sommaire

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SOMMAIRE
Le Magnétisme
Définition et historique du magnétisme 2
Aimantation : pôles et champ magnétiques 4
Susceptibilité magnétique et courbes d’aimantation 7
Les matériaux magnétiques et leurs utilisations 11
L’effet Hall 13
Le magnétisme et les organismes vivants 15
Le Magnétisme terrestre
Origine et intensité du champ magnétique terrestre 16
Déclinaison et inclinaison magnétiques 17
Champ magnétique terrestre dans l’espace et la magnétosphère 19
Variation au cours du temps du champ magnétique terrestre 20
Le Paléomagnétisme 22
Les inversions du magnétisme terrestre 25
Anomalies et prospections magnétiques 27
Les anomalies magnétiques des planchers océaniques 28
Activités
Mise en évidence de l’action du champ magnétique 30
Le spectre magnétique et les lignes de champ 31
Action d’un champ magnétique sur un faisceau d’électrons 33
Action d’un champ électrique sur un faisceau d’électrons 34

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DÉFINITION ET HISTORIQUE DU MAGNÉTISME
I Définition
Le magnétisme désigne à la fois l’ensemble des phénomènes que représentent les matériaux
aimantés et la branche de la physique qui étudie les propriétés de la matière aimantée, des
aimants.
II Historique en quelques dates
- Thalès de Milet (VIe siècle av. JC),le premier, aurait signalé les propriétés d’une pierre
(pierre d’aimant) trouvée en Magnésie (Thessalie) et appelée pour cette raison
magnétite : elle attire le fer ou les pierres de même espèce. Platon savait que cette
propriété se transmettait au fer.
- L’application des aiguilles aimantées à la navigation est attribuée aux Arabes (XIe s.).
- La première étude scientifique de la pierre d’aimant est due à Pierre le Pèlerin de
Maricourt (1269) : il définit les pôles, donne les lois qualitatives des attractions et des
répulsions et décrit l’expérience de l’aimant brisé. Ces expériences sont complétées
par William Gilbert qui, dans son ouvrage De magnete (1600), introduit la notion de
lignes de force, indique le rôle des pièces polaires, remarque que le fer, porté au rouge,
se désaimante et décrit plusieurs méthodes d’aimantation. Abordant le magnétisme
terrestre, il suppose le premier que la Terre est un gros aimant.
- Avec C. A. de Coulomb commence l’étude quantitative du magnétisme. A l’aide de la
balance de torsion, il établit les lois d’attraction et de répulsion des masses
magnétiques en raison inverse du carré de la distance ; il introduit la notion de moment
magnétique.
- Oersted, en 1820, établit un lien entre les phénomènes électriques et magnétiques,
suivi par Ampère, Arago, Biot et Savart, qui créent les bases de l’électromagnétisme
- Poisson établit, en 1824, les lois de la magnétostatique : aimantation par influence,
théorie du potentiel magnétique.
- En 1832, Gauss est à l’origine du magnétomètre et donne aussi le nom à l’unité
d’induction.
- Faraday découvre, en 1845, le diamagnétisme, distingue paramagnétisme et
ferromagnétisme, met en évidence l’action des aimants sur la lumière dans le
phénomène de la polarisation rotatoire magnétique, premier lien entre l’optique et
l’électromagnétisme.
- Pierre Curie, dans des expériences conduites de 1892 à 1895, établit les variations des
propriétés magnétiques avec la température : susceptibilité des corps diamagnétiques
indépendante de la température, susceptibilité des corps paramagnétiques inversement
proportionnelle à la température absolue T, transformation des corps ferromagnétiques
en corps paramagnétiques au-dessus d’une température (appelée depuis « Point de
Curie »).

