Comment fonctionnent les aimants : pôles, électrons, fer

Le magnétisme se résume aux électrons, selon le National High Magnetic Field Laboratory (le MagLab, laboratoire américain des champs magnétiques intenses). Tout aimant a un pôle nord et un pôle sud ; les pôles opposés s'attirent et les pôles identiques se repoussent.

1. Ce que tous les aimants ont en commun

Le MagLab énumère quelques propriétés communes à tous les aimants :

• Tout aimant a un pôle nord et un pôle sud.
• Les pôles opposés s'attirent et les pôles identiques se repoussent. Le nord attire le sud ; le nord repousse le nord.
• Tout aimant est entouré d'un champ magnétique. Par convention, les lignes de champ partent du pôle nord et rejoignent le pôle sud.

La Terre elle-même est un aimant géant. Le MagLab explique que, selon les scientifiques, le champ magnétique terrestre provient de courants de convection dans le noyau externe liquide de la planète, constitué en grande partie de fer. C'est ce qu'on appelle la géodynamo.

2. Tout revient aux électrons

Selon le MagLab, tout magnétisme revient aux électrons, de deux manières :

1. Des électrons en mouvement. Un courant électrique, c'est-à-dire un flux d'électrons dans un fil, crée toujours un champ magnétique. C'est ainsi que fonctionnent les électroaimants.
2. Des électrons qui tournent. Dans les aimants permanents, comme celui de votre frigo, le magnétisme vient du spin des électrons. Chaque électron se comporte comme un minuscule aimant avec son propre pôle nord et sud, et son axe peut pointer dans l'une de deux directions possibles.

3. Pourquoi la plupart des choses ne sont pas magnétiques

Si chaque électron est un minuscule aimant, pourquoi tout n'est-il pas magnétique ?

Le MagLab explique que, dans la plupart des matériaux, les atomes sont disposés de sorte que l'orientation magnétique d'un électron annule celle d'un autre. Tous ces minuscules aimants pointent dans des directions opposées, et leurs effets s'additionnent en quelque chose d'imperceptible.

4. Ce qui rend le fer spécial : les domaines magnétiques

Le fer et quelques autres substances sont différents. Leurs atomes se regroupent en petites zones appelées domaines magnétiques. À l'intérieur de chaque domaine, les électrons partagent la même orientation magnétique.

Alors pourquoi un clou en fer ordinaire n'est-il pas un aimant ? Parce que les domaines eux-mêmes pointent dans des directions différentes, si bien qu'ils s'annulent encore globalement.

Placez ce clou dans un champ magnétique et les domaines commencent à s'aligner dans la même direction. Le MagLab décrit simplement le résultat : un aimant permanent est un objet dont tous les domaines sont alignés dans le même sens.

Les matériaux qui se comportent ainsi sont dits ferromagnétiques. Le MagLab note que seuls quatre éléments sont ferromagnétiques à température ambiante et peuvent être aimantés de façon permanente : le fer, le nickel, le cobalt et le gadolinium. Un cinquième, le dysprosium, ne devient ferromagnétique qu'à basse température. L'aluminium ne figure pas sur cette liste, et c'est pourquoi un aimant glisse sur une canette de soda en aluminium. La porte d'un frigo, en revanche, est l'un des aimants temporaires du quotidien que le MagLab cite dans son activité de classe.

5. Aimants permanents et aimants temporaires

Les aimants permanents conservent leur magnétisme sans aucune alimentation. On ne peut pas les éteindre. Le MagLab cite les aimants en céramique et l'alnico, un alliage d'aluminium, de nickel et de cobalt, comme deux types courants.

Les aimants temporaires ne se comportent comme des aimants que lorsqu'ils sont dans un champ magnétique. Le fer doux se comporte ainsi, et le MagLab note que c'est pourquoi on l'utilise comme aimant temporaire dans des appareils comme les téléphones et les moteurs électriques.

On peut le voir avec des trombones. Dans une activité de classe du MagLab, un trombone qui touche un aimant devient lui-même un aimant et peut retenir un deuxième trombone. Si vous écartez doucement les deux trombones, ils restent collés un moment, car leurs électrons sont encore organisés. Laissez-les tomber sur une table et le choc brouille cet ordre : le magnétisme est perdu.

6. Comment les aimants perdent leur force

« Permanent » ne veut pas dire pour toujours. Le MagLab décrit deux grandes façons de désaimanter un aimant :

• La chaleur. Ajouter de la chaleur apporte de l'énergie qui perturbe l'alignement. La température à laquelle un aimant ne peut plus maintenir son champ s'appelle le point de Curie.
• Le choc. Un coup violent, par exemple de marteau, peut désaligner des domaines alignés.

La durée de vie d'un aimant dépend de son matériau. Le MagLab note que le fer pur ne reste aimanté que quelques minutes, tandis que de nombreux alliages de fer conservent leur magnétisme bien plus longtemps.

7. Les électroaimants : des aimants avec un interrupteur

En 1819, Hans Christian Ørsted a remarqué qu'une aiguille de boussole tournait près d'un fil parcouru par un courant. Le MagLab explique pourquoi : un courant génère toujours un champ magnétique qui encercle le fil.

Un seul fil droit produit un champ faible. Le MagLab décrit comment le renforcer :

1. Enroulez le fil en bobine. Former des boucles combine les champs séparés en un champ bien plus fort. Une bobine de ce type s'appelle un solénoïde, et son champ augmente proportionnellement au nombre de spires. Dix spires donnent environ 10 fois le champ d'une seule.
2. Ajoutez un noyau de fer. Les domaines du fer s'alignent sur le champ de la bobine et le renforcent nettement sans consommer plus d'électricité.
3. Augmentez le courant. Plus de puissance dans la bobine signifie un champ plus fort.

Coupez le courant, et le champ disparaît.

8. Quelle est la force d'un aimant ?

Les scientifiques mesurent l'intensité du champ magnétique en tesla et en gauss, 1 tesla valant 10 000 gauss. Le MagLab donne quelques comparaisons :

Les électroaimants peuvent monter bien plus haut que les aimants permanents, et c'est pourquoi les laboratoires de recherche et les appareils d'IRM (MRI) des hôpitaux s'en servent.

9. À retenir

• Tout aimant a un pôle nord et un pôle sud ; les pôles opposés s'attirent et les pôles identiques se repoussent.
• Le magnétisme vient des électrons, qu'ils circulent sous forme de courant ou tournent sur place.
• Dans la plupart des matériaux, les aimants des électrons s'annulent ; dans le fer et quelques autres métaux, ils s'alignent en domaines.
• Un aimant permanent est un matériau dont les domaines pointent tous dans le même sens ; la chaleur ou un coup violent peuvent les brouiller.
• Un électroaimant est une bobine parcourue par un courant, souvent avec un noyau de fer, et il s'éteint quand le courant s'arrête.