On a tous fait l'expérience, enfants, de jouer avec des aimants en s'amusant, émerveillés. Mais une fois la phase d'émerveillement passée, on passe normalement à la curiosité. Un enfant a en général une curiosité sans bornes, cependant, l'enseignement de la physique en classes du fondamental puis du secondaire laisse souvent place à de l'incompréhension, une frustration parfois même. Puis, bien souvent, nous oublions après de revenir aux fondamentaux de la physique, excepté lorsque l'on veut exercer dans ce domaine, si bien qu'on laisse ouvertes des tonnes de questions liées à la physique !
Le phénomène de magnétisme en fait partie, tout comme la thermodynamique par exemple. Les adultes sont bien souvent incapables d'expliquer et de comprendre le phénomène de magnétisme, ou même l'électricité. Pourtant, ces deux choses font partie de notre quotidien et nous en faisons sans cesse l'expérience. L'électricité et le magnétisme sont deux branches différentes de la physique, mais pourtant, elles sont régies par une même force en commun…
Comment définir le magnétisme ?
En physique, le magnétisme est la branche de la physique qui a pour objet la force magnétique, autrement dit, l'ensemble des phénomènes physiques au sein desquels les objets exercent des forces d'attraction ou de répulsion sur d'autres objets matériaux. Le magnétisme est en fait permis par un champ magnétique, engendrant ces forces. On observe cette force magnétique uniquement sur des métaux : fer à cheval par exemple. Ils peuvent être de différentes formes et tailles. La force d'interaction entre les aimants est de plus en plus forte à mesure qu'on les rapproche. Il y a donc la notion de distance !
La notion de magnétisme, bien que récurrente dans la vie de tous les jours, surtout dans notre monde ultra-moderne, est très complexe à saisir. Pourquoi, par exemple, deux aimants peuvent s'attirer tout comme ils peuvent se repousser ? Voyons tout ceci !
L'origine du magnétisme
Déjà les Grecs Socrate et Thalès avaient remarqué qu'une certaine pierre, la fameuse magnétite, disposait de propriétés particulières. Elle fut nommée ainsi en raison de la province grecque de Magnésie, où on la trouvait en grand nombre, et voici comment nous en vînmes à nommer cette branche de la physique "magnétisme" ! Apprenez-en plus sur d'autres sujets de la physique, tels que les ondes, les sons et la lumière, via notre article connexe ou bien via des cours dédiés Superprof.
Il s'agissait en réalité simplement d'un oxyde de fer cristallin. L'attraction apparaissait donc lorsque les Grecs rapprochaient cette pierre d'un autre objet, et le rapprochement fut ensuite, plus tard, vite fait avec l'électricité.
Expliquer le magnétisme et sa relation avec l'électricité : l'électromagnétisme
L'électricité et le magnétisme sont intimement liées. Un courant électrique peut générer un champ magnétique, et inversement, bien que ce soit plus rare. Une même force unit les deux branches de la physique que sont l'électricité et le magnétisme : l'électromagnétisme.
L'électricité est fondamentale dans notre monde et dans l'Univers plus largement. Nous ne parlons pas que de l'électricité utilisée par l'humain, détournée, mais également et surtout des réactions électriques non observables à l'échelle humaine. Ainsi, lors du fameux Big Bang, une énergie très puissante fut libérée et produisit différentes particules : les neutrons, puis les protons et électrons. Les neutrons deviennent protons lorsqu'ils se libèrent d'électrons, car ils ne sont désormais plus neutres mais disposent d'une charge positive. Les protons ont une charge positive (+), les électrons une charge négative (-).
La force électrique est donc l'une des propriétés de ces particules, particules dites élémentaires. Les protons et électrons exercent une force très puissante, que l'on appelle donc force électrique. Sans cette force électrique puissante, les électrons ne pourraient graviter continuellement autour du noyau de chaque atome !