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- S’appuyant sur les travaux de Curie, P. Langevin, en 1905, édifie la première théorie
quantitative des propriétés magnétiques de la matière : il part du modèle atomique de
l’époque (charge positive et charges négatives [électrons] en mouvement) pour
élaborer une théorie cinétique du diamagnétisme et du paramagnétisme avec laquelle il
retrouve la loi de Curie.
- P.Weiss introduit la notion de domaine élémentaire, petite région possédant une
aimantation spontanée saturée, et donne une explication du ferromagnétisme.
- En 1925, S.A.Goudsmit et G.E.Uhlenbeck montrent qu ‘en dehors de son moment
orbital l’électron possède un moment propre : le spin.
- L. Brillouin (1927) et surtout J. H. Van Vleck (1932) établissent la théorie quantique
définitive du diamagnétisme et du paramagnétisme.
- En 1928, Heisenberg montre que les interactions ferromagnétiques sont dues à des
échanges électroniques entre les atomes.
- F. Bloch, en 1930, décrit la structure des parois séparant les domaines élémentaires de
Weiss.
- L. Néel établit et explique les notions d’antiferromagnétisme et de ferrimagnétisme.
III Quelques ordres de grandeur du magnétisme et unités
Le champ magnétique est noté B et ce vecteur est appelé induction magnétique pour les
physiciens. Il s’exprime dans le système d’unités internationales, en Teslas (abréviation T), du
nom du physicien américain, d’origine yougoslave, Nikola Tesla.
La composante horizontale du champ magnétique de la Terre vaut environ BT = 2 x 10-5 T.
Par exemple, à l’intérieur d’une bobine parcourue par un courant de quelques ampères
(comme la bobine de Helmholtz utilisée lors de l’activité III), le champ magnétique est
quelques dizaines de fois plus intense.
De même, dans un accélérateur de particules, on atteint des champs magnétiques de l’ordre de
quelques Teslas.
Source de champ magnétique Valeur de ce champ (en T)
Espace interstellaire 100 x 10-12 – 100 x 10-9
Corps humain 3 x 10-4
Téléviseur 10-4
Aimant en céramique 0,02
Electroaimant 1 à 5
Bobines supraconductrices 10 à 40
Tache solaire (surface) 10
Etoile à neutrons 108
Noyau atomique 1012

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AIMANTATION : PÔLES ET CHAMP MAGNÉTIQUES
I Les pôles magnétiques
Dans un aimant en forme de barreau, l’action magnétique est localisée à ses extrémités : on
parle de ses pôles magnétiques. L’axe dipolaire relie ces deux pôles.
L’aimant, libre de se mouvoir (flottement à la surface de l’eau, mobile sur un pivot), tourne
sur lui-même. L’une de ses extrémités indique le pôle Nord terrestre. C’est par définition le
pôle Nord de l’aimant, l’autre extrémité étant le pôle Sud.
Cette propriété fut mise à profit par les Chinois, à partir du XI ème siècle par la navigation.
Quand on approche le pôle Nord d’un aimant du pôle Sud d’un autre aimant, les deux aimants
s’attirent. Au contraire, si l’on approche les deux pôles Nord ou les deux pôles Sud
(phénomènes d’attraction et de répulsion) : ils se repoussent
On pourrait pareillement penser séparer pôle Nord du pôle Sud en brisant un aimant en son
milieu. Des expériences ont montré qu’il n’en est rien : il y a obtention de deux nouveaux
aimants ayant chacun deux pôles aussi intenses que l’aimant initial.
Cette expérience peut être répétée jusqu’à l’échelle atomique (chaque atome est un aimant
minuscule avec deux pôles contraires). Certains théoriciens suggèrent aujourd’hui la
possibilité de l’existence de pôles magnétiques séparés mais jusqu’à présent, il s ‘est avéré
impossible d’isoler un pôle magnétique.

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II Le champ magnétique et les lignes de champ
Dans toute région de l’espace où s’exercent des forces magnétiques, on dit qu’il règne un
champ magnétique.
Si l’on saupoudre de limaille de fer une plaque de verre sur laquelle est placé un aimant, les
grains s’aimantent puis tendent à s’orienter dans la direction du champ magnétique
(activité II).
on dit que l’ensemble des grains dessine les lignes de force ou lignes de champ magnétique.
La figure obtenue est appelée spectre magnétique.
Ces lignes de champ permettent ainsi de visualiser le champ magnétique créé. Ces lignes
fermées sur elle-même n’ont ni début ni fin. Elles entourent le conducteur de courant créateur
du champ.
Comme il sera montré au cours de l’activité II, plus les lignes de champ sont rapprochées,
plus le champ est intense. Quand les lignes se resserrent, la valeur du champ augmente.
Exemples de spectres magnétiques