Aimants, un monde magnétique

Vous avez sans doute déjà joué avec deux aimants et remarqué que selon le sens dans lequel vous les approchez l’un de l’autre, ils s’attirent (se collent l’un à l’autre) ou se repoussent.

Mais alors ce « plus » et ce « moins » sur le dessin, attirés l'un par l'autre, collés l'un à l'autre, représentent-ils deux aimants ? Par convention, les physiciens réservent cette notation aux charges électriques (charge positive, charge négative). Dans le cas du magnétisme, on parle de pôle Nord et de pôle Sud. Un pôle Nord et un pôle Sud s’attirent, deux pôles Nord ou deux pôles Sud se repoussent.

Ainsi, même s’il est aussi question d’attraction et de répulsion dans le cas de charges électriques, ces phénomènes sont en réalité fondamentalement différents des phénomènes d’attraction et de répulsion magnétiques.
 
Pour les physiciens, l’une des différences les plus intéressantes est que, d’après ce qui a été observé jusqu'à aujourd'hui, il n'existe pas de pôle Nord (ou Sud) seul, alors qu’il existe des charges positives (ou négatives) seules. Un pôle Nord est toujours accompagné d'un pôle Sud. C'est pourquoi on dit d'un aimant qu'il est un dipôle magnétique. L'existence (ou non) de monopôles magnétiques est une question fondamentale de la physique. On cherche à y répondre depuis plus d'un siècle !

Encore un dessin qui déboussole, merci à Elisa-Joy ! Comme précédemment, un aimant se trouve dans les parages d'une boussole.
 
Son champ magnétique étant beaucoup plus intense que celui de la Terre, il prend le dessus localement. La boussole s’aligne alors sur les lignes du champ magnétique local. Elle n'indique plus forcément le nord.
Une remarque qui a son importance : cela ne veut pas dire que l'aiguille pointe nécessairement vers l'aimant. La direction de l'aiguille dépendra de la forme des lignes de champ là où se situe la boussole. Pour être parfaitement rigoureux, sur le dessin ici présent, vu la forme de l'aimant (en U ou fer à cheval), l'aiguille devrait être perpendiculaire à sa direction actuelle. En effet, les lignes de champ de l'aimant forment des boucles d'un bout du fer à cheval à l'autre, et la boussole se trouve sur le « dos » de l'une de ces boucles !

Pour aller plus loin
De quoi sont faits les aimants artificiels ?
Nous l'avons dit, la magnétite, minéral naturellement aimanté, est un oxyde de fer : elle est composée de fer et d'oxygène. Et les aimants artificiels tels que celui représenté sur ce dessin, de quoi sont-ils constitués ?

Il en existe plusieurs types :
 - la plupart des aimants de réfrigérateur sont en ferrite, un oxyde de fer également. Ils sont reconnaissables à leur couleur gris foncé. Leur champ magnétique est faible, mais ils ont l'avantage de ne pas coûter cher ;
 - les aimants en U ou en forme de barre trouvés souvent dans les écoles sont des aimants AlNiCo : ils sont composés d'un alliage de fer, d'aluminium, de nickel et de cobalt qui permet d'obtenir des formes variées. Le nickel et le cobalt sont, comme le fer, fortement attirés par les aimants (voir les dessins de Salomé et Eliott) ;
 - dans l'industrie, on utilise :
     - des aimants samarium-cobalt, composés de samarium et de cobalt. On en trouve dans certains haut-parleurs ;
     - des aimants au néodyme : ils sont composés d'un alliage de fer, de néodyme et de bore. Ce sont parmi les meilleurs aimants actuellement.

Merci à Anna pour ce dessin câlin ! Vous avez probablement déjà entendu les expressions contradictoires « qui se ressemble s'assemble » et « les opposés s'attirent ».

Dans le monde magnétique, c’est clairement la seconde version qui est à l’œuvre : un pôle Nord et un pôle Sud s’attirent et deux pôles identiques se repoussent.
Mais qu’en est-il du côté des relations sociales ?
Une récente étude publiée dans Journal of Personality and Social Psychology suggère qu’en amitié comme en amour, nous tendons à choisir des partenaires qui partagent nos valeurs [3]. La similarité jouerait un rôle surtout dans les premières phases de nos interactions sociales.
Toutefois, si les interactions sociales peuvent être « physiques », il est délicat d’y chercher des lois aussi implacables que celles de la physique !

Un médiateur / un détail
Aimant = amour ?
Contrairement à ce que l’on pourrait croire, le mot « aimant » ne sous-entend pas qu’il « aime » le fer. Ce mot trouverait son origine dans l’ancien grec « adamas », qui signifie « indomptable ». Cela évoque la dureté de la pierre d’aimant. On retrouve aussi cette racine dans le mot « diamant ». Offrir un diamant aiderait-il à « aimanter » son partenaire ?

En ces temps de confinement, il est vrai que beaucoup d’entre nous se sont (re)mis à cuisiner... et Claire semble ne pas faire exception !

