A la découverte du magnétisme

Tu peux même te rendre compte que le champ magnétique est dans toutes les directions de l’espace grâce à cette vidéoA peu près au même moment où les Grecs ont mis en évidence l’électricité statique avec l’ambre (voir ici), il semble (d’après la légende) qu’ils aient aussi découvert le magnétisme. C’est un certain « Magnes » qui, en grimpant une montagne (le Mont Magnetos) avec des sandales possédant des clous, avait remarqué que ses pieds étaient attirés par la roche. Vraisemblablement, le sol caillouteux de la montagne contenait un minerai qui attirait les parties métalliques des chaussures.

Au 6e siècle, ce sont les chinois qui découvrent que de petites aiguilles de fer, frottées contre une pierre particulière (un minerai de fer, appelé « magnétite »), deviennent à leur tour aimantées. Cette découverte a permis le développement de la boussole, particulièrement utile pour se repérer pendant la navigation. En effet, la Terre agit comme un aimant et oriente l’aiguille d’une boussole approximativement en direction du pôle Nord.

Le principe du magnétisme

Tout d’abord, une petite définition du magnétisme. Il s’agit d’un phénomène où on peut observer qu’un objet en attire (ou en repousse) un autre.

Mais dis donc ? Cela ne te rappelle rien ? Il y a quelques temps, nous avions montré que dans certaines conditions, les objets pouvaient s’attirer : souviens-toi de l’attraction avec le ballon collé au plafond ou la répulsion avec les cheveux dressés sur la tête. Nous avions expliqué que ce phénomène était dû au mouvement des électrons.

L’électricité et le magnétisme sont en effet deux aspects liés au mouvement des électrons : ces deux notions sont d’ailleurs regroupées sous un même terme : l’électromagnétisme.

Comme nous l’avons déjà vu, la matière est constituée d’atomes (noyau au centre et électrons qui gravitent autour du noyau).

En déplaçant les électrons d’un endroit à une autre (lorsqu’on frotte un matériau par exemple), le bel équilibre entre électrons (négatifs) et protons (positifs) des noyaux est rompu. Apparaissent donc des zones plutôt positives, tandis que d’autres où s’accumulent les électrons deviennent négatives. De là, apparaît l’attraction entre zone de charges opposées ou la répulsion entre zones de même charge.

Dans certains matériaux, il faut intervenir pour arracher des électrons mais dans d’autres, le magnétisme est naturellement présent (ou il peut survenir suite à une aimantation) : c’est le cas de métaux purs tels que le fer, le cobalt, le nickel, le néodyme et de certains alliages (comme les oxydes de fer tels que la magnétite, justement ! )

La différence entre les différents matériaux

Tout dépend de la façon dont les électrons sont organisés dans l’environnement proche de l’atome et également de la façon dont les atomes sont placés les uns à côté des autres. Chaque atome a sa propre organisation d’électrons. Ces derniers bougent très rapidement autour du noyau mais tournent également sur eux-mêmes comme des toupies : ce qui nous conduit à la création d’un effet attractif comme un petit aimant.

Petit aimant au sein d’un atome dû à ‘l’effet toupie’ des électrons

Si chaque atome a sa propre organisation, les effets d’attraction de l’ensemble vont s’annuler les uns les autres au sein du matériau : il n’aura alors aucun effet magnétique.

Par contre, si pour tous les atomes, les électrons s’orientent dans une direction privilégiée, les effets se cumulent et on pourra observer un effet attractif ou répulsif global. Ce matériau est magnétique. Mais quels sont les matériaux magnétiques ?

Les matériaux magnétiques

Comme on l’a dit, c’est plutôt du côté des métaux qu’il faut regarder. On va t’expliquer pourquoi. Un atome d’un élément métallique peut perdre facilement un électron (parce que celui-ci est assez peu attaché à son noyau). Lorsque plusieurs atomes (dans un métal) sont associés, ils s’organisent de façon très ordonnée (on appelle cela un cristal) et l’électron (ou les électrons) issus de chaque atome sont cédés à la communauté et peuvent circuler facilement entre les atomes voisins ce qui explique la grande conductivité électrique des métaux.

En ce qui concerne le magnétisme, les métaux sont à priori de bons candidats puisque des électrons y voyagent facilement. Mais tous les métaux ne parviennent pas à créer d’effet collectif avec un même alignement entre les petits aimants de chaque atome : il faut pour cela une sacrée organisation. C’est le cas du fer, du cobalt, du nickel. Il faut néanmoins savoir que, soumis à une forte température qui perturbe trop l’arrangement des atomes, ils perdent leur magnétisme.

Un aimant a la capacité d’agir sur son environnement, en attirant ou en repoussant les objets notamment ceux où les charges circulent facilement (donc les métaux). On dit que l’aimant crée un champ magnétique. On peut d’ailleurs le visualiser en plaçant de la limaille de fer (petits grains de fer) à côté d’un aimant : les petits grains s’alignent et on peut observer de jolis dessins.

Tu peux même te rendre compte que le champ magnétique est dans toutes les directions de l’espace grâce à cette vidéo.