Livre blanc

' 2 & 8 0 ( 1 7 ( 1 6 ( , * 1 $ 1 7
La mallette pédagogique de SOLEIL
Thème : Le Magnétisme
Comment les choses, les idées deviennent-elles des mots ? Simple traduction
du réel, les mots renvoient-ils à des données objectives qu’ils se contentent de
désigner ? Tels sont les mots de la physique. Pourtant eux aussi contiennent une
large part d’histoire et de mythe.
Introduction . . . . . . . . 1
Ainsi le mot magnétisme
reste chargé de mystères.
Ses synonymes sont nombreux :
1. Pe t i t e h i s t o i r e d u m a gnétisme . . . . . . . . . 1
Contenu
2. Le magnétisme de la
Te r r e . . . . . . . . . . . . 5
• aimantation
• autorité, envoûtement, fascination
• fluide, hypnotisme, influence
• somnambulisme, suggestion
• déviation
• mesmérisme
3 . L a p hy s i q u e d u m a g n é tisme . . . . . . . . . . . 8
Figuration du champ lexical du magnétisme
Il faut dire que les phénomènes
(http://dico.isc.cnrs.fr/fr/index.html)
magnétiques sont connus depuis trois
mille ans et les matériaux magnétiques omniprésents dans notre environnement.
Un grand nombre de légendes relatent la découverte de l’aimant, qui date
certainement de l’âge du fer.
1. PETITE HISTOIRE DU MAGNÉTISME
4 . U n e m u l t i t u d e d ’a p p l i c a t i o n s . . . . . . . . . .17
5. L’u t i l i s a t i o n d u r ayo n n e m e n t s y n c h r o t r o n . . . .19
R é p o n s e s d e l a f i c h e é l ève ,
R é f é r e n c e s . . . . . . . .24
1.1 Comment cela a-t-il commencé ?
Les premiers objets magnétiques recensés sont des
perles de fer d’origine météoritique, datant du
quatrième millénaire avant JC, trouvées dans des
tombes sumériennes et égyptiennes.
Il y a plus de 2500 ans, Thalès de Millet savait déjà
que la magnétite, ou pierre d’aimant, attire le fer.
L’une des légendes les plus communes est rapportée par Pline l’Ancien1 : un vieux
berger nommé Magnès faisait paître ses moutons dans
une région au nord de la Grèce, et on dit que les clous
de ses souliers et la pointe en métal de sa houlette se
collèrent à un gros rocher noir sur lequel il se tenait
debout. C’était la pierre d’aimant, la magnétite, un
oxyde de fer, de formule chimique Fe3O4, que nous
utilisons toujours, et il lui aurait donné son nom…
Pendant longtemps, on a pensé que la magnétite
possédait des pouvoirs magiques, comme la capacité
de guérir les malades ou de chasser les mauvais esprits.
Une pierre encore plus puissante que l’ambre, car elle
agit à distance…
1
( 1 ) P l i n e l ’a n c i e n n a q u i t e n 2 3
a p rè s J C d a n s l e N o rd d e l ’ I t a l i e e t
d é c é d a e n 7 9 p rè s d e Po m p é i , l o r s
d e l ’é r u p t i o n d u Vé s u ve. S o n H i s t o i re
n a t u re l l e ( N a t u r a l i s h i s t o r i a ) , q u i
c o m p t e t re n t e - s e p t vo l u m e s, e s t s o n
s e u l o u v r a g e q u i s o i t p a r ve n u j u s q u’à
n o u s. P l i n e a c o m p i l é l e s avo i r d e
son époque sur des sujets aussi
v a r i é s q u e l e s s c i e n c e s n a t u re l l e s,
l ’a s t ro n o m i e, l ’a n t h ro p o l o g i e, l a
p s yc h o l o g i e o u l a m é t a l l u rg i e. Ce t t e
œ u v re a l o n g t e m p s é t é l a ré fé re n c e
e n m a t i è re d e c o n n a i s s a n c e s
s c i e n t i f i q u e s e t t e c h n i q u e s.
Co m m e n t ce l a a - t - i l co m m e n cé ?
Les Chinois se sont tout de suite rendu compte que la magnétite attirait les objets de fer, et que, présentée sous la
forme d’une aiguille, elle pointait toujours dans une direction fixe. La première boussole chinoise connue, décrite
dans un livre de 1044, est constituée d’une feuille de fer aimantée en forme de poisson : « On découpe une pièce
de fer très fine en forme de poisson... On la porte au rouge dans un feu de charbon et on la retire avec une pince.
La queue restant orientée vers le nord, on la trempe dans l’eau pendant quelques minutes. »
Et voici comment, dans un traité militaire (Wou King Tsong Yao), Tseng Kong-Liang - cité dans Tsing Hua, Journal
of Chinese Studies, juin 1956, p. 89 - décrit l’utilisation du poisson-montre-sud : « Au moment de s’en servir,
on place une tasse d’eau dans un endroit sans vent et, à l’équilibre, on lâche le poisson à la surface de l’eau en sorte
qu’il flotte : sa tête indique constamment le sud ».
Photo Michel Houdart : Boussole chinoise du
IIe siècle av. JC (époque Han). Ces premières
boussoles étaient appelées Si Nan (le gouverneur du Sud), car la cuillère pointe vers le sud.
