11.2 : Le magnétisme et ses découvertes historiques
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À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Expliquer l'attraction et la répulsion causées par les aimants
- Décrire les applications historiques et contemporaines du magnétisme
Le magnétisme est connu depuis l'époque des anciens Grecs, mais il a toujours été un peu mystérieux. Vous pouvez voir de l'électricité dans l'éclair d'un éclair, mais lorsqu'une aiguille de boussole pointe vers le nord magnétique, vous ne pouvez voir aucune force la faisant tourner. Les gens ont découvert les propriétés magnétiques progressivement, pendant de nombreuses années, avant que plusieurs physiciens du XIXe siècle n'associent le magnétisme à l'électricité. Dans cette section, nous passons en revue les idées de base du magnétisme et décrivons comment elles s'intègrent dans l'image d'un champ magnétique.
Bref historique du magnétisme
Les aimants se trouvent généralement dans les objets du quotidien, tels que les jouets, les cintres, les ascenseurs, les sonnettes et les appareils informatiques. Des expériences sur ces aimants montrent que tous les aimants ont deux pôles : l'un est marqué au nord (N) et l'autre au sud (S). Les pôles magnétiques se repoussent s'ils sont identiques (N ou les deux S), ils attirent s'ils sont opposés (un N et l'autre S), et les deux pôles d'un aimant attirent des morceaux de fer non magnétisés. Un point important à noter ici est qu'il est impossible d'isoler un pôle magnétique individuel. Chaque pièce d'un aimant, aussi petite soit-elle, qui contient un pôle nord doit également contenir un pôle sud.
Visitez ce site Web pour une démonstration interactive des pôles nord et sud magnétiques.
L'aiguille d'une boussole est un exemple d'aimant. Il s'agit simplement d'un mince barreau magnétique suspendu en son centre, de sorte qu'il peut tourner librement dans un plan horizontal. La Terre elle-même agit également comme un très gros barreau magnétique, son pôle orienté vers le sud étant situé près du pôle Nord géographique (Figure\(\PageIndex{1}\)). Le pôle nord d'une boussole est attiré vers le pôle Nord géographique de la Terre parce que le pôle magnétique situé près du pôle Nord géographique est en fait un pôle magnétique sud. La confusion est due au fait que le terme géographique « pôle Nord » est désormais utilisé (à tort) pour désigner le pôle magnétique situé à proximité du pôle Nord. Ainsi, « pôle magnétique nord » est en fait un terme erroné ; il devrait être appelé pôle magnétique sud. [Notez que l'orientation du champ magnétique de la Terre n'est pas permanente mais qu'elle change (« bascule ») après de longs intervalles de temps. À terme, le pôle magnétique nord de la Terre pourrait être situé près de son pôle Nord géographique.]
En 1819, le physicien danois Hans Oersted donnait une conférence de démonstration à certains étudiants et avait remarqué qu'une aiguille de boussole bougeait chaque fois qu'un courant circulait dans un fil à proximité. Une étude plus approfondie de ce phénomène a convaincu Oersted qu'un courant électrique pouvait d'une manière ou d'une autre provoquer une force magnétique. Il a fait part de cette découverte à une réunion de 1820 de l'Académie française des sciences.
Peu de temps après ce rapport, les recherches d'Oersted ont été répétées et étendues par d'autres scientifiques. Parmi ceux dont les travaux ont été particulièrement importants figurent Jean-Baptiste Biot et Felix Savart, qui ont étudié les forces exercées sur les aimants par les courants ; André Marie Ampère, qui a étudié les forces exercées par un courant sur un autre ; François Arago, qui a découvert que le fer pouvait être magnétisé par un courant ; et Humphry Davy, qui a découvert qu'un aimant exerce une force sur un fil transportant un courant électrique. Dix ans après la découverte d'Oersted, Michael Faraday a découvert que le mouvement relatif d'un aimant et d'un fil métallique induisait un courant dans le fil. Cette découverte a montré non seulement qu'un courant a un effet magnétique, mais qu'un aimant peut générer du courant électrique. Vous verrez plus loin que les noms de Biot, Savart, Ampère et Faraday sont liés à certaines des lois fondamentales de l'électromagnétisme.
Les preuves issues de ces différentes expériences ont amené Ampère à proposer que le courant électrique est à l'origine de tous les phénomènes magnétiques. Pour expliquer les aimants permanents, il a suggéré que la matière contient des boucles de courant microscopiques qui s'alignent d'une manière ou d'une autre lorsqu'un matériau est magnétisé. On sait aujourd'hui que les aimants permanents sont en fait créés par l'alignement d'électrons en rotation, une situation assez similaire à celle proposée par Ampère. Ce modèle d'aimants permanents a été développé par Ampère près d'un siècle avant que la nature atomique de la matière ne soit comprise. (Pour un traitement mécanique quantique complet des spins magnétiques, voir Mécanique quantique et structure atomique.)
Applications contemporaines du magnétisme
Aujourd'hui, le magnétisme joue de nombreux rôles importants dans nos vies. La compréhension du magnétisme par les physiciens a permis le développement de technologies qui touchent à la fois les individus et la société. La tablette électronique dans votre sac à main ou votre sac à dos, par exemple, n'aurait pas été possible sans les applications du magnétisme et de l'électricité à petite échelle (Figure\(\PageIndex{2}\)). Il a été découvert que de faibles variations d'un champ magnétique dans une fine couche de fer et de chrome entraînaient des changements de résistance beaucoup plus importants, appelés magnétorésistance géante. Les informations peuvent ensuite être enregistrées magnétiquement en fonction de la direction dans laquelle la couche de fer est magnétisée. À la suite de la découverte de la magnétorésistance géante et de ses applications au stockage numérique, le prix Nobel de physique 2007 a été décerné à Albert Fert (France) et à Peter Grunberg (Allemagne).
Tous les moteurs électriques, dont les utilisations sont aussi diverses que l'alimentation de réfrigérateurs, le démarrage de voitures et le déplacement d'ascenseurs, contiennent des aimants. Les générateurs, qu'ils produisent de l'énergie hydroélectrique ou qu'ils fassent fonctionner des phares de vélo, utilisent des champs magnétiques Les installations de recyclage utilisent des aimants pour séparer le fer des autres déchets. Les recherches sur l'utilisation du confinement magnétique de la fusion comme future source d'énergie se poursuivent depuis plusieurs années. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est devenue un outil diagnostique important dans le domaine de la médecine, et l'utilisation du magnétisme pour explorer l'activité cérébrale fait l'objet de recherches et de développements contemporains. La liste des applications comprend également les disques durs des ordinateurs, l'enregistrement sur bande magnétique, la détection de l'amiante inhalé et la lévitation des trains à grande vitesse. Le magnétisme est impliqué dans la structure des niveaux d'énergie atomique, ainsi que dans le mouvement des rayons cosmiques et des particules chargées piégés dans les ceintures de Van Allen autour de la Terre. Une fois de plus, nous constatons que tous ces phénomènes disparates sont liés par un petit nombre de principes physiques sous-jacents.