COMMENT FONCTIONNE UN AIMANT ?

Introduction 

Tout d'abord, il faut savoir qu'un aimant est un objet capable d'exercer une force d'attraction ou de répulsion sur n'importe quel matériau contenant des éléments ferromagnétiques, comme le fer ou le cobalt. Le problème est donc de savoir comment l'aimant exerce cette force.

L'aimant fut découvert dans l'Antiquité, d'abord en Chine puis ensuite en Grèce, trouvé sous la forme d'une pierre noire, la pierre d'aimant, et pouvait attirer le fer, ce qui étonna beaucoup les hommes à l'époque. L'une des premières mises en application de la propriété de l'aimant fut lors de la création de la boussole, vers l'an mille en Chine. Environ deux siècles plus tard, cette invention se diffuse en Europe, ce qui permet aux navigateurs de mieux se situer dans l'espace et conduit ainsi à la découverte de nouveaux territoires. En 1600, William Gilbert, médecin et chercheur scientifique anglais, introduit le terme de corps électriques et magnétiques. Il énonce, de plus, de nombreuses propriétés concernant le magnétisme et lie ce phénomène à l'action de l'électricité, dont il donne les premières notions. De nos jours, les propriétés de l'aimant sont utilisées dans la vie courante, aussi bien dans le domaine de la santé que dans celui de l'électronique.

I. Principes de base de l’'aimant

Un aimant est constamment entouré d'un champ magnétique, c'est à dire d'un espace où il existe une force liée au mouvement de charges électriques, capable d'affecter différents matériaux. Lorsqu'un matériau ferromagnétique est soumis à un champ magnétique, il génère lui-même un champ magnétique, c'est ce qu'on appelle l'aimantation. Ils existent plusieurs phénomènes liées aux champs magnétiques : le ferromagnétisme, où certains corps s'aimantent fortement sous l'effet d'un champ magnétique extérieur et gardent cette aimantation pendant un certain temps; le paramagnétisme, comme le ferromagnétisme, est le fait qu'un corps non ferromagnétique s'aimante, il est alors dans le même sens que le champ magnétique appliqué à lui mais cette aimantation disparaît immédiatement lorsque le champ est coupé; enfin, le diamagnétisme, phénomène apparaissant dans tous les matériaux mais négligeable par rapport au ferromagnétisme et au paramagnétisme car très faible, où le champ magnétique agissant sur le corps produit une aimantation d'une intensité inférieure à celle du champ magnétique imposé, en lui étant de sens contraire.
Un champ magnétique est représenté par ses lignes de champs, c'est à dire les lignes formées à partir d'un point et suivant ses vecteurs. Ces lignes relient les pôles magnétiquement. L'image suivante nous montre les lignes de champs magnétiques grâce à des brindilles d'acier et de la limaille.

                      

Nous avons essayé de déterminer la force d'un champ magnétique. La seule donnée que nous avons est que la force d'un champ magnétique varie avec l'intensité du courant. On a donc :

B = k . I

Avec des recherches, nous avons déterminé k et avons obtenu une équation du type :

B = µ0 x (N . I / L)

Cette équation fut découverte par Nikola Tesla qui donna son nom à l'unité de la force d'un champ magnétique.

Fabrication d'un aimant

Les champs magnétiques étant issus des courants électriques (ou le déplacement des charges électriques), nous allons fabriquer un aimant à partir d'un objet ferromagnétique et de l'électricité. Nous pourrons ainsi ensuite démontrer le phénomène de ferromagnétisme.

Nous avons donc essayé de magnétiser un objet ferreux, et pour ce faire, nous avons instinctivement cherché à faire passer un courant électrique dans cet objet. Nous avons branché un clou de fer dans un circuit composé de deux générateurs de 12Volt puis pour vérifier notre expérience, nous avons approché le clou d'un léger élément en fer, mais l’objet n’étant pas attiré, nous en avons conclu que notre manipulation était fausse.

Nous nous sommes dit que la magnétisation provenait de la création d'un champ, or comment allions nous créer un tel champ ?   S'il ne suffit pas de créer un courant électrique, peut-être qu'il faudrait modifier l'état électrique autour du clou ce qui modifiera aussi celui du clou! Suite à cette observation, nous avons mis en place un protocole afin de produire un courant autour du clou. Nous avons donc entouré le clou par du fil de cuivre dans lequel nous avons fait passer le courant, utilisant le même dispositif que dans le premier essai avec les deux générateurs. 

