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cette page, Physique 6 -  le magnétisme
English

Aimants - lignes de force et pôles, champ magnétique terrestre, la boussole    masses magnétiques - interaction, quelques applications, Champ magnétique, perméabilité de la matière    un phénomène étrange



L'image de gauche n'est pas une radiographie, mais la visualisation de zones magnétiques sur la surface d'un disque (donc dans l'air). J'ai utilisé pour cela un film translucide sensible, posé dessus.

 Sur fond vert, on distingue la succession des aimants permanents d'un moteur électrique de DVD, soit 5 pôles nord et 5 pôles sud altrernés. Ce disque, de 5 mm d'épaisseur, tourne au-dessus d'un ensemble de 10 bobinages aussi plats. Le moteur ainsi constitué est naturellement extra plat. Le disque aimanté considéré est à droite ; on ne voit qu'une bande plus foncée dont j'ignore la fonction, mais si l'on déplace dessus la tige d'un tournevis, on sent le passage d'un pôle à l'autre.



Aimantation, flux, circuits, pôles magnétique

Image ; ce n'est pas une bougie, mais un barreau aimanté environné de limille de fer, avec une aiguille aimantée au bout ! La limaille de fer se positionne selon l'intensité et les formes des lignes du champ magnétique. Ce flux stationnaire est "orienté" car une aiguille aimantée change de position selon son emplacement : le flux sort d'une extrémité de l'aimant avec le signe conventionnel + et rentre à l'autre extrémité "avec un signe
Le champ magnétique occupe l'espace qui entoure le barreau aimanté, ici dans un volume de forme elliptique ;
A l'intérieur du barreau, on se serre un peu, et même beaucoup. Les lignes y sont parallèles
(ou à peu près, on suppose).

Un champ magnétique est toujours en circuit fermé et il n'existe pas de magnétisme qui n'aurait qu'un pôle. Si on casse l'aimant en deux, on obtient deux aimants.

Peut-on imaginer un magnétisme qui ne se refermerait pas ? Impossible, il ne peut exister qu'en se refermant, sans pôles ou, s'il y a une discontinuité ouverte (exemple, fer/air), avec égalité des deux pôles. Il y a des affirmations contraires sur internet. Il est vrai qu'il y a parfois des prétentions ou des phénomènes troublants, j'en ai constatés, mais seulement en électricité/radio.

- Notre planète est un aimant. Son champ magnétique nous protège des atteintes de différents rayonnements, dont les violences magnétiques du soleil, et la vie serait impossible sans lui.

Image : Notre Terre et sa magnétosphère (au-delà de 800/1000 km d'altitude) - c'est la petite boule moitié blanche, moitié noire car éclairée par le soleil, situé à gauche. Son champ magnétique la traverse comme un barreau magnétique. les pôles magnétiques sont proches des pôles géographiques mais ne coincident pas.


Au passage sur image(ou cliquer ICI) vent solaire, magnétopause, deux zones de Van Allen; en gris, onde de choc stationnaire, zone neutre et zone de plasma. On ne l'avait pas imaginé ainait, ainsi, mais depuis la théorie de M. Van Allen, confirmée par les satellites, c'est la représentation que l'on s'en fait : Dissymétrique, il est soufflé comme une flamme de bougie par le vent solaire, un peu de travers en raison de l'inclinaison de l'axe de la terre.

 Question : "quelle direction indique une aiguille aimantée au pôle nord" ? ..ding ding..?? 
Réponse : avec une boussole articulée sur deux axes, elle plongerait.. vers le sud ! (on est déjà au nord) ; ou encore s'affolerait comme certains le rapportent, les deux étant peut-être vrais, selon le lieu.


Valeur horizontale moyenne du champ magnétique terrestre au niveau du sol : 50 micro-teslas (*). Il varie entre 30 et 60, 47 écrit-on, au centre de la France. Ce n'est pas beaucoup, cependant le tesla est une unité très grande (voir la suite plus bas).
(*) Note: micro= un millionième.. math: 50-6 = 50 divisé par 1 suivi de 6 zéros.