Mais pourquoi nous dit-elle que sa plaque à induction lui fait réviser « l’électromagnétisme » ? Décomposons ce mot.
D’un côté, il y a « électro », qui nous fait penser à « électricité » et « courant électrique » notamment.
De l’autre, il y a « magnétisme », qui fait penser à « champ magnétique ». L’électromagnétisme est né lorsque l’on a découvert, il y a 200 ans, que tout courant électrique s’accompagne d’un champ magnétique.

Si vous démontiez votre plaque à induction (ne le faites pas !), vous verriez que sous la plaque en verre, il y a une bobine de fil électrique enroulée. Lorsque vous mettez en route la cuisinière, vous établissez un courant électrique alternatif (c’est-à-dire qui varie) dans le fil. Il s’accompagne d’un champ magnétique, qui lui aussi est variable. La variation du champ magnétique engendre dans le fond de la casserole plusieurs phénomènes, dont des courants électriques induits, qui le font chauffer.
C’est l’heure du repas ? Allez réviser votre électromagnétisme vous aussi ! 

Pour aller plus loin
L’électromagnétisme au quotidien

Il n’y a pas qu’avec nos plaques à induction que nous pouvons réviser l’électromagnétisme chez nous. Une lampe à dynamo, que l'on trouve parfois sur les vélos, en est un exemple. En tournant, la roue du vélo entraîne un aimant, qui se trouve à côté d’une bobine de fil électrique. La variation de champ magnétique due au mouvement de l’aimant fait naître un courant électrique dans la bobine et la lampe s’allume ! L’électricité que nous utilisons à la maison est d’ailleurs produite sur ce principe-là : on se sert du vent (les éoliennes), de l’eau d’un fleuve (les barrages) ou de la vapeur d’eau sous pression (les centrales nucléaires par exemple) pour faire tourner un « gros » aimant au voisinage d’une bobine.
Mais ce n’est pas tout. On retrouve l’électromagnétisme dans de nombreux autres objets du quotidien : mixeurs, ventilateurs, haut-parleurs, disques durs, freins de poids lourds entre autres.

        

À ce propos, une parenthèse « jeu » nous est offerte par Valentine : sur le dessin ci-contre, saurez-vous retrouver quelle partie des objets violemment attirés par l’aimant est ferromagnétique ? Un indice pour démarrer : la licorne a l’air d’avoir une corne… inhabituelle.

Si les matériaux ferromagnétiques sont fortement attirés par les champs magnétiques, cela ne veut pas dire que les autres matériaux y sont insensibles. Ils réagissent au champ magnétique, mais tellement (tellement, tellement, tellement) faiblement que nous ne nous en rendons pas compte dans les conditions de la vie de tous les jours. Ainsi lorsque nous approchons un aimant d’un morceau de verre ou d’aluminium, nous n’observons aucun effet. Et pourtant…

Il y a grosso modo deux comportements possibles (en dehors du ferromagnétisme).

- Certains matériaux tels que l’aluminium, le tungstène ou l’oxygène sont faiblement attirés par les aimants : ils sont dits paramagnétiques.
- D’autres matériaux comme le carbone, le plomb, l’eau ou le verre sont très faiblement repoussés par les aimants : ils sont diamagnétiques.

Si vous voulez expérimenter le diamagnétisme par vous-même, retrouvez notre collègue Anthony dans l’épisode n° 6 de la série « Les petites découvertes » sur la chaîne YouTube du Palais de la découverte [4].

Pour aller plus loin
Quand le mercure grimpe

Nous l’avons dit, le fer est ferromagnétique. En réalité, pas tout à fait ! Le fer et tous les autres matériaux ferromagnétiques le sont jusqu’à une certaine température, appelée température de Curie. Au-delà, ces matériaux sont paramagnétiques.
La température de Curie est différente pour chaque matériau : pour le fer elle est d’environ 770 °C, pour le cobalt elle vaut environ 1 100 °C et celle du nickel est approximativement de 350 °C. Ainsi dans le noyau externe de la Terre, le fer liquide dont on parlait en début de page n’est pas ferromagnétique car il se trouve à une température beaucoup plus élevée (environ 4 500 à 6 000 °C).
Il existe d’autres matériaux, moins courants, qui sont ferromagnétiques. Certains ont des températures de Curie nettement plus basses. Le gadolinium, par exemple, a une température de Curie d’environ 20 °C. Celle du dysprosium est de ‒180 °C, il faut donc le refroidir pour observer qu’il est fortement attiré par un aimant ! Une jolie expérience à venir voir au Palais de la découverte dès la fin du confinement…

Merci Camil pour ce dessin qui nous permet de revenir sur la notion de champ.

La Terre possède un champ magnétique.
Comme tout objet qui a une masse, la Terre a également ce que l’on appelle un champ gravitationnel.
Le champ magnétique terrestre est très faible, entre 30 et 60 µT (millionième de tesla) ; le tesla est l’unité de mesure de l’intensité d’un champ magnétique.
Il est beaucoup plus faible que le champ magnétique d’un aimant, qui va de quelques milliteslas pour les aimants de réfrigérateur à environ 1 tesla pour les aimants au néodyme industriels, soit approximativement 100 000 fois plus élevé que le champ magnétique terrestre.
En revanche, le champ gravitationnel de la Terre est très élevé, beaucoup plus que celui d’un aimant (qui en a un aussi, du fait de sa masse !) ou même que celui de la Lune !