Elle sera remplacée plus tard par une aiguille pivotant sur son axe : le Shen Kuo, compas
marin, flottant dans un récipient d’eau pour atténuer les mouvements du navire, a été
mis au point pendant la dynastie des Song. Les 24 graduations du Si Nan ou du Shen Kuo
sont toujours utilisées de nos jours sur les compas des navires de pêche chinois. Elles sont
composées des huit trigrammes (combinaisons de trois lignes soit discontinues, les lignes Yin, soit continues, les lignes Yang), de signes
astronomiques et des caractères des 12 directions géographiques. La boussole sera introduite en Europe, via le monde arabe, vers le
XIIe siècle. Source : http://www.ifremer.fr.
Les Arabes apprirent des Chinois à se servir de la boussole, et la révélèrent aux Européens au XIIe siècle.
En Europe, le premier livre sérieux sur le magnétisme « De Magnete » est publié par Pierre Pèlerin de Maricourt
en 1269. Il est suivi en 1600 d’un second livre, du même nom, écrit par William Gilbert, le médecin de la
reine Elisabeth 1ère, dans lequel il parle des pôles magnétiques terrestres. William Gilbert y décrit nombre de ses
expériences avec un modèle de Terre appelé Terrella. De ces expériences, il conclut que la Terre est magnétique, et
que c’est pour cette raison que la boussole indique le nord. Entre les deux ouvrages, il y a eu la généralisation de
l’utilisation des boussoles sur les bateaux, le développement du commerce et l’accumulation des découvertes.
1.2 La période moderne
Concernant le magnétisme, la période scientifique commence à partir du XVIIIe avec
Charles-Augustin Coulomb. En utilisant une balance de torsion, il établit la loi de variation
de la force magnétique en fonction de la distance (1785).
I
S
N
Mais la première expérience décisive est faite en avril 1820
par le physicien danois Hans Christian Oersted. Il montre
qu’un fil parcouru par un courant électrique produit un champ
magnétique : « Une boussole placée à proximité de ce fil est
déviée quand le fil est parcouru par un courant électrique ».
L’interaction d’un matériau magnétique avec un courant électrique
produit du mouvement : cette découverte est à l’origine de tous
les moteurs électriques.
2
La période moderne
Le champ magnétique est donc produit aussi bien par un aimant que par un
circuit parcouru par un courant électrique. Cette relation entre magnétisme
et électricité est directement exprimée dans la définition de l’Ampère, l’unité
d’intensité du courant électrique : un ampère (symbole A) est l’intensité
d’un courant électrique qui, passant dans deux fils conducteurs, de longueur
infinie, parallèles et distants d’un mètre, produit entre ces deux fils une force
égale à 2×10-7 N.m-1.
Dès les années qui suivent l’expérience d’Oersted, André Marie Ampère
interprète cette similitude par la théorie du « courant moléculaire » : la matière
contient d’innombrables particules, très petites, chargées électriquement, en
mouvement permanent (voir l’encart de la page 8).
Une autre découverte décisive est celle du « fil magnétique ». Michael Faraday
découvrit, l’année suivante (1821), le phénomène d’induction : un champ
magnétique variable placé à proximité d’une spire crée un courant électrique dans
cette spire. C’est la découverte du processus qui produit de l’électricité dans les
dynamos et les alternateurs à partir d’un mouvement mécanique.
H
d
E
On doit également à Faraday un
phénomène qui porte son nom,
θ
z
l’effet Faraday, découvert en 1845 :
si un faisceau de lumière polarisée
rectilignement se propage dans
un matériau soumis à un champ
magnétique H parallèle à la direction de
propagation, la polarisation du faisceau
va tourner d’un angle , proportionnel
à l’intensité du champ et à la distance
parcourue dans le matériau (voir la mallette
pédagogique « Sciences de l’Univers »).
Le bonhomme d’Ampère
D’après un dessin d’Ampère - Réf. 6
Ampère imagine l’intérieur du
globe terrestre parcouru par des
courants électriques. L’un d’eux
traverse son « bonhomme » (des
pieds vers la tête). Couché sur le
sol, celui-ci regarde une boussole
située au-dessus de lui. Son
bras gauche indique la direction
du pôle nord de la boussole
sous l’action du courant. On a
longtemps utilisé la règle du
bonhomme
d’Ampère
pour
déterminer le sens du courant
dans une spire. Aujourd’hui on
emploie plutôt la règle des trois
doigts de la main droite.
C’est la première mise en évidence du lien entre magnétisme et lumière.
Le fait que la lumière contienne un champ magnétique fait maintenant
partie de la théorie du rayonnement électromagnétique, développée par
James Clerk Maxwell dans les années 1860 et 1870.
En quatre équations, Maxwell décrit un champ électromagnétique : elles
permettront à Hertz de démontrer en 1887 que la lumière est une onde
électromagnétique (avant les travaux de Maxwell, ces équations étaient
exprimées en coordonnées cartésiennes, très difficiles à lire. Personne ne
s’était avisé de leur cohérence).
Chacune de ses équations prise séparément décrit un effet physique :
•
•
Les charges électriques sont à l’origine du champ électrique.