Le champ électronique d'un atome
Comme vous pourriez déjà l'apprendre succinctement en cours de physique 3ème secondaire, tout atome dispose d'un champ électrique : il s'agit du nuage électronique, au sein duquel se déplacent continuellement les électrons, autour du noyau de l'atome donc. Entre atomes, au sein d'une molécule typiquement, les électrons d'autres atomes sont attirés par les protons de l'atome en question. Pourquoi ? Parce que les électrons, de charge négative, sont irrémédiablement attirés par les protons, de charge positive, se situant donc dans le noyau de l'atome. C'est ainsi que tout se façonne dans le monde et dans l'Univers : l'électricité et donc la force électrique façonne le monde entier…
A des échelles plus grandes, la force électrique peut se manifester devant nos yeux bien entendu. C'est par exemple le cas de l'une de nos plus grandes peurs, encore incontrôlable en notre ère si "contrôlée" : les orages et leurs éclairs. Les éclairs durant les orages ne sont en fait que des réactions électriques ! Il s'agit, schématiquement, de réactions électriques étant provoquées par des différences d'affinité pour électrons entre les différentes masses d'air.
Les masses d'air chaudes, au sein des nuages, se frottent en allant vers le haut aux masses d'air froides redescendant vers le bas. Il suffit que les masses d'air chaudes et froides se frottent trop, en échangeant ainsi des affinités d'électrons différentes, pour que cela crée des éclairs d'orages.
Les charges positives et négatives
Les protons ont des charges positives, comme nous l'avons vu, et les électrons des charges négatives. En s'associant, durant les fameuses liaisons chimiques, certains atomes viennent prendre les électrons d'autres atomes, et inversement.
Lors du phénomène d'orages dont nous avons parlé ci-dessus, les charges négatives du haut sont attirées par les charges positives des nuages en bas, et également, les charges positives des nuages attirent les électrons plus au sol, sur la terre ferme et dans l'air, créant donc ces éclairs. Lorsqu'un éclair surgit, c'est que la force électrique est tellement puissante que les électrons déstabilisant les atomes présents dans les nuages se font en quelque sorte "éjecter". Les atomes émettent de la lumière, créant ainsi un éclair.
Le champ électrique
On appelle champ électrique la boule de plasma, chargée d'électrons, qui provoque la répulsion de certains électrons, ceux-ci finissant par quitter la boule de plasma et ainsi par créer des sortes de "filaments" liés à la boule de plasma. Une force électrique les lie à la boule. Vous constatez à quel point le champ électrique, et surtout la force électrique, est partout !
Les différences entre électricité et magnétisme
Vos voyez donc bien qu'énergie électrique et énergie magnétique se distinguent, puisqu'on peut passer de l'une à l'autre. En réalité, si électricité et magnétisme sont fortement reliées, il faut parler de ce qui les distingue afin de ne pas commettre d'impair.
La force magnétique est bien plus puissante que la seule force électrique
Tout d'abord, on remarque que la force électrique, en physique, est beaucoup, beaucoup moins puissante que la force magnétique. On fait l'expérience de frotter un torchon en coton ou bien une plume sur (à) un morceau de cuivre : étant donné l'échange d'électrons entre les deux objets, on observe que le torchon est attiré, pendant un court instant, par le matériau.
C'est donc parce que la force électrique est moins puissante que l'exemple de la plume prévaut : ceci ne marche qu'avec un objet léger, contrairement à la force magnétique, qui fonctionne avec des objets matériaux lourds. Un clou et même une grande quantité de clous, tous plus lourds les uns que les autres, sont ainsi capables de demeurer liés, par l'attraction, à l'aimant, sans bouger.
La force électrique est limitée dans la durée, contrairement à la force magnétique permanente
Non seulement l'attraction électrique est plus faible, mais en plus de cela, on remarque que cette attraction de force électrique est très limitée dans la durée, car la plume, par exemple, qui pourtant est on ne peut plus légère, ne reste pas en attraction bien longtemps : quelques dizaines de secondes tout au plus… Alors que la durée d'attractivité dans le cadre de la force magnétique, ou même la durée de répulsion, est éternelle et permanente !
Le type de matériaux concernés
Une autre différence concerne les types d'objets concernés par la force électrique et par la force magnétique. Pour ce qui est de la force électrique, nous observons que tous les matériaux, sans exception apparemment, peuvent interagir avec l'électricité. Alors qu'en ce qui concerne le magnétisme, le phénomène ne peut se produire qu'avec des métaux proches du fer (appartenant à la catégorie "métaux de transition - groupe secondaire du fer" au sein du tableau périodique).