Il n'y a pas de lieu "normal" : notre champ magnétique terrestre est plein d'anomalies : il se déplace lentement en tournant autour du pôle géographique (précession) et il zigzague en bien des endroits selon la composition du sous-sol et les variations de la gravité (pesanteur) qui bosselle notre planète ("déclinaison magnétique", voir plus bas). Sa force varie également dans le temps. Il est actuellement dans une phase de décroissance.

Au cours de l'histoire de la Terre, les pôles se sont inversé de nombreuses fois.
La dernière en date remonterait à 800.000 ans ; ces inversions sont imprévisibles et vont de dizaines de millions d'années à quelques centaines de siècles. Elles sont déduites de l'orientation de cristaux magnétiques de roches volcaniques figées au refroidissement. La méthode est basée sur la réinitialisation du magnétisme des matériaux (pierre, terre cuite) qui se produit lorsqu'ils sont chauffés au-delà d'une certaine température (point de Curie), qui leur fait perdre leur magnétisme. En refroidissant, il retrouvent leurs qualités magnétiques et "prennent" alors le champ présent.
Le journal du CNRS, janvier 2008, je cite : "A chaque inversion - plus de 200 sont connues - le champ faiblit, exposant davantage notre planète aux effluves mortelles du soleil, cependant, aucune disparition de la vie, telle que nous la connaissons, n'aurait été observée". (les espèces aux époques concernées, il y a si longtemps ?)

Commentaires hibis. Les périodes d'inversion se succèdent avec des intervalles de quelques dizaines de milliers d'années, minimum". Un temps suffisant pour que des civilisations naissent et disparaîssent. Aucune chance de constater les dégâts en détail. Un autre regard est que "l'entre" inversion pourrait nous laisser un bon siècle sans aucune protection ! aucune de nos technologies ni industrie n'y résisterait, ni nous-mêmes donc qui en dépendons intégralement. Ou il faudrait faire fissa pour revenir en arrière, chose totalement impossible avec une populaton si importante et des terres recouvertes de béton au lieu de champs et de forêts.



Champ magnétique, nature et propriétés.
C'est l'un des phénomènes naturels de notre environnement de vie. Enfin, parmi ceux qui sont inventoriés, étudiés et mis à profit. Il pourrait être une composante magnétique de la lumière (relativité restreinte d'Einstein), ne m'en demandez pas plus .. laquelle est définie comme étant un rayonnement électromagnétique. Nos circuits électroniques émetteurs semblent bien y concourir avec leurs bobines magnétiques "accordées" (stabilisation d'une fréquence) et leurs potentiels électriques.

Surdoué, il s'apparente pour partie à la gravitation universelle et sa plus belle manifestation, le poid de tout chose sur terre et dans l'univers. APARTE : rien ne tourne autour de quelque chose d'autre dans notre monde, ce n'est qu'une apparence. Tout est lancé (ou l'a été, le BIG BANG) et tout ne fait que retomber en tournoyant. Voir "ellipse".

Alors, rayonnement ou pas ? à voir notre immense champ terrestre, cela y ressemble, à cela près qu'il se referme sur lui-même, sans aucune perte et selon une forme d'apparence semi-elliptique, alors que les rayonnements en général, dont l'électromagnétique lumineux, ne paraissent pas y être contraints ?
Comme tout phénomène invisible, il n'a pu être détecté et étudié que par ses effets accessibles à nos sens : on a su en mesurer la force, reconnaître la direction et son sens, étalonner son influence ou ses réactions en présence d'autres champs et matériaux.

Sa connaissance approfondie a ouvert la voie de l'électromagnétisme et son cortège d'applications pratiques, dont, première stupéfaction, la radio, mére de tous les rayonnements que nous produisons en montant en fréquence..

Deuxième stupéfaction, la force des champs "acquis" par les aimants du XXIe siècle, qui ont pu être substitués à une partie des bobinages dans les moteurs électriques, éliminant ainsi le délicat "collecteur" et ses "balais"; tout d'abord en informatique-robotique, puis en motorisation de puissance (industrie, voitures, trains, en utillage enfin (perceuses/visseuses). Rendons grâce à l'électronique/informatique, sans lesquelles rien de cela ne serait possible.