Il n’existe pas de charge magnétique ponctuelle (ou de monopôle
magnétique).
• Un champ magnétique variable crée un champ électrique (phénomène
d’induction).
• Un courant électrique crée un champ magnétique.
Les équations de champ de Maxwell s’appliquent à l’électro-magnétisme et aux
phénomènes optiques, un premier pas vers l’unification des lois de la physique.
Mais Maxwell ne connaîtra pas la profondeur de ce changement. Il meurt en
1879, avant qu’il ait eu le temps de détecter expérimentalement les premières
ondes électromagnétiques.
3
Avec les découvertes d’Oersted
et de Faraday on avait les moyens
de produire de l’électricité et on
savait l’utiliser pour faire des
moteurs.
Équations de Maxwell dans le vide
Le m o d è l e t h é o r i q u e
1.3 Le modèle théorique
Il faudra attendre la fin du XIXe siècle et le début du XXe pour que soit abordée avec succès l’étude théorique des matériaux
magnétiques. Pierre Curie (1859-1906) introduit ou précise les notions de diamagnétisme, de paramagnétisme et de
ferromagnétisme et Paul Langevin (1872-1946) celles de magnétisme induit et permanent ; ce dernier établit aussi la
théorie statistique classique du paramagnétisme.
Dans sa thèse soutenue en 1895 sur les propriétés
magnétiques des corps à diverses températures,
Pierre Curie énonce la loi de Curie (pour un
matériau paramagnétique, la magnétisation
dépend du champ magnétique appliqué et
de la température) et il définit le point de
Curie, température au-delà de laquelle certains
matériaux perdent leurs propriétés magnétiques
(voir pages 14 à 16).
Le début du XXe siècle voit la confirmation de la
théorie atomique de la matière. En 1905, soit 8 ans
après la découverte de l’électron par Joseph Thomson, Paul Langevin, qui
fut l’élève de Pierre Curie, fait l’hypothèse que les matériaux magnétiques
sont formés d’une multitude de petits aimants créés par les électrons en
mouvement. Il propose sa théorie du paramagnétisme : les moments
magnétiques permanents des atomes paramagnétiques s’orientent dans la
direction du champ, mais sont contrariés par l’agitation thermique. De plus,
pour interpréter le ferromagnétisme, il montre qu’il faut prendre en compte
l’interaction entre molécules ; cette suggestion conduit Pierre Weiss (18651940) à l’hypothèse du « champ moléculaire » en 1907.
Einstein, Ehrenfest, Langevin, Kamerlingh
Onnes et Weiss à Leyde au Pays-Bas
Source : Wikipedia
Fait remarquable, toutes ces théories, élaborées dans un cadre classique (c’est-à-dire pré-quantique) restent valables
dans le cadre de la théorie quantique qui voit le jour dans les années 1920 : en 1922, les physiciens allemands
Otto Stern et Walther Gerlach mettent en évidence une propriété cachée de l’électron, son « moment cinétique
intrinsèque » que les physiciens hollandais George Uhlenbeck et Samuel Goudsmit interprètent, en 1925, comme
une rotation de l’électron sur lui-même. «Tourner sur soi-même » se dit « to spin » en anglais. L’idée d’une rotation
propre de l’électron s’avérera erronée par la suite, mais le spin existe bel et bien et apporte une contribution
fondamentale à la compréhension du magnétisme.
De nouvelles avancées sont réalisées dans la description du magnétisme des solides par Louis Néel, qui reçoit le
prix Nobel de physique en 1970 pour ses théories de l’antiferromagnétisme (1936) et du ferrimagnétisme (1948).
Plusieurs des thèmes que Néel a initiés et ensuite développés avec ses collaborateurs sont d’actualité : le magnétisme
des couches minces et des grains fins s’appelle maintenant nanomagnétisme. Les aspects aléatoires de l’hystérésis
ont donné la physique des systèmes désordonnés. Ses travaux trouvent également une application dès 1939 dans
le domaine militaire pour la désaimantation des navires, qui permet de les protéger contre les mines magnétiques.
Dès lors des bases solides existent pour que l’étude des propriétés magnétiques de la matière puisse se développer.
Après la guerre 1939-1945, on assiste à une véritable explosion de la littérature scientifique dans ce domaine,
appuyée par les progrès spectaculaires des moyens expérimentaux.
Ajoutons à ce mini historique Albert Fert. Professeur à l’Université Paris-Sud 11, directeur
scientifique au sein de l’Unité mixte de physique CNRS/Thales, associée à l’Université ParisSud, Albert
Fert reçoit le prix Nobel de physique 2007 avec Peter Grünberg. Cette
Al
distinction
récompense sa découverte de la magnétorésistance géante (Giant Magnetodist
Resistance,
GMR) et sa contribution au développement de la spintronique. La
R
GMR est notamment à l’origine de l’élaboration de têtes de lecture magnétique
extrêmement performantes, qui sont utilisées aujourd’hui dans tous les disques
durs.
d
L’histoire
continue….
L’hist
4
Magnétisme terrestre et orientation – boussole
2. LE MAGNÉTISME DE LA TERRE
Pôle nord
magnétique
2.1 Magnétisme terrestre et orientation – boussole – déclinaison
magnétique
A l’image d’un barreau aimanté,
la Terre présente deux pôles
magnétiques de polarité opposée.
