L`ARPENTEUR DU WEB : CHAMP MAGNÉTIQUE ET

L’ARPENTEUR DU WEB
CHAMP MAGNÉTIQUE ET GÉOMAGNÉTISME  GUY BOUYRIE
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L’ARPENTEUR DU WEB : CHAMP MAGNÉTIQUE ET GÉOMAGNÉTISME
Le programme de première S n’envisage pas l’étude des « forces électromagnétiques » : le mot
« magnétique » est réservé dans nos programmes de lycée à l’étude de quelques champs de courants et
d’aimants et tout particulièrement à l’étude du champ magnétique terrestre. En effet, il est important de noter
que le programme de SVT de première S doit fournir aux élèves « les données fondamentales sur le
magnétisme des roches (magnétite, point de Curie) », sachant qu’un des thèmes de convergence avec la
physique porte sur « les variations du champ magnétique terrestre et les inversions magnétiques ». Il est donc
naturel que le point de vue du physicien soit évoqué pour illustrer cette notion de champ magnétique.
On insistera donc tout particulièrement dans cette fiche sur la structure du champ magnétique de la Terre,
domaine de la géophysique qui se trouve à la frontière de plusieurs disciplines scientifiques et qui est trop
peu abordé dans les parcours de formation des professeurs.
Le WEB met à disposition de l’internaute de nombreuses ressources pour illustrer la notion de
géomagnétisme : en effet, on peut en quelques clics être relié à tout un réseau de stations qui surveillent le
magnétisme terrestre. Afficher en temps réel la valeur locale du champ magnétique est alors on ne peut plus
probant !
1. LE MAGNÉTISME DES AIMANTS : UNE CURIOSITÉ PUIS UN SUJET D’ÉTUDE
Depuis la mythique Magnésie d’Asie mineure, les aimants
naturels n’ont cessé de fasciner.
L’école polytechnique en possède de magnifiques dans ses
collections :
http://softs.polytechnique.fr/dsi/ksup/MuseeVirtuel/W3patrimoine/index.p
hp?PAGE=grandepierreaimant&TYPE=electromagnetisme
Il est intéressant de parcourir ce musée virtuel de Polytechnique,
qui associe à tous ces beaux objets des fiches documentaires très
bien formulées. Ainsi, pour l’image ci-contre, on pourra lire :
« L'aimant est un oxyde magnétique de fer dont il existe en Suède
d'importants gisements. Les aimants naturels sont presque toujours munis
de deux armatures (appelées également armures) en fer doux, fixées de
part et d'autre de leur masse constitutive, et maintenues entre elles par
des anneaux en laiton ou en bronze. Ces armatures se terminent, dans
leur partie inférieure, par deux talons qui constituent les pôles de noms
contraires, nord et sud. Une pièce en fer doux que l'on nomme le
“contact”, ou encore le “portant”, posée sur les deux talons, subit
l'influence concordante des deux armatures. L'ensemble réagit sur les
courants particulaires de l'aimant naturel, et les oriente avec plus de
force, accroissant ainsi la puissance magnétique. Sans armature, les
aimants naturels sont très faibles. Une fois armés, ils deviennent capables
de porter des poids qui augmentent progressivement, jusqu'à une certaine limite ».
Le magnétisme naturel de ces cristaux n’a cessé d’intriguer les savants anciens. Il revient à A. COULOMB de
proposer un premier modèle assez convaincant sur la nature du magnétisme des aimants.
Figure 1 : aimant naturel
(école polytechnique)
Figure 2 : le magnétisme des aimants vu par COULOMB
http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/coulomb/memoire/distribution.php