Ainsi, en dehors du fer lui-même, les seuls métaux à répondre à la force magnétique d'un aimant sont le nickel et le cobalt. On constate d'ailleurs que l'atome de fer dispose du numéro atomique 26, tandis que le cobalt dispose du numéro 27 et le nickel du numéro 28. Ce n'est pas un hasard !
La différence de transmissibilité
La force magnétique se transmet d'objet en objet, à condition que l'aimant soit toujours là. Par contre, la force électrique ne se transmet pas entre objets, il n'y a en effet aucune transmissibilité. Si un clou relié à un aimant est lui-même près d'un autre clou, le deuxième clou n'a pas besoin d'être près de l'aimant pour être "aimanté" : il se colle au premier clou, et ainsi de suite !
Les propriétés magnétiques se transmettent donc, contrairement aux propriétés électriques. On remarque même que, si le métal est resté suffisamment longtemps aux crochets de l'aimant, ce métal s'est en quelque sorte lui-même "aimanté" un peu, et pourra ainsi jouer le rôle d'aimant durant les heures qui suivent…
Le champ magnétique : sa relation avec l'électricité
La notion de champ magnétique fut introduite par le médecin anglais William Gilbert durant le XVIe siècle, en introduisant donc les bases du magnétisme. Il s'agit de formaliser les interactions magnétiques, en commençant par déduire qu'un champ magnétique est produit, aussi bien dans la nature qu'en dehors, par tout mouvement de charges électriques. De même, l'aimant sert à produire un courant électrique étant donné qu'un champ magnétique en mouvement engendre systématiquement un courant électrique.
Le physicien James Clerk Maxwell découvrit au XIXe siècle concernant l'électromagnétisme une théorie reprise de la théorie d'Ampère mais allant plus loin, en faisant des modifications : appelée théorie ou théorème de Maxwell-Ampère, il s'agit d'énoncer que les champs magnétiques sont causés soit par les courants électriques (théorie d'Ampère) soit par la variation d'un champ électrique. Il faut toujours que les charges électriques soient en mouvement pour pouvoir exercer un champ magnétique. Une fois créé, le champ magnétique attire ou au contraire repousse d'autres charges électriques en mouvement.
Comment fonctionne un aimant ?
On observe systématiquement dans un aimant un pôle sud et un pôle nord, notés communément S et N. Les expériences menées par les différents savant(e)s et physicien(ne)s au fil des siècles ont permis de comprendre le fonctionnement d'un aimant, quel qu'il soit. Disposant donc toujours de deux pôles, l'aimant va être attiré par un autre aimant à condition que tous deux soient de polarité contraire.
Autrement dit, si l'aimant 1 et l'aimant 2 font se rapprocher le pôle sud du 1 et le pôle nord du 2, alors ils vont s'attirer et rester collés, aimantés. Mais si ce sont le pôle sud du 1 et le pôle sud du 2 qui sont proches, alors il va y avoir polarité identique et donc répulsion des aimants !
Lorsque les deux pôles sont identiques, on observe des phénomènes de répulsion, les aimants ne pouvant être collés.
Expériences phénomènes 1
Aimant 1 Aimant 2
Pôle Nord | Pôle Sud Pôle Nord | Pôle Sud
Dans ce type d'expériences ci-dessus, la polarité est contraire, donc les aimants s'attirent !
Expériences phénomènes 2
Aimant 1 Aimant 2
Pôle Nord | Pôle Sud Pôle Sud | Pôle Nord
Ici, la polarité est identique, donc les aimants se repoussent !
Le magnétisme est également présent au sein d'un atome, si l'on y réfléchit bien : au sein d'un atome se trouve le noyau, contenant les protons et les neutrons. Les protons ont une charge positive, tandis que les électrons, chargés négativement, circulent en tournant au sein de l'atome, mais à l'extérieur du noyau, dans ce que l'on appelle la couche électronique… Chaque atome se comporte un peu comme un petit aimant, donc !
Les liens entre ces sciences que sont l'électricité et le magnétisme, branches sciences de la physique, sont très forts et comment comprendrions-nous d'autres sciences de la physique telles que la mécanique, par exemple, si nous n'avions pas de cours de magnétisme ? Le magnétisme est partout présent autour de nous, expliquant un nombre incroyable de phénomènes.
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