C’est cette propriété qui fait
que, depuis que les Chinois l’ont
inventée, la boussole s’avère très
utile pour les marins... et tous les
voyageurs qui s’écartent des sentiers
balisés et doivent calculer leur cap.
En prenant une boussole en main, chacun a déjà remarqué que l’aiguille
aimantée s’oriente dans une direction bien précise. Cette direction est celle
du pôle nord magnétique.
En 1700, Edmond Halley (celui qui a découvert
la périodicité de la fameuse comète qui porte
son nom) a conçu l’idée nouvelle de montrer la
déclinaison magnétique sous la forme de cartes
de contour et a publié la première carte des
lignes isogones de l’océan Atlantique. Depuis,
on met à jour régulièrement de telles cartes.
Le champ magnétique terrestre évolue dans
le temps. Depuis 400 ans, la valeur de la
déclinaison a diminué ; les pôles magnétique et
géographique se rapprochent.
Aujourd’hui l’usage de la boussole est dépassé par celui du GPS (Global
Positioning System), système de positionnement par satellite.
2.2 L’évolution du champ magnétique sur les temps géologiques
Selon les études de John Tarduno de l’Université de Rochester (États-Unis),
la Terre possédait déjà un champ magnétique il y a 3,45 milliards d’années.
Cependant il n’est pas constant : des inversions de pôles se produisent
régulièrement.
La théorie actuellement retenue attribue ce champ à des courants de
convection dans le noyau de fer liquide.
Pôle Nord
géographique
NG
NM
Déclinaison magnétique
L’axe magnétique de la Terre fait
actuellement un angle de 11,5°
avec l’axe de rotation de la Terre
(du pôle Nord au pôle Sud géographique). On appelle déclinaison magnétique l’angle entre le
nord magnétique et le nord vrai.
Une personne qui suivrait sans
correction l’aiguille de la boussole aboutirait finalement au
pôle nord magnétique, mais pas
en empruntant le chemin le plus
court !
La première évaluation connue
de la déclinaison magnétique a
été réalisée par les Chinois vers
l’année 720 de notre ère. En Europe, le concept de déclinaison
était connu au début du XVe
siècle, mais sa première mesure
remonte à 1510. L’importance de
la déclinaison pour la navigation
est évidente. Les marins ont inventé très tôt des méthodes pour
la mesurer et ont commencé à
compiler des valeurs de déclinaison pour des points dispersés un
peu partout sur la planète.
SIMULER NUMÉRIQUEMENT LA DYNAMO TERRESTRE : le métal liquide conducteur en
mouvement est situé entre la graine (au centre en vert, résultat de la cristallisation du
noyau, qui a aujourd’hui un rayon de 1220 kilomètres) et le manteau (sphère externe
transparente). Les lignes blanches représentent les lignes de champ magnétique à
l’intérieur du noyau terrestre. Elles sont tordues et étirées par l’écoulement du métal
liquide. A gauche, vue du pôle Nord, et à droite, vue à partir du plan équatorial. Les
petites sphères représentent le champ magnétique à la surface de la terre. (UMR7154
- Institut de physique du globe de Paris (IPGP) Photothèque CNRS / Aubert Hulien)
ENREGISTRER LE CHAMP MAGNÉTIQUE : au moment de la solidification d’une roche, les petits grains
ferromagnétiques présents dans la roche s’orientent en fonction du champ magnétique terrestre et
conservent cette orientation une fois refroidis (rémanence thermomagnétique). Cela est dû au fait
que les minéraux, en se refroidissant, passent à une température inférieure à leur point de Curie,
température à laquelle un corps ferromagnétique peut enregistrer un champ magnétique.
5
L’é vo l u t i o n d u c h a m p m a g n é t i q u e t e r r e s t r e
L’intensité du champ magnétique principal a diminué d’environ 40% au cours
des derniers deux mille ans, après avoir augmenté pendant quatre mille ans.
0
Des inversions, c’est-à-dire l’échange des pôles magnétiques nord et sud, se
produisent à intervalles irréguliers, de l’ordre du million d’années ; on connaît
assez bien les inversions des 160 derniers millions d’années grâce à des datations
par radio-chronologie des minéraux magnétiques, relevés en particulier dans
les basaltes des fonds océaniques.
45
5
50
10
Les inversions sont les anomalies les plus étonnantes. Elles ont été mises en
évidence pour la première fois en France en 1906 par le géophysicien français
Bernard Brunhes (1867-1910), qui a observé une lave du Massif central
aimantée en sens inverse par rapport aux lignes du champ magnétique.
15
Millions d’années
Il a ensuite fallu attendre les années 1960 pour que les études se multiplient
en divers points du globe et reconnaissent ces phénomènes d’inversion comme
une caractéristique globale du champ magnétique terrestre. Une échelle
chronologique des inversions géomagnétiques a pu être établie et, même si
elle est constamment remise à jour grâce aux nouvelles données et aux progrès
analytiques, elle est relativement bien établie pour les derniers 100 millions
d’années.