II. La Terre, un aimant géant

La boussole

Nous savons qu’il existe un champ magnétique autour de la Terre. Pour en prouver l’existence, nous allons fabriquer une boussole, qui, sans ce champ, aussi appelé champ géomagnétique, n’aurait pas lieu d’être. En effet, la boussole utilise le champ géomagnétique pour orienter sa flèche en permanence vers le Nord (le Sud électromagnétique de la Terre).

La fabrication de la boussole est très simple. Il ne suffit que: d’une bassine remplie d’eau, un aimant, un morceau de bouchon de liège, un cutter (ou couteau) et une épingle (ou tout autre petit objet en fer). En frottant le bout de l’épingle contre l’aimant, celui-ci va se doter d’un champ magnétique (phénomène explicité dans la première partie du TPE). Après en avoir frotté le bout, nous déposons l'épingle sur une rondelle de bouchon (que l’on a coupée avec le cutter pour avoir une sorte de disque en liège), qui va être déposé sur l’eau. En la posant ainsi, nous limitons les frottements et l’épingle peut ainsi s’orienter librement vers le Nord. Pour être sûrs que notre expérience réussisse, nous avons vérifié la direction avec une vraie boussole et nous avons constaté que l’expérience fut un succès, la pointe frottée et la flèche de la boussole pointant dans la même direction.

La magnétosphère

Le Soleil est la principale menace à la vie sur Terre. En effet, il envoie constamment des particules chargées dans toutes les directions, y compris celle de la Terre. Le rôle de la magnétosphère est donc d’agir comme un bouclier et dévier ces particules. Ce phénomène est appelé vent solaire, qui n’est en fait qu’un flux de plasma, constitué d’ions et d’électrons. La charge électrique vient du fait que des atomes d’hydrogènes sont ionisés à la surface du Soleil (environ 1 million de degré). Le plasma est ensuite éjecté à une très grande vitesse (entre 400 et 800 km/s). Comme il est affecté par le champ magnétique solaire, le vent solaire est entraîné dans sa course et suit le mouvement.

De plus, la forme de la magnétosphère est modifiée par le vent solaire. Elle est compressée du côté diurne alors qu'elle s'étend à de grandes distances du côté nocturne. Le vent solaire influe aussi sur nos appareils électroniques en perturbant la transmission des signaux électromagnétiques, comme la télévision.

Voilà pourquoi la magnétosphère est si importante dans notre vie, car sans elle, nous n’existerons pas.

Origine du champ géomagnétique

Il est admis qu’au centre du globe se trouve un noyau métallique de 3500 km de rayon, essentiellement constitué de fer. Celui-ci comporte une partie centrale solide (noyau interne) et une partie externe fluide (noyau externe). Dans ce noyau, la température est voisine de 6000°C et la pression vaut plusieurs millions d’atmosphères.

Pour expliquer l’existence du champ magnétique terrestre, on imagine des courants électriques provoqués par les mouvements de convection (mouvement causé par un changement de température qui influe sur la masse volumique d'un fluide) dans le noyau externe, fluide et conducteur.

Ceux-ci contribuent au champ magnétique terrestre. Le phénomène s’auto-entretient, car la rotation de la Terre a pour conséquence le déplacement du fluide conducteur dans le champ magnétique terrestre. Il en résulte des courants induits qui créent à leur tour un champ magnétique.

                  

Variations du champ magnétique à la surface de la Terre

Les caractéristiques du champ magnétique varient d’un point à l’autre de la Terre. Il existe des cartes d’égales déclinaisons magnétiques qui permettent de déterminer la direction du nord géographique, donc de s’orienter avec une boussole. Il existe de même des cartes d’égales inclinaisons.

Variations du champ magnétique au cours du temps

Les caractéristiques du champ magnétique terrestre ne demeurent pas constantes au cours du temps. Les relevés de sa valeur et de sa direction (réalisés depuis le milieu du XVIe siècle en différents points de la surface du globe pour l’établissement des cartes marines) font apparaître d’importantes variations.

Un fait surprenant est l’inversion constatée, au cours des temps géologiques, du sens du champ magnétique terrestre, lors de l’étude des couches de laves volcaniques solidifiées qui gardent la mémoire de l’orientation de celui-ci. En-effet, lors des éruptions volcaniques, les laves ferromagnetiques en fusion perdent leur aimantation : leurs particules qui se comportent comme des petits aimants s’orientent dans le sens du champ magnétique terrestre de l’époque. En se refroidissant, ces laves fossilisent le champ magnétique existant. L’ensemble des observations montre que le champ magnétique terrestre s’est inversé de nombreuses fois. Si les périodes où l’orientation du champ reste stable ont des durées très longues, les phases de renversement sont beaucoup plus rapides et se succèdent de façon complètement aléatoire. Le paléomagnétisme (étude de l’aimantation des roches) est devenu aujourd’hui un puissant moyen de datation et d’étude des roches.

Le paléomagnétisme

Le paléomagnétisme est né vers 1959, avec le physicien anglais Patrick Blackett, prix Nobel en 1948, et ses collaborateurs Keith Runcorn et Ted Irving. Ils ont utilisé un appareil, du nom de magnétomètre astatique, qui est capable de mesurer des champs magnétiques très faibles et ont ainsi pu l’utiliser pour mesurer la mémoire magnétique des roches. Ils se sont rendu compte que grâce à cette mémoire, ils pouvaient déterminer la position des pôles magnétiques pour diverses périodes géologiques à partir de roches dont l'âge est connu et ainsi établir les positions des continents auparavant.

On sait que les roches qui contiennent des minéraux ferrugineux enregistrent le magnétisme terrestre au moment de leur cristallisation. Elles enregistrent alors le sens de la polarité et elles gardent aussi la mémoire de l'orientation par rapport au pôle magnétique, de la même façon que l'aiguille d'une boussole s'oriente vers le pôle magnétique où que l'on se trouve sur Terre. On peut donc, grâce au sens des minéraux ferrugineux, et seulement si on étudie des roche de la même époque, replacer ce territoire par rapport au pôle magnétique. C'est ainsi qu'on réussit à reconstruire des cartes de la position des continents à diverses époques géologiques.

III. Utilisation de l'aimant dans la vie courante

Depuis un siècle, le magnétisme a connu diverses applications dans de nombreux domaines de l'industrie. Ainsi, en électricité, l'électroaimant est l'un des composants fondamentaux du moteur électrique et du transformateur. En informatique, on conçoit aujourd'hui des mémoires d'ordinateur à l'aide de bulles magnétiques, domaines magnétisés minuscules. On emploie également les substances magnétiques comme supports de stockage de données. L'industrie ferroviaire a également utilisé le magnétisme pour fabriquer des trains à lévitation magnétique, même si actuellement l'avenir de ces prototypes demeure incertain. En médecine, l'imagerie à résonance magnétique nucléaire (IRM), qui fait appel à de puissants champs magnétiques, constitue un outil précieux de diagnostic. En physique des particules, on équipe les accélérateurs d'énormes électroaimants afin de confiner les particules accélérées sur une trajectoire courbe. 

Les microphones (dans une guitare) :

Un micro est composé d’un ou plusieurs aimants autour desquels s’enroule un très fin fil de cuivre pour former une bobine. 
On distingue les micros à aimants ALNICO (Aluminium-Nickel-Cobalt) des autres micros plus bas de gamme, à plots en acier et aimant séparé. Comme indiqué sur le schéma ci-dessous, 6 aimants sont entouré d’une bobine de fil de cuivre.

Le principe de fonctionnement est très simple : il s’agit du principe physique des courants induits. Les cordes de guitare électrique sont en acier. En vibrant au dessus des aimants (et donc en perturbant le champ magnétique généré par ces derniers), un courant alternatif dit courant induit se crée dans la bobine. L’énergie mécanique (vibration de la corde) est donc transformée en énergie électrique. La fréquence du courant induit est identique à la fréquence de la vibration de la corde. 

                    

Une bobine de fil électrique (communément du cuivre) est placée sur un aimant

. Lorsque le fil de cuivre est traversé par le courant électrique, le champ magnétique 

de l'aimant est modifié, ce qui fait vibrer une membrane placée à l'autre extrémité de 

l'haut-parleur (c’est à peu près le même principe que pour les microphones). C'est ce 

qui produit le son. Par exemple, si le courant qui alimente la bobine s'inverse 880 fois 

par seconde, la membrane vibrera 440 fois par seconde (440 hertz) et donnera le son 

"LA".   

                        

Les microphones :

Ici, le principe est exactement le même que pour les haut-parleurs mais inversement.