Confronté à d'autres magnétismes, la réaction des pôles respectifs s'apparente à l'électrostatique et les déformations des champs produits, selon les assemblages, à une oeuvre d'art (représentations sur Internet).

Champ magnétique, force et induction.
FORCE. Un objet aimanté placé dans un champ magnétique est soumis à deux forces opposées (couple) qui tendent à le remettre dans le sens du champ si on l'en écarte. Cet effet est caractérisé sous l'appellation de "moment magnétique". L'aigulle d'une boussole en est le meilleur exemple.

INDUCTION. Le terme "induction" définit aussi la production d'un courant électrique (voir mon petit débat d'idées en suivant). C'est la propriété majeure du magnétisme : un courant électrique est induit dans un fil conducteur lorsque celui-ci se déplace "en coupant les lignes d'un champ magnétique" (et non pas en suivant sa direction).
Image : comme on coupe le bout d'une corde, les fibres de la corde représentant le champ. C'est le principe du générateur de courant électrique, l'inverse étant vrai, pour le moteur électrique.


Champ magnétique dans le vide, l'air, ou certains métaux.
Définition "Futura-sciences.com" : "Un champ magnétique est représenté par le symbole H ou B, surmontés d'une flêche car il s'agit de valeurs "vectorielles".
Note: un vecteur est une flèche. Le terme est même utilisé par le militaires (rocket..). Elle signifie ici que la valeur H ou B est orientée.
"Ces valeurs de champ sont liées par une relation" (suit une formule). Note; cette "relation" désigne la perméabilité/(susceptibilité des différentes matières, dont je n'ai pas encore parlé.

Les plus forts champs magnétiques connus sont produits par des appareils scientifiques qui "ne dépassent guère quelques dizaines de teslas". "Un bon aimant courant peut en faire 2". Je citerai le CERN (8 teslas), ITER (13 teslas), dont je dis quelques mots plus loin, ou un appareil scientifique dont le champ avoisine les 30 teslas (cité par Wikipedia). Comparaison, le champ magnétique terrestre fait près de 50 micro-tesla au centre de la France( 5 divisé par 1 suivi de 5 zéros.
le tesla est une unité très grande.

Confusion éternelle entre champ et induction, et ce que l'on nomme induction (pour les non nuls qui cherchent à comprendre).

Le tesla est l'unité d'induction magnétique, laquelle impose un mouvement. Voici une définition http://www.marmet.org/louis/induction_faraday/ "L'induction magnétique se manifeste par un potentiel électrique qui apparaît aux extrémités d'un conducteur qui se déplace dans un champ magnétique. Le mécanisme fondamental qui entre en jeu est la "force électromotrice" ressentie par les électrons libres dans le métal du conducteur". L'induction" est donc due à un déplacement et l'on ne devrait pas l'utiliser pour un champ magnétique.

(*)Pour ce champs de référence, on devrait utiliser l'henry définissant un champ d'excitation magnétique. Le champ magnétique varie linéairement avec l'excitation magnétique (H). Elle s'exprime en henry par mètre (H.m-1).; Source "www.magnetosynergie.com". Le "H" de la formule devait signifier à l'origine "henry".
Il paraît toutefois y avoir une certaine unanimité sur l'excitation magnétique "H", qui dans le vide, est égale à l'induction, mais qui se mesure en ampères par mètre "A/m", et non en henry. H n'est pas un champ magnétique, un champ magnétique c'est une induction B, car il faut partir du vide.

Dans cet absolu, le champ magnétique terrestre, c'est déjà une induction B, mesurée en tesla (unité d'induction), qui résulte d'une excitation magnétique H (en A/m) et de la perméabilité (susceptibilité) de l'air (= 1 par définition), par rapport au vide.
Que se passe-t-il si l'on y place un barreau de fer de perméabilité (susceptibilite) bien plus forte. On a B (fer)= B (air) x Mu (fer), les deux étant mesurés en tesla. En toute conscience de ces difficultés, on a introduit la lettre M pour l'induction forte métallique, ce qui ne règle rien et complique un peu plus).