55
60
20
65
25
70
1
Echelle des polarités magnétiques de Heirtzler et al. (1968) : c’est l’échelle originale,
basée sur l’extrapolation des mesures des anomalies magnétiques. Les mesures
proviennent de l’Atlantique sud. En noir, la polarité est normale par rapport à la polarité du
champ magnétique actuel. En blanc elle est inversée.
30
75
35
Ces inversions sont observées à partir des archives géologiques telles que les empilements de
coulées de lave ou les séquences sédimentaires qui s’accumulent au fond des océans.
(1) Heirtzler, J. R., Dickson, G. O., Herron, E. M., Pittman III, W. C., and LePichon, X., Marine
magnetic anomalies, geomagnetic field reversals, and motions of the ocean floor and
continents, J. Geophys. Res., 73, 2119-2136, 1968.
80
40
SEQUENCES SEDIMENTAIRES : le sédiment qui se
dépose dans le fond océanique contient des minéraux
magnétiques dont le plus connu et le plus facile à
détecter est la magnétite. Ces minéraux permettent de
connaître le champ géomagnétique qui était présent
au moment et sur le site où le sédiment s’est déposé.
Au cours des campagnes océanographiques, les
chercheurs du Laboratoire des Sciences du Climat
et l’Environnement (LSCE, unité mixte de recherche
CEA-CNRS-UVSQ) ont effectué des carottages pour
étudier, notamment, les changements climatiques
dans le passé. Ces mêmes carottes permettent également de retracer les variations passées du
champ géomagnétique (Dossier de presse : Du magnétisme naturel au magnétisme en laboratoire,
27/09/2007- www.cea.fr/presse).
Mise en œuvre du carottier
A NOTER : Le paléomagnétisme désigne le champ magnétique terrestre passé, et par extension la discipline
scientifique d’étude de ses propriétés. Il a permis de mettre en évidence la dérive des continents et peut être
également utilisé à des fins de datation : l’alignement des particules ferromagnétiques (aimantation permanente)
d’une roche reflète la direction du champ magnétique terrestre au moment où elle s’est refroidie. Connaissant la
carte de variation du champ géomagnétique en fonction du temps dans le lieu considéré, on en déduit l’âge de
solidification de la roche ou de l’objet pris dans la roche.
Pour l’exploration minière également, des mesures de champ magnétique donnent la signature de certaines roches
magnétiques et permettent de les cartographier.
6
La magnétosphère - les aurores polaires
2.3 La magnétosphère - les aurores polaires
Le vent solaire est un flux de particules éjectées de la haute atmosphère
du Soleil. Les particules sont essentiellement des protons - c’est-à-dire des
noyaux d’hydrogène - (85%), des noyaux d’hélium (12,5%), des électrons
(1,5%) et des noyaux plus lourds (1%) allant jusqu’au fer.
Le vent solaire qui arrive vers la Terre interagit avec le champ magnétique
terrestre pour former une magnétosphère bien caractéristique (un peu
comme un obstacle dévie le courant d’une rivière).
Pour des altitudes inférieures à environ 10 rayons terrestres (65 000 km), les
lignes de champ enveloppent la Terre d’un pôle à l’autre. Mais le vent solaire
exerce une telle pression sur le champ magnétique qu’il génère du côté
opposé au Soleil une queue magnétosphérique qui s’étire jusqu’à plusieurs
milliers de rayons terrestres.
Le vent solaire n’est qu’une composante du flot de particules qui sillonne
l’espace de notre galaxie dans toutes les directions, et qu’on appelle le
rayonnement cosmique. La Terre, comme les autres planètes, est exposée à
ce rayonnement. Mais les lignes de champ de sa magnétosphère dévient les
particules, qui s’écoulent de part et d’autre. Leur entrée est tout de même
facilitée aux pôles où les particules suivent les lignes de champ et interagissent
avec les molécules de la haute atmosphère pour induire les phénomènes
d’aurores polaires, à plus de 80 km d’altitude.
Représentation bidimensionnelle,
dans un plan méridien, du champ
magnétique terrestre, d’après le
modèle de Tsuganenko 87.
Le vent solaire, symbolisé par
des flèches jaunes, engendre
par son interaction avec le
champ magnétique terrestre une
cavité nommée magnétosphère,
représentée par les zones orange
et jaune, où sont confinées
les lignes de force du champ
magnétique. (UMR8639 - CEPTH Vélizy
(etc…) Photothèque CNRS / Robert Patrick)
La Terre, planète protégée
La magnétosphère forme un « bouclier magnétique » qui protège la
Terre des rayons cosmiques, nocifs pour la vie (ce sont des rayonnements
ionisants, comme ceux émis par les produits radioactifs). Et qu’en est-il
des astronautes ? Les stations qui tournent en orbite à 400 km d’altitude
sont encore sous le parapluie de la magnétosphère. Vingt-quatre hommes
seulement se sont éloignés de la Terre à plus de 1000 km, en franchissant
le bouclier magnétique… ce sont les astronautes des missions lunaires du
programme Apollo entre 1968 et 1972. Située à 380 000 km, la Lune ne
possède ni atmosphère, ni magnétosphère. Sans protection, elle est donc
exposée au vent des particules. L’exposition aux rayons cosmiques y est 5000
fois supérieure à celle observée sur Terre, mais les douze hommes qui ont
marché sur la Lune n’ont subi aucun dommage car ils ne sont restés que trois
jours au plus.
