Magnetisme

L'aimantation est temporaire si l'aimantation disparaît lorsqu’on enlève la source qui a produit le champ magnétique. C'est le cas du fer par exemple.

L'aimantation est permanente lorsqu'elle subsiste même après la disparition de la source de champ magnétique. C'est le cas de l'acier par exemple.

Les propriétés magnétiques disparaissent quand on chauffe les substances au-delà d'une certaine température (environ 750°C): c’est la température de Curie.

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Suite du cours: Electricité et magnétisme

L'univers dans lequel nous vivons est peuplé d'êtres étranges : particules, atomes, molécules. Ces objets n'ont pas une existence d'autiste. Au contraire, ils interagissent. Ils exercent les uns sur les autres des forces d'attraction (ils s'attirent) ou de répulsion (ils se repoussent).

La magnétite est un minéral qu'on trouve dans la nature.

Elle est composée d'atomes de fer et d'oxygène: c’est un oxyde de fer.

Sa formule chimique s'écrit Fe3O4 (3 atomes de fer pour 4 atomes d'oxygène).

Ses propriétés magnétiques disparaissent lorsqu’on la chauffe au-dessus de 585 °C. C’est ce qu’on appelle la température de Curie.

cristaux de magnétite

La magnétite est instable: elle s’oxyde progressivement. On voit sur la photo les taches de rouille.

On peut classer à l’aide d’un aimant les matières en 2 familles: magnétique et non-magnétique.

Les clous en acier ne sont pas des aimants mais lorsqu’ils sont sous l'influence extérieure d'un aimant permanent, ils deviennent à leur tour des petits aimants. Lorsqu'on retire l'aimant, les clous se séparent: ce sont des aimants temporaires.

Les lignes de champ sont orientées du nord au sud à l'extérieur de l'aimant.

Les lignes de champ ne se coupent jamais. Elles forment une boucle fermée.

Le pôle nord d'un aimant, c'est l'endroit où sortent les lignes de champ magnétique.

Le pôle sud d'un aimant, c'est l'endroit où entrent les lignes de champ magnétique.

Suivant le comportement des matériaux placés dans un champ magnétique, on distingue:

•

Les matériaux ferromagnétiques: la matière est rendue magnétique par influence, le champ magnétique se renforce; c'est le cas pour le fer, le nickel et le cobalt...

Les matériaux paramagnétiques: la matière ne subit pratiquement aucun changement. Le champ magnétique ne se renforce que très peu; c'est le cas pour l'aluminium, le platine...

Les matériaux diamagnétiques: la matière ne subit que peu de changement. Il y a presque absence d'influence. Le champ magnétique s'atténue légèrement; c'est le cas pour l'argent, le cuivre,...

Les matériaux amagnétiques: la matière ne subit aucun changement. Il n'y a pas d'influence, le champ magnétique ne varie pas; c'est le cas pour le bois, l'air...

Il y a plusieurs sortes de forces dans l'univers. On a longtemps pensé que la «force magnétique» et la «force électrique» étaient 2 choses totalement différentes. On sait maintenant qu'elles sont liées au sein d'une seule «interaction électromagnétique».

fer

argent

acier

graphite

(mine)

or

magnétique

aluminium

cuivre

laiton

fonte

nickel

plomb

étain

latex_caoutchouc

zinc

bois

plastique

tissu en coton

granite (roche)

sagex

minerai de fer

(magnétite)

En résumé, les substances magnétiques sont :

•

les métaux ferreux c’est-à-dire le fer et ses alliages (acier et fonte)

le nickel

et quelques autres éléments chimiques: cobalt, ...

Nous avons vu qu’un aimant attire des objets magnétiques. Cette force d’attraction s’exerce aux 2 extrémités de l’aimant: les pôles. La poudre de fer par exemple, est attirée par les pôles de l’aimant.

les pôles de l’aimant

Les pôles sont différents: on les a appelés Nord (N) et Sud (S).

Les pôles différents s'attirent:

Les pôles semblables se repoussent.

attraction

répulsion

Nous pouvons ainsi former des petits trains d’aimants.