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COULOMB répète avec soin tout un ensemble d’expériences classiques, que nous allons répertorier ci-après.
Il faut attendre les travaux d’AMPÈRE pour qu’une avancée théorique majeure advienne : l’étroite connexion
entre les phénomènes d’électrocinétique et de magnétisme.
2. DES EXPÉRIENCES CLASSIQUES AVEC LES AIMANTS
 Spectre du champ magnétique d’un aimant ; pôles d’un aimant
Ces expériences très simples à mettre en œuvre illustrent à merveille la topographie d’un champ
magnétique. Les lignes de champ magnétique diffèrent des lignes de champ électrique par le fait que ces
lignes se referment (ici dans le matériau ferromagnétique de l’aimant) d’un pôle à l’autre.
Il est toujours surprenant de montrer aux élèves qu’il n’est pas possible d’isoler un « pôle magnétique » de
sorte qu’un aimant est un véritable dipôle (expérience dite des aimants brisés).
Un rappel historique à ce propos est disponible dans le remarquable site consacré à AMPÈRE par le CNRS :
http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/18e/gilbert/
« Pierre de MARICOURT avait décrit en 1269
des expériences sur les aimants, mettant en
évidence l’existence et les propriétés des
pôles magnétiques. Si on laisse flotter un
aimant librement sur l’eau, il s’oriente dans
la direction Nord-Sud, une partie de
l’aimant se tournant vers le Nord, la partie
opposée vers le Sud. D’où la dénomination
de “pôles” pour ces parties de la pierre
d’aimant. De MARICOURT remarque aussi
que si l’on approche deux aimants l’un de
l’autre, leurs pôles se repoussent ou
s’attirent selon qu’ils sont ou non de même
nature. Enfin il tente d’isoler un pôle en
coupant en deux un aimant. Mais chaque
morceau présente à son tour les deux sortes
de pôles !
GILBERT étudie à son tour les actions
mutuelles entre pôles “cherchant le nord”
et pôles “cherchant le sud”. Il reprend
l’expérience de MARICOURT sur l’aimant brisé : sa pierre d’aimant possède un pôle a et un pôle d. Si on la
coupe en deux, il apparaît deux nouveaux pôles : b, de nature contraire à a, et c, contraire à d ».
Figure 3 : spectre du champ magnétique d’un barreau aimanté
http://www.spc.ac-aix-marseille.fr/labospc/spip.php?article15
Figure 4 : expérience de l’aimant brisé par W. GILBERT tirée
de son livre « De Magnete » (1600)
http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/18e/gilbert/

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 Existe-t-il des « monopôles magnétiques » ?
Une lancinante question qui a été assez récemment relancée :
http://www.larecherche.fr/actualite/aussi/premiers-monopoles-magnetiques-19-10-2009-67680
« Depuis des décennies, les physiciens traquent d’hypothétiques entités dénommées « monopôles magnétiques », qui,
contrairement aux aimants et autres objets magnétiques, ne possèdent qu’un seul pôle, nord ou sud. Deux équipes
annoncent les avoir observées dans un milieu auquel les théoriciens ne s’attendaient pas : un solide cristallin.
En 1931, le physicien britannique Paul DIRAC était le premier à postuler l’existence de ces monopôles. On savait que
l’électricité et le magnétisme n’étaient que les deux facettes d’une même interaction fondamentale, la force
électromagnétique. Or les particules électriquement chargées sont de signe soit positif, soit négatif. DIRAC s’étonnait du
fait que les particules et les objets magnétiques possèdent toujours, eux, deux pôles antagonistes. L’existence de
monopôles lui permettait aussi d’expliquer pourquoi les charges électriques étaient quantifiées par une valeur
élémentaire, notée “e”. D’autres travaux sont venus appuyer les suppositions de DIRAC. Les théories de grande
unification, par exemple, qui visent à intégrer les interactions faibles, fortes et électromagnétiques dans un même cadre
conceptuel, prédisaient elles aussi l’existence de monopôles. Dès lors, les physiciens avaient entrepris leur traque
systématique : dans les accélérateurs de particules, dans les fonds marins, dans l’espace, et même dans les roches
lunaires. Sans succès. C’est dans un milieu inattendu que des monopôles viendraient finalement d’être observés : une
famille des solides cristallins découverts en 1997, composés notamment d’oxygène, de titane et de dysprosium, sous
forme ionique. En raison d’une propriété quantique fondamentale, appelée « spin », les ions se comportent comme de
petits aimants avec deux pôles pointant dans une direction. À une température proche du zéro absolu, les pôles nord et
sud se succèdent alternativement. Leur arrangement ressemble à celui dont le spin des atomes d’hydrogène est ordonné
dans l’eau gelée. C’est pourquoi ces cristaux ont été baptisés « glaces de spin » par leurs découvreurs ».
 Influence de la température sur l’ordre ferromagnétique : le point de Curie.
On consultera avec intérêt la vidéo suivante, sur canal U :
http://www.canal-u.tv/video/tele2sciences/temperature_de_curie_du_fer.8992
Voir aussi : http://bouteloup.pierre.free.fr/iufm/aimant/ex/ex.html
Au-delà de la température de Curie TC, l’aimantation spontanée du matériau disparaît : d’un point de vue
microscopique, c’est une transition de phase qui sépare une phase paramagnétique désordonnée pour T > TC
d’une phase ferromagnétique ordonnée dès que T < TC. L’interprétation quantique du phénomène, qui fait
appel à la notion de « champ moléculaire » est délicate.
Figure 5 : expérience illustrant le point de Curie d’un matériau
ferromagnétique
http://www.canal-u.tv/video/tele2sciences/temperature_de_curie_du_fer.8992