Le lien étroit entre le Soleil et
l’atmosphère dans la formation
des aurores polaires a été
compris lors de la deuxième
Année Polaire internationale
(1932, 1933).
Les particules pénètrent aux
pôles par des sortes d’entonnoirs
et frappent la haute atmosphère.
Sous le bombardement, l’air
raréfié s’illumine comme dans
les tubes de néon, provoquant
les aurores polaires, boréales
au nord, australes au sud. C’est
le phénomène de fluorescence
qui donne cette couleur si
féérique, verte sur les molécules
d’oxygène, et rouge sur les
molécules d’azote.
A noter : les planètes comme
Mercure,
Jupiter,
Saturne,
Uranus ou Neptune ont aussi leur
magnétosphère.
Crédits : NASA
7
Le s d i p ô l e s, l e s a i m a n t s, l e s c i r c u i t s é l e c t r i q u e s e t … l a Te r r e
3. LA PHYSIQUE DU MAGNÉTISME
La question pourrait être « qu’est-ce qu’un champ magnétique ? » D’une façon générale, un champ caractérise les propriétés
de l’espace. Comme le champ de gravitation ou le champ électrique, le champ magnétique est un champ vectoriel qui
traduit une action à distance. Il est détecté par une aiguille aimantée dont l’orientation définit la direction et le sens du
vecteur « champ magnétique » au point où elle est placée.
Petit rappel historique : comme l’éther en mécanique, les fluides magnétiques sont apparus assez tôt pour décrire le
magnétisme. Dans les deux cas ce modèle a finalement fait place à d’autres, tout en gardant un sens profond dans
notre vocabulaire. Le texte ci-dessous date de la fin du XIXe siècle.
Cours de physique de l’école polytechnique - 1866 - Théorie du magnétisme
Nous avons exposé et discuté la théorie des fluides électriques et magnétiques. Imaginés pour satisfaire au besoin d’expliquer, ils ont
cette commodité de rattacher les faits par une relation hypothétique à une cause possible. Mais ils n’ont pas d’existence démontrée,
et nous pouvons y renoncer sans aucun scrupule, si nous venons à découvrir ou leur insuffisance ou leur inutilité. Or leur insuffisance a
été reconnue quand Oersted a découvert l’action d’un courant sur un aimant, que rien ne faisait
soupçonner, et l’inutilité des fluides magnétiques est devenue manifeste quand Ampère eut prouvé
qu’on peut reproduire toutes les propriétés des aimants avec des courants enroulés en hélice : cela
conduisait naturellement à penser que les aimants sont des solénoïdes constitués par des courants
intestins.
D’après ces idées, Ampère abandonne absolument l’hypothèse du fluide magnétique et il la remplace
par une autre : il suppose que dans un barreau aimanté les molécules peuvent être groupées en files
sensiblement parallèles à l’axe ; qu’elles sont entourées par des courants circulaires de même sens, dont
les plans sont perpendiculaires aux lignes… Assez proche de la « vérité », l’élève Ampère…
3.1 Les dipôles, les aimants, les circuits électriques et… la Terre
Un aimant est un objet qui produit un champ magnétique. Ce champ exerce (ou induit)
une force magnétique sur toutes les particules chargées en mouvement (et principalement
les électrons dans la matière). Un aimant a deux pôles où la force magnétique est la plus
forte, le pôle nord et le pôle sud. L’aimant le plus simple est l’aimant droit, souvent
appelé « dipôle ». Par convention, le champ sort du pôle nord, décrit une ligne de
champ (en tout point tangente au vecteur) et entre par le pôle sud. Les lignes de champ
ne se croisent jamais ; elles partent et finissent toujours dans la matière aimantée. Elles
sont concentrées là où la force magnétique est forte et sont espacées là où elle est faible.
Les dessins montrent souvent le champ dans un plan (comme ci-contre) ; en réalité, il
se trouve dans l’espace à trois dimensions.
Au XIIIe siècle, Pierre Pèlerin de Maricourt, dont nous avons déjà parlé page 2, essaya en vain d’isoler un monopôle
(un aimant à un seul pôle), en coupant en deux une tige aimantée, puis en recoupant en deux l’un des morceaux
restants : deux pôles différents apparaissaient à chaque fois. Ce comportement ne sera compris qu’au début du XXe
siècle : l’électron lui-même est l’aimant dipolaire ultime !
En électricité, l’objet élémentaire est la charge électrique. En magnétisme, les choses ne sont pas si simples.
m
N
r
q
v
S
Dipôle magnétique
Champ d’un dipôle magnétique
Il n’existe pas de « charge magnétique élémentaire » : tout ce que l’on peut dire c’est que le phénomène élémentaire est
une charge électrique en mouvement. On va définir le modèle élémentaire du magnétisme, le dipôle magnétique,
comme une charge en mouvement circulaire. On lui associera un pôle nord et un pôle sud, par analogie avec le
champ magnétique d’un aimant, et on calculera son moment magnétique :
8
Le s d i p ô l e s, l e s a i m a n t s, l e s c i r c u i t s é l e c t r i q u e s e t … l a Te r r e
N
N
S
N
S
Champ induit par une bobine
parcourue par un courant
S
Champ d’un barreau
aimanté
Champ magnétique
de la Terre
Cette forme de champ magnétique, qui est le champ du dipôle, est bien
connue. Figuré au centre, c’est un barreau aimanté. Depuis que Faraday a
découvert l’induction électromagnétique, on sait très bien qu’une bobine
est assimilable à un dipôle. La Terre, enfin, possède ce champ magnétique
à cause de la mobilité de son noyau ferreux. Il est assimilable à celui d’un
aimant droit qui serait placé en son centre, et dont le pôle sud serait placé
près du pôle Nord géographique.