Observation. Lorsqu'il est "imprégné" d'un magnétisme ambiant, un barreau à forte perméabilité magnétique multiplie en interne la valeur de ce champ. Cependant, il ne l'amplifie aucunement, et ne fait qu'en concentrer une part avoisinnante. Cet "appétence" du magnétisme appauvri fatalement le champ ambiant, tout au moins dans l'environnement proche du barreau. C'est ce que les schémas représentent généralement.
Une autre réalité est que cet appétence magnétique n'est pas toujours linéaire et que si l'on augmente le champ magnétique ambiant, il arrive un moment où l'induction interne du barreau ne croit plus proportionnellement à l'induction ambiante. La transformation de la matière atteint ses limites.

En application de la formule de l'induction, si l'on place un barreau d'acier - perméabilité mu supposée de 50.000 - dans un champ de 12 teslas, on obtient une induction interne de 600.000 teslas et donc un aimant d'autant de teslas !! et en plaçant un autre petit barreau devant le premier, il devrait prendre une induction de 600.OOO X 50.000 teslas ou est l'erreur ? pratiquement, il y aurait saturation de l'acier bien avant ces valeurs, ou il n'y aurait pas suffisamment de champ à concntrer pour satisfaire "la demande" (appétence). Je parle ici de théorie pure, car j'aime bien comprendre en allant au bout des hypothèses. "Dans l'absolu" théorique, ce que jimagine cela devrait être vrai.

Le site du CERN décrit ainsi ses aimants les plus puissants : "Les électro-aimants dipôles principaux qui incurvent les trajectoirs génèrent de puissants champs magnétiques de 8,3 teslas, Ils sont parcourus par un courant de 11.080 ampères, sous une température de moins 271,3 degrés (état de supraconductivité). Le matériau supraconducteur permet aux courants de haute intensité de circuler sans perte d’énergie (la résistance électrique devient quasi nulle).

Son concurrent en monstruosité, le "tokamak ITER" dédié à la fusion nucléaire (et non le fission), n'est pas en reste : Le solénoïde central de 1.000 tonnes chargé d'accélérer le plasma produit un champ de 13 teslas pour 48.000 ampères de consommation (résiste à une poussée double du lancement de la navette spatiale). Energie produite, 6,4 Giga joules. Les 18 bobines toroïdales totalisant 6.540 tonnes, chargée de contenir le fux de plasma deutérium/tritium, produisent un champ de 11,8 teslas pour 68.000 Ampères. Energie produite, 41 Giga joules. Il y a aussi de bobines poloïdales.. et..(voir le site Internet "ITER")

- PETIT APARTE hors champs électromagnétiques, et compléments utiles à la compréhension.
CERISE SUR LE GÂTEAU, voici le poids du plasma à fusionner (très partiellement) : environ UN GRAMME !! dans un volume de 840 mètres cube.., soit le vide porté à 150 millions de degrés par une pression électromagnétique qui entretien une fabuleuse agitation des particules. C'est en effet l'agitation qui produit la chaleur qui produit le plasma ; cela afin que quelques "couples" de noyaux légers d'atomes parviennent à fusionner, produisant des noyau plus lourd..
Difficile d'imaginer que pareille chimère - pour le profane - puisse produire 500 Mégawatts en en consommant un peu plus de 50. Un rendement annoncé quatre fois supérieur à l'actuelle fission nucléaire (*), cela "proprement" (sans trop de déchets radioactifs, à part les parois), ce qui serait une formidable avancée écologique.

(*) Je ne sais vraiment pas quel poids doit "fusionner" pour produire 500 Mégawatts, mais j'ai lu qu'un gramme d’hydrogène transformé par fission nucléaire (et non "fusion"), équivalait à 8 tonnes de pétrole.

EST-CE DROLE ?? "Le plasma est maintenu à l'écart des parois". Cela signifie aussi que l'ON NE SAIT PAS ENCORE COMMENT RECUPERER LA CHALEUR PRODUITE, lorsqu'il y en aura..

