• I. Principes de base de l’aimant

    Les champs magnétiques dans 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. 

    Voir la video

     Le courant a circulé pendant environ 5 minutes dans le circuit créé en formant un champ magnétique autour du clou. Pour observer la magnétisation ou non du clou, nous l’avons mis en contact avec un objet métallique. Ce dernier étant attiré par le clou, nous avons donc pu constater la réussite de notre expérience .

    Voir la video

     Par la suite, en utilisant encore la même manipulation, mais cette fois-ci avec un objet en bois et un objet en plastique, nous voulions voir si nous pouvions les transformer en aimant. Les résultats n'étant pas concluant (comme on s'y attendait), on peut supposer que certains matériaux conservent mieux les champs magnétiques que d'autres.

     

      

    (Photos de notre montage)

    Lors de nos manipulations nous avons remarqué que l’aimant que nous avons créé n’attirait (ou ne repoussait) pas toujours le même côté de la boussole. Comment ce fait-il ? Nous savons que les charges similaires se repoussent tandis que les charges opposées s’attirent. Le sens de polarisation de notre aimant pourrait donc varier et celui-ci varie en fonction du sens dans lequel nous faisons passer le courant dans le circuit. Nous savons que le pôle Nord magnétique correspond au moins électrique car il attire le côté positif de tout objet magnétisé.


    Nous branchons ensuite notre clou dans le sens voulu :

    Schema 1

     

    Dans ce cas, le point A est chargé positivement et le point B négativement. Donc si nous approchons le point A de la boussole, il attirera le Nord et repoussera le Sud, alors que le point B attirera le Sud et repoussera le Nord.

    Schema 2

    Dans ce cas, c'est le point B qui est chargé positivement et le point A négativement. A l'inverse du schéma 1, c'est le point B de la boussole qui attirera le Nord et repoussera le Sud, tandis que le point A attirera le Sud et repoussera le Nord.

    Nous avons donc mis en évidence que la polarité d'un champ magnétique dépend du sens de circulation du courant dans un circuit électrique.

    Voir la video

    Un aimant est-il éternel ? La température, un facteur de variation

    Après avoir réalisé notre aimant, nous avons constaté qu'au bout de quelques minutes, notre aimant perdait son pouvoir d'attraction. Nous en avons donc conclu que le champ magnétique qui donnait ses propriétés à notre clou s'épuisait, nous avons donc cherché à trouver quels facteurs faisaient varier l'intensité de ce champ.

    La température de conservation de l'aimant nous a paru comme un des facteurs possibles, nous avons donc procédé à deux manipulations afin de déterminer l'impacte de la température sur la conservation d'un champ magnétique. Afin de confirmer nos observations, nous avons réalisé un aimant témoin à partir d'un clou chargé pendant cinq minutes avec une batterie de 24 volts que nous avons laissé à temperature ambiante (environ 30°C) afin de pouvoir le comparer avec un autre aimant avec lequel nous allons manipuler.

    Manipulation : La température

    A basse température: Nous avons recréé un aimant avec un clou similaire au clou témoin, avec le même temps et la même puissance de charge. Une fois la charge terminée, nous l'avons placée dans un bac à glaçon, tandis que le  témoin restait à 30°C. Au bout de deux minutes, nous avons comparé la force d'attraction des deux aimants et avons observé que l'aimant témoin attirait avec moins de force les matériaux métalliques que l'aimant refroidit. Pour confirmer nos observations, nous avons répété l'opération et retiré l'aimant du bac au bout de cinq minutes. Nous avons constaté que l'aimant témoin n'attirait plus du tout les matériaux métalliques, même les plus légers, tandis que l'aimant refroidi les attirait encore.

    A température élevée: Nous avons donc procédé de la même manière que pour la manipulation à basse température. Une fois les deux aimants obtenus, nous en avons chauffé un avec un bec bunsen. A la fin de la deuxième minute, les deux aimants attiraient avec la même puissance, mais à la cinquième minute, l'aimant chauffé commencait à perdre son pouvoir d'attraction sur les métaux.

    Nous pouvons donc conclure que plus la température de conservation de l'aimant est basse, plus le champ magnétique se conserve, et inversement plus la température augmente et moins l'aimant conserve ses propriétés. En effet, un aimant peut perdre son champ magnétique lorsqu'il atteint une certaine température, appelée température de Curie (celle du fer est de 770ºC). Les matériaux le composant influent aussi sur sa puissance car ils peuvent se dégrader avec le temps, perdant de leur cohérence.

    L'aimant n'est donc pas éternel, ce qui nous pose un nouveau problème: comment le champ magnétique qui entoure la Terre conserve-t-il ses propriétés d'attractions alors que la température du noyau est de plus de 5000°c ?

     


  • Commentaires

    1
    Jojo
    Mercredi 7 Novembre 2012 à 18:07
    Bravo et merci
    Tout ceci est très intéressant, bien écrit, didactique et complet. Félicitations ! Et merci car cette page a bien répondu aux questions que je me posait et même un peu plus. Bon courage pour la suite (quelle que soient tes aspirations ou tes choix de carrières). ;)
    2
    Jojo
    Mercredi 7 Novembre 2012 à 18:46
    Post Scriptum
    PS: C'est exactement le type d'informations que je recherchais a ce moment, c'est le pourquoi du merci. ^^
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