MATÉRIALISATION DU CHAMP
MAGNÉTIQUE
Le champ magnétique peut être
visualisé facilement à l’aide de
limaille de fer.
Energie potentielle et force magnétique
N
S
N
S
S
N
S
N
S
N
N
S
N
S
S
N
Attraction et répulsion de barreaux aimantés
Un aimant exerce des forces sur un autre aimant.
L’action exercée par un champ magnétique sur un moment magnétique repose sur un principe classique en physique : la recherche de l’énergie minimum. L’action mutuelle de deux barreaux aimantés dépend de la position de
leurs pôles : attraction lorsque les pôles sont de polarité opposée, retournement ou répulsion dans le cas inverse.
Retournement : l’énergie potentielle d’interaction entre un champ magnétique et un moment magnétique est donnée par le produit scalaire de deux vecteurs écartés d’un angle .
Le moment magnétique d’un aimant va donc tendre à s’aligner avec le champ magnétique
(pour rendre l’angle plus petit ou le cosinus plus grand) : si l’aimant est libre de le faire, il va
tourner.
Attraction/répulsion : une fois retourné, l’aimant va aller vers le champ H maximum :
comme le champ magnétique est le plus intense dans les zones de l’espace où les lignes de champ sont les plus
resserrées, il sera attiré suivant l’orientation de ses pôles.
Si l’aimant n’a pas la liberté de se retourner, il sera repoussé.
Si le premier aimant est fixé (tenu par l’expérimentateur, par exemple), le second
va avoir tendance à s’aligner suivant les lignes de champ : dire que les aimants ont
tendance à s’orienter selon les lignes de champ, c’est la même chose que dire que
les pôles opposés s’attirent et les pôles de même sens se repoussent !
9
Sy s t è m e s d ’ u n i t é s, g ra n d e u r s… e t o r d r e s d e g ra n d e u r
3.2 Systèmes d’unités, grandeurs… et ordres de grandeur
Les grandeurs et les unités du magnétisme varient d’un auteur à l’autre. Les notations des ingénieurs diffèrent de celles
des physiciens et la plupart des articles sur le magnétisme ont été écrits en unité C.G.S (centimètre, gramme, seconde)
alors qu’on s’exprime aujourd’hui en unités SI (Système International). Pour réduire cette complexité, nous allons
présenter de manière succincte les grandeurs fondamentales en utilisant les notations recommandées par la Commission
Electrotechnique Internationale.
Partons de la phrase suivante : « Toute substance (solide, liquide ou gazeuse), placée dans un champ d’excitation
magnétique H, est le siège d’une aimantation M, par induction B, dans un sens ou dans l’autre. »
H (en A.m-1) : le champ d’excitation magnétique H (ou champ magnétique appliqué) est créé par toute charge
électrique en mouvement ou par un aimant permanent. H ne dépend que de la source.
B (en tesla, T) : plaçons la substance dans le champ d’excitation magnétique H (voir le dessin ci-dessous). H induit
dans cette substance une « aimantation ». Les lignes de champ se déforment (en se séparant ou en se concentrant,
selon la substance). Le champ résultant est appelé « champ d’induction magnétique » B. B dépend de la source et
de la matière aimantée.
(sans dimension) : est la perméabilité du vide (constante universelle).
est la perméabilité relative de la substance par rapport au vide. C’est en quelque sorte la capacité de la substance
à canaliser les lignes de champ. De façon imagée (voir le dessin ci-dessous), est le rapport du nombre de lignes de
champ entre le matériau et le vide. est proche de 1 dans une substance très peu magnétique (diamagnétique ou
paramagnétique) et très supérieur à 1 dans une substance magnétique (ferromagnétique) - (Plus de détails au .
Type
Matériau
Diamagnétique
Paramagnétique
Ferromagnétique
(sans dimension) : m est la susceptibilité magnétique. Elle traduit la capacité de la matière à acquérir une
m
aimantation M sous l’effet d’un champ d’excitation magnétique H.
M (en A.m-1) : l’aimantation M est la somme des moments magnétiques m (en A.m2) portés par les électrons (qui
sont « réorientés » par le champ d’excitation magnétique H) au sein de la matière.
On peut alors donner une nouvelle définition de l’induction magnétique B. C’est la résultante, dans la matière
aimantée, au facteur de conversion μ0 près, du champ d’excitation magnétique H et de l’aimantation M.
