparaît complètement et le fer n’est plus un aimant. Même des coups de marteau ou de fortes secousses peuvent l’affaiblir.
Comment fonctionne une boussole ?
Une aiguille aimantée sur un pivot s’aligne sur le champ magnétique terrestre et indique le nord magnétique. Il diffère du nord géographique de la déclinaison, qui dépend du lieu et peut atteindre plusieurs degrés.
Les aimants puissants sont-ils dangereux ?
Les petits aimants puissants sont dangereux s’ils sont avalés : deux ou plus peuvent s’attirer à travers les parois de l’intestin et causer de graves blessures, donc gardez-les loin des jeunes enfants. Les autorités de santé conseillent aussi de tenir les aimants puissants à environ 15 cm (6 pouces) des stimulateurs cardiaques et autres implants.
Résumez l’idée en une phrase : un aimant est du fer dont les minuscules aimants pointent dans la même direction. Ouvrez ensuite le chapitre sur les aimants, regardez la limaille tracer le champ et divisez vous-même 5 mT par 50 µT.
Sources et lectures
- HyperPhysics: Magnetic field ↗Sources consultées:
- HyperPhysics: Ferromagnetism ↗Sources consultées:
- NOAA National Ocean Service: Magnetic poles ↗Sources consultées:
- OpenStax University Physics Volume 2: Magnetism and its historical discoveries ↗Sources consultées: