On m’a demandé quelques renseignements le mois dernier sur le magnétisme et l’électromagnétisme. J’en profite donc pour faire une petite introduction au magnétisme permettant ensuite d’introduire dans un prochain billet l’électromagnétisme.
Le magnétisme est subtil à saisir. Pour une personne n’ayant pas été trop contaminé dans sa jeunesse par les sciences, quand elle pense à magnétisme, elle pense en premier à un aimant permanent, ces petits magnets (en anglais) qui se collent sur le réfrigérateur.
Ces aimants permanents sont constitués d’un matériau magnétique dur ayant comme caractéristique de générer un champ magnétique permanent. Ah… Encore un mot qui fait peur : champ magnétique. Voilà mon explication, qui me paraît ni trop compliquée, ni trop fausse : un champ magnétique possède une intensité (qui se mesure en Tesla) et une direction dans l’espace en exerçant une force sur les objets qui « baignent » dans ce champ. C’est comme une rivière qui coule : elle coule dans une direction avec une certaine force entraînant avec elle le sable, les poissons, les nageurs… Le champ magnétique est créé, non par une source d’eau, mais par des aimants, des électroaimants et des déplacements de charges électriques. Un électroaimant est une bobine de fil conducteur (comme du cuivre) dans laquelle circule un courant. La circulation de ce courant dans la bobine produit un champs magnétique.
Le champ magnétique entraîne (entre autre) 4 phénomènes importants :
- La force de Laplace. Le champ produit une force qui s’exerce sur les charges électriques en déplacement. C’est grâce à cette force que l’on vient modifier la trajectoire des particules chargée électriquement (électrons, protons…) dans les accélérateurs de particules et les détecteurs. Pour les matheux, F= qv x B où ‘F’ est la force en question, ‘q’ est la charge électrique, ‘v’ est la vitesse de la charge, ‘B’ est le champs magnétique et le symbole ‘x’ est un produit vectoriel.
- Le ferromagnétisme est le phénomène qui permet de rendre fortement magnétique certains métaux lorsque ces derniers sont soumis à un champ magnétique. Il existe des matériaux magnétiques doux (Fer, Cobalt, Nickel…) qui s’aimantent et de désaimantent facilement et des matériaux magnétiques durs (Néodyme-fer-bore, samarium-cobalt) qui ont ensuite une aimantation permanente, ce sont nos petits aimants de réfrigérateur.
- Le paramagnétisme. On peut considérer les atomes comme de petits aimants permanents (l’explication quantique vient du fait que les atomes possèdent un spin et un moment orbital cinétique du aux électrons, le spin nucléaire est quant à lui négligeable). Lorsqu’un champ magnétique est appliqué sur ces matériaux (Aluminium, Sodium, Uranium, Calcium, Mathésium, Lithium…), tous les atomes de ces matériaux vont venir s’aligner dans la direction du champ magnétique.
- Le diamagnétisme. Lorsque un matériau, quel qu’il soit, est soumis à un champ magnétique, un champs magnétique inverse est alors créé par ce matériau. Ce champ magnétique résultant est proportionnel mais très inférieur au champs magnétique appliqué, ce phénomène est toujours masqué par le ferromagnétisme et le paramagnétisme. Il existe néanmoins une exception : les supraconducteurs. Dans ces matériaux, le diamagnétisme est parfait. Cela veut dire que le champ magnétique créé par un supraconducteur est égal au champ qu’on lui a appliqué, c’est ainsi que l’on peut faire léviter un aimant permanent au dessus d’un supraconducteur (la photo est réalisée sans trucage) !!!
Voilà pour les raisons et les effets des champs magnétiques. On parle également de champ magnétique terrestre ou solaire, qu’est-ce donc ?
Notre belle planète bleue (bleue pour longtemps encore j’espère bien que ce soit mal barré), possède un noyau métallique liquide (de fer et de nickel) qui bouge. On obtient donc des électrons qui se déplacent, un courant électrique est ainsi créé dans une boucle conductrice se déplaçant dans un champ magnétique : c'est l’effet dynamo. Notre planète est une dynamo géante ! C’est une force mécanique (le mouvement du noyau liquide) qui induit une force électromagnétique. Le phénomène qui peut paraître simple en apparence est en fait très complexe et de nombreux scientifiques travaillent sur des simulations numériques de ce phénomène encore mal compris, on appelle cela la magnétohydrodynamique.
De plus, le champ magnétique de la Terre aurait tendance à s’inverser, parfois stable pendant 100 000 ans, parfois pendant plusieurs millions d’années, ce phénomène est également encore mal compris. Ce champ magnétique est de 47 millionième de Tesla en France, relativement élevé. On peut assimiler la Terre à un aimant droit permanent, ayant un pole nord et un pole sud. On utilise le mot « pole nord » à tord car ce que nous appelons généralement le « pole nord » sur nos cartes est en fait le « pole sud magnétique» de la planète. On le constate bien sur une boussole ou le « pole nord » de l’aiguille (qui est généralement rouge) s’oriente vers le « pole sud magnétique » de la planète que nous avons appelé par erreur historique « pole nord » !!