On notera que B est défini par ses effets alors que H est défini par la façon de le créer. En dehors de la matière
aimantée,
et H sont donc « identiques » et
traduit un simple changement d’unité
(puisque B est en tesla et H en ampère.mètre carré). L’ambiguïté qui découle du fait que B et H sont souvent
appelés « champ magnétique » est alors sans conséquence. Cette remarque n’est évidemment plus vraie dans les
matériaux magnétiques, comme les aimants permanents.
10
Sy s t è m e s d ’ u n i t é s, g ra n d e u r s… e t o r d r e s d e g ra n d e u r
En bref...
Grandeur
Notation
Champ d’excitation magnétique
Champ d’induction magnétique
Aimantation
Moment magnétique
10-15
ampère/mètre (A.m-1)
tesla (T) - (1 T = 1 kg.s-2.A-1)
ampère/mètre (A.m-1)
ampère.mètre carré (A.m2)
H
B
M
m
terrestre
Unité
électro-aimant
10-6 10-4 0,1
1
10
interstellaire
permanent
faibles
100
1000
magnétar
10+9
intenses
Ordres de grandeur des champs d’induction magnétique, en tesla
Champs magnétiques produits par différentes sources
Source
Champ d’induction magnétique B
Cerveau humain
Cerveau de souris
Cœur de souris
A 100 mètres d’une ligne TGV
Champ magnétique terrestre en France (et aux Pôles)
Sous une ligne haute tension
A 1 cm d’un fil où circulent 5 ampères
Aimant de réfrigérateur
Bobine de 1000 spires (diamètre = 5 cm et I = 5 A)
Aimant permanent fabriqué à l’aide d’oxyde de fer
Aimant permanent très fort (à base de composés de terres rares)
Aimant de haut-parleur
IRM (les bobines des aimants sont refroidies à l’hélium liquide)
Champ de confinement du plasma dans la machine ITER
Champ magnétique intense généré en laboratoire
Étoile à neutrons
Magnétar (2)
(1) A Neurospin (recherche CEA), jusqu’à 11,7 T pour l’homme et 17,6 T pour la souris.
(2) Un magnétar est une étoile à neutrons disposant d’un champ magnétique hyper-puissant, qui émet des
radiations électromagnétiques de haute énergie.
Moments magnétiques atomiques
•
•
•
11
A l ’é c h e l l e m i c r o s co p i q u e : m o m e n t m a g n é t i q u e d e s a t o m e s
3.3 A l’échelle microscopique : le moment magnétique des atomes
Nous avons entrevu l’importance des charges en mouvement dans le magnétisme : à l’échelle atomique, nous allons voir que
le mouvement des électrons autour des noyaux et leur spin sont les composantes d’un moment magnétique atomique qui est
rarement nul. Nous allons voir aussi que les liaisons chimiques semblent avoir pour « politique apparente » d’annuler la
somme des moments magnétiques des molécules formées. Mais pas dans tous les cas.
La contribution des électrons au magnétisme est fondamentale : elle explique pratiquement toutes les propriétés
magnétiques de la matière macroscopique. Cette contribution est double car l’électron possède un moment
magnétique orbital (la charge en rotation autour du noyau) et un moment magnétique intrinsèque appelé « spin »
(qu’on assimile souvent à la rotation de l’électron sur lui-même car, bien que l’image soit fausse, elle est pratique
pour représenter cet effet…). Le moment magnétique d’un atome est la
Moment de spin
somme des moments magnétiques des électrons qu’il contient.
Moment orbital
Lorsque deux électrons sont appariés (lorsqu’ils forment une paire avec
des spins opposés), leurs moments magnétiques sont de sens opposé et
s’annulent. Ainsi, une couche électronique pleine n’est pas magnétique.
Le magnétisme est une propriété des couches électroniques incomplètes.
Hydrogène
H (Z=1)
1s1
Hélium
He (Z=2)
1s2
Lithium
Li (Z=3)
1s2 2s1
Béryllium
Be (Z=4)
1s2 2s2
Configuration électronique des 4 premiers éléments du tableau de Mendeleïev.
L’explication des couches (1, 2, 3, etc.), des sous-couches (s, p, d, etc.),
des cases quantiques (ou orbitales) et des règles de remplissage est précisée page 19.
On voit que l’hydrogène et le lithium, qui ont une sous-couche incomplète, sont des atomes magnétiques.
L’hélium et le béryllium, qui ont une sous-couche complète, sont des atomes non magnétiques.
A l’état d’atome, une majorité d’éléments (79 sur 103 dans le tableau de Mendeleïev) sont porteurs d’un moment
magnétique. Mais lorsque les éléments font partie d’un composé chimique, leurs liaisons correspondent à la mise en
commun d’électrons : les électrons s’apparient en paires de spins opposés, les couches électroniques se complètent,
et seul un petit nombre d’éléments restent porteurs d’un moment magnétique permanent.
Magnétisme des éléments purs à l’état solide.
Les différentes classes de matériaux sont présentées au chapitre suivant.
Les cases rouges et bleues représentent les éléments dont l’aimantation peut être importante.
Les cases jaunes et vertes représentent les éléments qui n’ont pas de moment magnétique à l’état solide.
Dans les cases à double couleur, le magnétisme dépend de la température et/ou de la pression.
(Voir la réf. 1, page 95 du volume 1, avec des adaptations)
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