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 Ferrofluides Un ferrofluide est un fluide qui contient de très petites particules
ferromagnétiques. Ce sont des nanoparticules de magnétite d’une
grandeur d’environ 10 nanomètres, telles que le mouvement
brownien les maintient en suspension. Les chocs successifs entre
grains et molécules du liquide porteur, liés à l’agitation thermique,
suffisent à empêcher les grains de tomber au fond du récipient.
La suspension obtenue est colloïdale et forme alors un tout, aussi
homogène qu’un fluide gazeux à l’égard de ses molécules
individuelles : un champ magnétique entraîne la solution dans son
ensemble et non pas seulement les grains magnétiques.
Le liquide réagit alors très fortement aux champs magnétiques, de
façon surprenante. Les applications sont très nombreuses :
bobines de haut-parleurs, amortisseurs de vibrations, joints étanches,
sustentés magnétiquement, encre pour imprimantes, mesure des
viscosités, des inclinaisons, détection des champs magnétiques ou
encore modulation de la lumière.
 Lire ce rapport des OdPF présenté en 2009 par des lycéens toulousains :
http://www.odpf.org/images/archives_docs/16eme/memoires/gr-21/memoire.pdf
 Expériences du Palais de la découverte avec aimants au néodyme (vidéos en ligne)
http://www.palais-decouverte.fr/fr/ressources/videos/les-videos-du-palais-de-la-decouverte/
De jolies expériences surprenantes qui sont possibles avec ces puissants aimants au néodyme.
3. MATÉRIAUX FERROMAGNÉTIQUES
Actuellement, on sait constituer des aimants de toutes sortes, qui font appel non seulement aux quelques
classiques éléments ferromagnétiques que sont le fer, le nickel, le cobalt, aux édifices cristallins mariant des
éléments non ferromagnétiques individuellement comme les oxydes de chrome, de manganèse…, mais aussi
à des éléments appartenant à la famille des « terres rares » ou « lanthanides », tels le néodyme ou le
samarium. Pour illustrer ce propos, on peut consulter un site bien conçu d’un constructeur d’aimants :
http://www.firstmagneticfrance.com/le-magnetisme.php
Pour se convaincre de l’importance industrielle des aimants, voir le portail d’une autre société française,
ARELEC : http://www.arelec.com/index.htm et celui de la société CALAMIT http://www.calamit.com/index.php.
Figure 6 : ferrofluide
disponible chez
http://www.supermagnete.fr/
Figure 7 : portail d’entrée du fabricant FIRST MAGNETIC
http://www.firstmagneticfrance.com/le-magnetisme.php

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Interpréter le ferromagnétisme, ainsi que le ferrimagnétisme, est beaucoup plus délicat lorsqu’on se place
au niveau des exigences de la classe de terminale S !
On peut rappeler combien la physique française a été pionnière dans le domaine de la compréhension de ces
phénomènes, depuis André-Marie AMPÈRE, en passant par Aimée COTTON, Pierre CURIE, Paul LANGEVIN,
Léon BRILLOUIN, jusqu’à Louis NÉEL qui a fait de la région grenobloise un pôle de renommée mondiale
dans le monde de la recherche sur le magnétisme.
 Pour une approche élémentaire sur le ferromagnétisme, « FUTURA SCIENCES » est d’un bon secours, une
alternative à WIKIPÉDIA :
http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-ferromagnetique-2080/
On peut y lire :
« Les matériaux ferromagnétiques se partagent en petits domaines à l’intérieur desquels tous les atomes ont
une aimantation parallèle. Ces domaines tendent à s’aligner dans la direction d’un champ magnétique
extérieur, ce qui confère au matériau une forte aimantation. Les substances ferromagnétiques sont utilisées
pour leurs propriétés magnétiques, car non seulement elles peuvent être aimantées fortement, mais encore
elles peuvent le rester, grâce au phénomène d’hystérésis magnétique ».
 Pour réviser rapidement son cours de mastère sur le ferromagnétisme :
http://gps.ijl.univ-lorraine.fr/webpro/chatelain.c/
ou encore :
http://www.g2elab.grenoble-inp.fr/recherche/madea-interactions-d-echange-et-ferromagnetisme-
337149.kjsp?RH=G2ELAB_R-MADEA
Figure 8 : le ferromagnétisme, présenté ici par un laboratoire grenoblois
http://www.g2elab.grenoble-inp.fr/recherche/madea-interactions-d-echange-et-ferromagnetisme-337149.kjsp?RH=G2ELAB_R-MADEA