Ce "tokamak" ITER fait tout de même un peu peur. Des bobines électriques à moins 273 degrés.. emprisonnant un gaz ténu (plasma) porté à 150 millions de degrés, plasma qui doit absolument être tenu à l'écart des parois par des champs magnétiques pour ne pas les voir fondre sur l'instant.
Le plus inqiétant
"Tokamak". Il a été inventé dans les années 1950-1960 par les physiciens Igor Tamm et Andreï Sakharov. Le terme « tokamak » est tiré du russe « toroidal'naja kamera magnetnymi katushkami ».


Amusant une boussole réalisée avec une épingle, qui flotte !! de quoi perdre le nord ; en effet, elle s'oriente tête vers le sud ! si cela ne se passe pas comme je l'ai constaté, passez la sur un aimant, elle s'orientera.

Réalisation : La tension superficielle des liquides (voir "Liquides-tension") permettent de faire flotter une épingle. Mieux vaut poset d'abord sur l'eau un petit morceau de papier fin (papier hygiénique..) ; il se mouille, mais on laisse délicatement tomber l'épingle dessus. On aide ensuite le papier à s'enfoncer en appuyant sur ses bords avec un bâtonnet. l'aide d'un bâtonnet.



Déclinaison magnétique. Pour faire simple, la déclinaison magnétique est l'angle qui existe - en un endroit donné - entre la direction du Nord magnétique et celle du Nord géographique (dit nord vrai). Cela serait vrai si les lignes du champ magnétique étaient "tirées au cordeau" comme nos méridiens géographiques. On aurait alors à comparer deux réseaux de méridiens, l'un gégraphique, l'autre magnétique, avec son décalage dans le temps. .
Hélas il y a des anomalies magnétiques qui font que la boussole ne pointe pas vers le nord magnétique, ce qui est embêtant. Voir plus bas, "l'Institut de Physique du Gmobe de Paris". Hors écarts d'anomalies, la France est traversée par une ligne de déclinaison nulle (2015), les écarts type (magnétisme parfait) demeurent assez faibles.

Calcul d'écart, exemple de New York, "la déclinaison magnétique de New York est de 13° Ouest". On voit que l'écart peut être très important.

La déclinaison ouest est dite positive (+) Cela signifie que si l'on va plein sud sur la carte à New York (180 degrés), l'aiguille de notre boussole devra indiquer 193 degrés. (180 + 13).

Pour déduire l'orientation magnétique de l'orientation géographique mesurée sur une carte, il faut ajouter la valeur de la Dm à l'indication de la boussole, si la Dm est Ouest (et la retrancher si elle est Est).
Cela signifie qu'avec une valeur de boussole non corrigée sur une grande distance, on risque de louvoyer pas mal pour se diriger vers la destination, avec peu de chances de l'atteindre.

Une aiguille aimantée indique deux directions : , une direction horizontale Nord et Sud, sa fonction d'usage normal, et une direction verticale, dite "inclinaison", vers le sol.
Paralllèle au sol à l'équateur, elle plonge progressivement vers le centre de la terre en s'approchant des pôles. En mesurant son angle vertical - il existe des modèles de boussoles qui le font - on peut connaître en gros sa position en latitude (le parallèle).


Une précision. En réalité les pôles, s'ils sont identifiables, sont en profondeur et non pile à la surface du globe.


Institut de physique du globe de Paris (site internet), je cite : "Si la distribution spatiale des anomalies magnétiques peut être considérée comme un invariant géophysique (les anomalies proviennent du terrain), les cartes d’iso-intensité, de déclinaison et d’inclinaison doivent être régulièrement mises à jour. Cette mise à jour s’est faite jusqu’en 2007, tous les 5 ans (par carrés de 20 km de côté en moyenne)". "Des travaux de modélisation ont montré qu’il est possible de suivre la variation séculaire avec une précision d’environ 1nT/an sur la France métropolitaine et la Corse avec seulement un observatoire et 11 stations également distribuées. Afin d’assurer la pérennité des stations il a été décidé de les implanter dans des aéroports" (fin de citation).

Notre globe serait dans une phase de diminution de la déclinaison magnétique, et de l'intensité magnétique, à de rares exceptions près. Cela s'est accéléré ces dernières décennies. Le déplacement du pôle magnétique paraît incertain, mais bon.. ici, on ne va pas se perdre.

- Calculateur de déclinaison (année et lieu, pour un champ magnétique théorique dit de référence): http://www.ngdc.noaa.gov/geomag-web/#declination
- Calcul à partir d'une carte marine/topographique (pour navigateurs, randonneurs..) : la valeur de la déclinaison magnétique y figure en précisant l'année, ainsi que son évolution dans le temps. On compte les années et fraction d'écart et on multiplie par la variation. La correction obtenue est à soustraire de la valeur (attention aux calculs, 60 decondes d'arc font une minute et 60 minutes font un degré).




Masse magnétique.

Cette notion définit une valeur de force à l'extrémité d'un aimant.

L'unité de masse magnétique C.G.S est celle qui placée dans le vide (l'air est ici assimilable), à une distance de un centimètre d'une autre masse égale, engendre une force de valeur égale à 1 dyne (1 milligramme).



A titre de comparaison, les pôles d'une boussole ont une masse de quelques dynes.
On remarquera l'analogie avec la masse d'un corps et son poids (attraction terrestre). La masse d'un corps engendre une force en présence d'une autre masse (la terre).

Pour les aimants puissants, on préfèrera s'exprimer en Newton, qui est unité légale, avec le mètre.
Un Newton vaut 98,1 grammes. Une dyne = un Newton divisé par 100000 (10 puissance -5)= 0,981 milligrammes soit presque un milligramme.

Interaction des pôles; force du flux.
    deux pôles + , ou deux pôles - , se repoussent.

    Deux pôles opposés s'attirent.


Le physicien Charles Augustin Coulomb a énoncé une loi expérimentale introduisant la notion de moment magnétique. Cette loi, jamais contredite, affirme que "la force qui interagit entre deux masses magnétiques m et m' dépend du carré de leur distance", soit la formule suivante, applicable à l'image de gauche :
F = m.m'/d2

La division par le carré de la distance signifie que si la force  à la valeur "F" pour 1 cm de distance entre les masses, elle devient    F/4, à 2 cm (divisée par 4)     puis F/16, à 4 cm (divisée par 16) !! .

La force faiblit très rapidement avec la distance.  




Champ magnétique - Perméabilité relative et susceptibilité magnétiques ) - Induction magnétique.   


L'induction magnétique stable résulte de la présence d'un champ magnétique ambiant stable et de la perméabilité des matériaux qu'il influence.
Pratiquement, c'est le fait de placer un tournevis, un crayon ou un fil de cuivre près ou contre un aimant. Seul le tournevis "prendra" une aimantation observable. Note pour "stable" : immobile, non variable; le champ magnétique d'un barreau aimanté posé, celui du champ magnétique terrestre.
Il y a d'autres formes d'induction avec une certaine confusion de genres, et c'est pourquoi je souligne la stabilité (immobilité).

L'induction affecte (*) n'importe quelle matière placée dans un champ magnétique ambiant, car tous les éléments de notre planète sont "traversés" par les "lignes de force" d'un tel champ.
(*) Imprégnés serait mieux, sinon imbibés puisqu'aucun atome n'y échapperait.
Air, roches, métaux non ferreux, terre, eau, verre, bois, organismes vivants (nous), etc.   On baigne dans celui de la terre ! le champ d'un aimant puissant placé derrière une planche ou la main est visible sur la face opposée (voir aimants du moteur de CD en tout début de page). Rien d'étonnant puisque le champ magnétique terrestre, qui serait généré par son noyau ferreux, traverse magma, roches et océans pour aller au-delà de l'atmosphère.

Nos tracés magnétiques sous forme de lignes n'est qu'une commodité pour repérer la forme et la densité d'un tel champ. La limaille de fer s'aligne selon ces pseudo lignes en raison de la grosseur et de l'irrégularité des grains.