Vu de loin un aimant permanent a 2 pôles

Il est en fait constitué d'une multitude d'aimants plus petits: les atomes.

Dans une matière non-magnétique les atomes refusent de s'aligner.

Dans un aimant temporaire, les atomes s'alignent lorsqu'ils sont sous l’influence d’un aimant dans leur environnement.

Une version un peu plus réaliste nous montre un barreau aimanté: les orbites des électrons autour du noyau des atomes sont orientées dans la même direction. Le champ magnétique produit par les atomes s’additionne.

Dans un barreau non aimanté: les orbites des électrons sont orientées dans toutes les directions. Le champ magnétique produit par les atomes est globalement nul.

les clous deviennent des aimants temporaires

aimant permanent

papier

Différentes trajectoires (orbites) des électrons autour des noyaux atomiques.

(Les noyaux sont représentés en rouge)

attraction

répulsion

On appelle champ magnétique l'espace situé autour de l'aimant dans lequel il fait sentir son influence. La poudre de fer permet de visualiser ce champ magnétique qui est invisible.

Lorsqu’on lâche de la poudre de fer au-dessus d'un aimant,on voit apparaître alors une sorte de dessin qu'on appelle le spectre de l'aimant.

Chaque grain de fer se comporte comme un petit aimant temporaire et s'oriente le long des lignes du champ magnétique.

N

S

Définitions:

•

lignes de champ

On peut utiliser la force magnétique pour:

Sans oublier des inventions indispensables comme le vernis à ongles magnétique.

N

S

N

S

sonnette électrique créée par un élève de Béthusy

moteur électrique made in Béthusy

Suite du cours: Boussole et géomagnétisme

objectifs

«Le magnétisme», un film de la série «C’est pas sorcier»

non magnétique

Que représente ce dessin étrange?

Mais ils retrouvent leur désordre une fois qu’ils ne sont plus sous l’influence du champ magnétique venant de l’environnement.

Remplir un bac en plastique avec de l'eau.

Déposer à la surface une petite boîte cylindrique qui flotte comme un radeau.

Placer un aimant dans la boîte: observer.

Le radeau oscille et finit par s'orienter dans un axe nord-sud.

Marquer "N" sur l'extrémité de l'aimant qui montre le nord.

Marquer "S" sur l'extrémité de l'aimant qui montre le sud.

Recommencer l'expérience avec plusieurs aimants.

•

Expérience

L'expérience est reproductible: l'alignement de l'aimant n'est pas dû au hasard.

La Terre possède des propriétés magnétiques .

Nous avons découvert un instrument qui permet de nous orienter: la boussole.

Conclusion:

Question: pourquoi l'aimant ne s'oriente-t-il pas dans l'axe nord-sud si on le pose simplement sur une table?

•

Lorsqu’on casse un aimant, chaque fragment possède ses 2 pôles nord et sud: on peut facilement les assembler.

Suite du cours: Les métaux

Expériences sur le magnétisme

La magnétite: un aimant naturel

Magnétique ou non magnétique?

Les pôles d’un aimant

Aimantation permanente

Aimantation temporaire

Fracture d’un aimant

Le spectre de l’aimant

Utilisation de la force magnétique

Pour faire plus compliqué

En résumé...

Assembler des objets sans colle: "magnets".

Bloquer momentanément un mécanisme: fermeture d'armoire.

Faire léviter des objets: train à sustentation magnétique, "lévitron".

•

Faire le tri entre des objets magnétiques et non-magnétiques. On pourrait trier à la main un mélange de poudres de fer et de cuivre. Mais ce serait long. Une technique plus simple consiste à approcher un aimant: seul le fer est magnétique.

•

Commander des mouvements: électro-aimant, moteur électrique, sonnette électrique.

•

Garder en mémoire : disque dur, disquette, enregistreur magnétique,...

La boussole permet de s’orienter dans le champ magnétique terrestre.

•

Expérience

Un champ magnétique intense permet de réaliser des images IRM (résonance magnétique) qui donnent aux médecins une vue de l’intérieur du corps humain sans l’ouvrir en vue de poser un diagnostic.

•

oeil

cerveau

os du crâne