Le magnétisme

Une boussole qui indique le nord, un aimant collé sur le réfrigérateur, un moteur électrique, une IRM à l’hôpital : tous reposent sur le magnétisme. Longtemps considéré comme un phénomène à part, il a été unifié avec l’électricité au XIXe siècle. On parle aujourd’hui d'électromagnétisme : un courant électrique crée un champ magnétique, et un champ magnétique variable crée un courant.

Les aimants et leurs pôles

Tout aimant possède deux pôles, nord et sud :

• deux pôles de même nom se repoussent ;
• deux pôles de noms contraires s'attirent ;
• on ne peut pas isoler un pôle : coupé en deux, un aimant donne deux aimants complets, chacun avec un nord et un sud.

Un aimant attire aussi certains métaux non aimantés : ce sont les matériaux ferromagnétiques, principalement le fer, le nickel, le cobalt et certains de leurs alliages. L’aluminium, le cuivre, l’or ou le plastique ne sont pas attirés de façon perceptible.

Les aimants permanents les plus puissants sont en néodyme-fer-bore (NdFeB), mis au point en 1982.

Le champ magnétique et les lignes de champ

Autour d’un aimant, de la limaille de fer dessine des lignes de champ qui sortent du pôle nord et entrent par le pôle sud. Une petite aiguille aimantée s’oriente le long de ces lignes. Plus elles sont resserrées, plus le champ est intense.

D’où vient le magnétisme ?

Le magnétisme a une origine électrique : toute charge en mouvement crée un champ magnétique. À l’échelle de l'atome, les électrons possèdent un moment magnétique lié à leur mouvement et surtout à une propriété quantique, le spin. Dans la plupart des matériaux, ces petits aimants s’orientent au hasard et s’annulent. Dans un matériau ferromagnétique, ils s’alignent dans des régions appelées domaines de Weiss ; quand la majorité des domaines pointent dans le même sens, le matériau est aimanté.

Au-delà d’une température critique, la température de Curie (770 °C pour le fer), l’agitation thermique détruit cet ordre et le matériau perd son aimantation.

Le magnétisme terrestre et la boussole

La Terre se comporte comme un gigantesque aimant. Son champ est produit par les mouvements de fer liquide dans son noyau externe (effet dynamo). La boussole, décrite en Chine à la fin du XIe siècle puis en Europe à la fin du XIIe siècle, s’aligne sur ce champ.

Deux subtilités :

• le pôle nord magnétique (vers lequel pointe l’aiguille) ne coïncide pas avec le pôle Nord géographique ; il se déplace de plusieurs dizaines de kilomètres par an. L’angle entre les deux directions est la déclinaison magnétique ;
• comme le nord d’un aimant attire le sud d’un autre, le pôle nord magnétique terrestre est en réalité, au sens physique, un pôle sud d’aimant.

Le champ terrestre s’est inversé de nombreuses fois au cours de l’histoire géologique ; la dernière inversion complète date d’environ 780 000 ans. Il protège aussi la Terre du vent solaire ; les particules canalisées vers les pôles produisent les aurores polaires.

L’électromagnétisme

L’expérience d’Œrsted (1820)

Le physicien danois Hans Christian Œrsted observe qu’une aiguille aimantée dévie à proximité d’un fil parcouru par un courant. C’est la preuve qu'un courant crée un champ magnétique. André-Marie Ampère formalise aussitôt les lois de cette interaction ; l’unité d’intensité porte son nom.

L’électroaimant

Un fil enroulé en bobine (solénoïde) parcouru par un courant produit un champ semblable à celui d’un aimant droit. Avec un noyau de fer, on obtient un électroaimant, dont on peut régler la force et qu’on peut couper à volonté : grues de ferrailleurs, sonnettes, relais, haut-parleurs, disques durs.

La force de Laplace et le moteur électrique

Un fil parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique subit une force (force de Laplace) : F = I × L × B lorsque le fil est perpendiculaire au champ. C’est le principe du moteur électrique, qui transforme l’énergie électrique en mouvement.

L’induction (Faraday, 1831)

Michael Faraday découvre qu’un champ magnétique variable fait apparaître une tension dans un circuit : c’est l'induction électromagnétique. Elle est au cœur :

• des alternateurs et dynamos, qui produisent la quasi-totalité de l’électricité du réseau (le rotor tourne dans un champ magnétique) ;
• des transformateurs, qui modifient la tension du courant alternatif (voir l'électricité) ;
• des plaques à induction et des chargeurs sans fil.

Les équations de Maxwell

Entre 1861 et 1865, James Clerk Maxwell réunit l’électricité et le magnétisme en quatre équations. Elles prédisent l’existence d'ondes électromagnétiques se propageant à la vitesse de la lumière ; Maxwell en conclut que la lumière est une onde électromagnétique. Heinrich Hertz produit des ondes radio en laboratoire en 1887-1888.

Les différents comportements magnétiques

Questions fréquentes

Quels métaux sont attirés par un aimant ?

Le fer et la plupart des aciers, le nickel, le cobalt et certains alliages. L’aluminium, le cuivre, le laiton, l’or, l’argent et la plupart des aciers inoxydables austénitiques ne sont pas (ou très peu) attirés.

Un aimant peut-il perdre son aimantation ?

Oui : s’il est chauffé au-delà de sa température de Curie, soumis à des chocs répétés ou placé dans un champ magnétique opposé intense. Les aimants modernes en néodyme perdent moins de quelques pour cent de leur force en plusieurs décennies.

Quelle est la différence entre électricité et magnétisme ?

Ce sont deux aspects d’une même interaction, l’électromagnétisme. Les charges immobiles créent un champ électrique ; les charges en mouvement créent en plus un champ magnétique. Un champ magnétique variable produit à son tour un champ électrique.

Qu’est-ce qu’un tesla ?

L’unité SI du champ magnétique, nommée d’après l’ingénieur Nikola Tesla. Un tesla est un champ très intense : environ 20 000 fois le champ terrestre. On utilise souvent le millitesla (mT) ou le microtesla (µT).