Contrairement au champ de la pesanteur, chaque matière (substance) y réagit plus ou moins selon ses propriétés magnétiques propres. Généralement très peu (substances dites paramagnétiques et diamagnétiques) L'induction est dans ces cas nulle ou quasi nulle (formule plus bas).

Propriétés magnétiques propres : On dit que les corps (matières/substances) sont plus ou moins perméables à l'excitation magnétique ambiante, qu'elle soit produite par notre globe terrestre, par un aimant ou une bobine parcourue par un courant électrique.
EXPLICATION : ce sont les électrons de la matière qui réagissent à l'excitation magnétique. En l'absence de champ magnétique, ces électrons ont leurs moments magnétiques orientés dans tous les sens, leur somme étant nulle.

En présence d'un champ magnétique, ces électrons peuvent plus ou moins s'orienter dans le sens du champ ambiant inducteur. Rare exception, la matière "diamagnétique" peut s'opposer très faiblement au champ inducteur en générant un champ inverse.

REMARQUES. Le mot "perméable" peut tromper en pensant à "imperméable", qualificatif qui pourrait faire croire que des corps puissent ne pas être traversés par les champs magnétiques, alors que ce sont les atomes qui y réagissent, au plus profond de toute matière.

La perméabilité des corps (matières, substances) est généralement faible à très faible : ils ne modifient guère le champ ambiant et ils n'acquièrent pas de propriétés magnétiques particulières. Placés dans un champ fixe, leur induction est très faible à nulle.

Seul le fer et ses alliages, ainsi que quelques rares métaux, "sont "avides" de magnétisme" et densifient le champ", devenant alors des aimants - temporaires ou permanents - aimants qui réagissent par une force, un "moment magnétique".


Perméabilité magnétique. La lettre grecque "Mu" (μ) lui est attribuée. C'est  un coefficient, soit un nombre multiplicateur, qui mesure la perméabilité relative Mu d'une matière baignant dans un champ magnétique ambiant. Par définition, celle de l'air, pris comme référence, égale 1 (un) ; celle du fer est de 10.000 (susceptibilité Xm = 200), mais pour l'aluminium Mu = 1,000022 (Xm = 2,2· 10-5 = 2,2 x 10 puissance moins 5, soit 2,2 divisé par 100.000). Le cuivre est proche de ces valeurs, de même que bien des matériaux/substances, soit des valeurs de Mu proche de celle de l'air = 1.

EXEMPLE; certaines casseroles en "inox" (alliage) sans fond ferreux sont suffisamment neutres pour ne pas être utilisables avec les plaques de cuisson à induction. leur μ est proche de 1 (magnétiquement neutres comme l'air). Testez les avec un aimant, car j'ai constaté une belle disparité, la majorité des nôtres (anciennes) sont très magnétiques (donc compatibles induction). C'est principalement la présence de nickel, faiblement magnétique (Mu = 600), ainsi que des modifications structurelles de l'acier, qui rendent l'inox paramagnétique. Un traitement thermique peut corriger cela. On constate cependant que les ustensiles "compatibles induction" ont désormais un fond aciéré épais.

Ce coefficient μ est dit relatif parce qu'il se réfère à l'air (par convenance, l'air est neutre, son  "mu" = 1. sa valeur dans le vide est 0.

Si j'ai introduit les deux notions de qualité magnétique Perméabilité (Mu) et Susceptibilité (Xm), sans autre explication, c'est uniquement pour appeler à la méfiance. En effet, on a vu précédemment la valeur 200 pour la susceptibilité du fer, équivalente à 10.000 pour sa perméabilité !

L'induction B d'une matière placée dans un champ H est donnée par la formule :

B (tesla) = μ.H (tesla, henry),  soit H multiplié par Mu).


Si la valeur de μ pour un métal ferreux est 10.000, la valeur de l'induction B tesla dans le barreau devrait donc être 10.000 fois plus forte (*) que le champ ambiant dans lequel il est placé.