 Le son va faire vibrer la membrane interne, qui va, elle faire bouger la bobine mobile modifiant ainsi le champ magnétique de l’aimant. Ces modifications sont captées par les fils de connexion qui traduisent ces vibrations en un son.

                   

Dans la médecine :

Dans les techniques de scan tel que l’IRM (image par résonnance magnétique) ou, l’aimant est un composant majeur du mécanisme employé par cette méthode.

L’IRM permet d’avoir une vue 3D d’une partie du corps, notamment le cerveau. L’IRM repose sur la technique de résonnance magnétique. Le patient passe à l’intérieur d’un tube, ce tube est enfait un gigantesque aimant. L’aimant est relié à des antennes, dont certaines, émettent des ondes radio en direction du corps du patient. Ces ondes excitent alors les noyaux d’hydrogène contenus dans notre corps. Après stimulation, les noyaux d’hydrogène restituent cette énergie qui se disperse sous l’action du champ magnétique de l’aimant. La réponse est alors captée par d’autres antennes puis analysée par un ordinateur.

La magnétothérapie :

La magnétothérapie a pour objet le traitement des douleurs par l'application de 

champs magnétiques dynamiques à hautes fréquences sur le corps humain.

On a pu constater des propriétés antalgiques dans le cas de symptômes tels que des tensions dans les épaules, le dos, la nuque ou les douleurs lombaires (vertèbres). On constate aussi que  les aimants réduisent les œdèmes des fractures ou entorses et stimulent la régénérescence osseuse. On emploie les aimants surtout pour soulager la douleur associée à des maladies chroniques comme l'arthrite, les maux de dos, et pour favoriser la cicatrisation, par exemple après une chirurgie.

Les aimants sont également  un outil pour lutter contre les symptômes liés au stress, comme la migraine et l'insomnie. En médecine classique, on y a parfois recours pour traiter des fractures qui tardent à guérir, particulièrement dans le cas d'os longs comme le tibia. 

Il n’y a pas vraiment d’explication : peut-être s'agit-il de la modification des flux d'ions à travers les synapses entre les cellules nerveuses ou des mécanismes fondés sur des effets de réactions biochimiques. Plusieurs théories existent, sans qu'aucune n'ait été prouvée jusqu'à maintenant. L'hypothèse la plus répandue veut que les champs électromagnétiques agissent sur le plan cellulaire en stimulant le fonctionnement des cellules. D'autres thèses soutiennent que les aimants activent la circulation sanguine, ce qui favoriserait l'apport en oxygène et en nutriments, ou que le fer contenu dans le sang jouerait un rôle de conducteur de l'énergie magnétique. Il se pourrait aussi que les champs électromagnétiques interrompent la transmission du signal de la douleur entre les cellules d'un organe et le cerveau.

Train a sustentation magnétique :

 Le principe de fonctionnement d'un train à sustentation magnétique peut être divisé en deux parties : la lévitation et la propulsion. La lévitation est possible grâce à la suspension électromagnétique produit par des électroaimants situés sur les rails et sous le train. La propulsion est aussi due à cette technique mais elle est plus complexe. Le mouvement est produit par un moteur très spécifique : moteur linéaire synchrone à stator long (le moteur linéaire synchrone à stator long est composé de bobinages triphasés disposés sur la voie, et d'électro-aimants installés sur le véhicule. La vitesse du train varie en fonction du courant alternatif qui est envoyé dans les bobinages de la voie, mais aussi grâce à l'ajustement de la fréquence).

Le freinage est lui aussi assuré par le moteur linéaire mais d’une façon inverse pour 

réduire la vitesse. Il est accompagné par des aérofreins situés sur le haut du train et

qui permettent d'augmenter les frottements de l'air et donc de freiner encore plus 

la machine. 

Le fonctionnement de ce train est donc basé sur l'électromagnétisme qui permet de 

faire léviter, propulser et freiner le train a sustentation magnétique. [Il peut être 

remplacé par la supraconductivité qui est le fait que certains matériaux conduisent le 

courant électrique sans résistance, le champ magnétique est donc plus fort. Cette 

technique nécessite toutefois une température extrêmement basse qu'on ne peut 

atteindre qu'en conservant les électroaimants dans un bain d'hélium ou d'azote 

liquide, puisque le diamagnétique parfait (un matériau qui serait supraconducteur à 

température ambiante) n'a pas encore été trouvé. Cela s'avère donc assez dangereux 

et difficile à réaliser.