(*) "devrait être" parce que La perméabilité des matières n'est pas constante : elle varie avec l'intensité du champ magnétique appliqué et diminue (relativement) quand le champ augmente. C'est le fait d'une sorte de saturation progressive, les atomes faisant de la résistance..
La formule ne serait donc exacte que pour une plage de valeurs de champ d'excitation. Je n'ai pas recherché d'exemple de correction. Je suppose que cela ne concerne que les très fortes inductions, mais c'est justement le cas de nos jours. D'où la recherche d'alliages avec de très fortes valeurs de Mu.

Note: Les forces, les champs et inductions ont une direction et un sens : on dit que ce sont des vecteurs, (flèches) et pour les identifier, on place une flèche au-dessus de la lettre les représentant. Je simplifie ici en mettant simplement ces lettres en italique (H, B ).

La température intervient également ainsi que les chocs.
Placée dans un même champ d'excitation magnétique, une matière magnétique acquiert moins d'aimantation à température élevée. Par exemple deux fois moins à 300 degrés qu'à trente. La variation est continue mais pour un écart important, il s'agit de températures relativement élevées. Toutefois, c'est bien le cas des moteurs fortement sollicités, comme sur les voitures électriques.

On peut désaimanter en chauffant ou en cognant la pièce aimantée. En chauffant au-delà d'une certaine température (selon les matières, point dit "de Curie"), le magnétisme ne revient pas au refroidissement. Le magnétisme est décidément un étrange phénomène (la suite plus bas).

La perméabilité a considérablement augmenté avec les alliages, dont le cobalt, les poudres de ferrite et bien plus encore avec les métaux des terres dites rares - par exemple, le neodymium, utilisé pour les aimants du moteur électrique de la Toyota Prius. Ces aimants sont reconnaissables par leur placage brillant genre inox/chrome car ils sont fragiles (friables, cassants), ce qui est un problème pour les moteurs.

La Chine détient pour le moment les plus importantes réserves de ceux qui servent aux écrans à tube et plats (pour certaines couleurs), aux batteries (Lithium excepté, derrière Chili et Bolivie), aux tubes fluo, additifs carburants, pots catalytiques etc.




Pénétration d'un champ magnétique dans la matière.
Un aimant est ici posé sur la face d'un disque dur de PC (ici en noir, mais en réalité réfléchissant). L'aimant ne tient pas dessus et glisse.

Voici la visualisation du champ magnétique dans l'air sur la face opposée du disque (donc au travers de celui-ci).
On voit bien les deux pôles et leur flux environnant, preuve que le magnétisme traverse le disque.
Le même résultat est obtenu en plaçant l'aimant derrière une planchette, une vitre, un doigt, du béton : l'aimantation est visible dans tous les cas (ici photo derrière mon doigt). Si l'épaisseur du substrat (matière) considérée affaiblit le champ, c'est en raison de la distance et non de la matière. (On l'a vu, l'aimantation s'affaiblit très vite sur une courte distance.  

Effet d'une perméabilité forte : derrière une plaque de fer épaisse de fer (3 mm), l'aimant ne laisse aucune trace, car le fer absorbe une bonne partie du le flux magnétique pour le concentrer en son sein. L'essai renouvelé avec une plaque d'acier plus fine (0,6 mm), montre une absorption moindre du champ magnétique et l'on peut en visualiser ses traces.




Matériaux magnétiques.
   Trois catégories de matériaux.

PRUDENCE. Les valeurs de perméabilité "Mu" des ferromagnétiques poviennent d'Internet. J'ai retenu les valeurs maximum, mais ces chiffres peuvent être contredits par d'autres sources. Toutefois, l'estimation des écarts demeure valable pour la compréhension du phénomène.

Les ferromagnétiques (forte à très forte aimantation de même sens que le champ "excitateur". Des exemples : tels qu'actuellement les "néodyme" (néodyme-fer-bore) Mu= ?? et plus anciennement les permalloy ou Mu-métal Mu=100.000 (alliages de fer/nickel), acier 50.000, fer 10.000, ferrites 4.000 (de 500 à 10.000 !), nickel, 600.
- Une grande perméabilité peut ne pas être retenue si d'autres critères s'y opposent (température max (point de Curie), résistance mécanique, conservation du magnétisme (rémanence, hystérésis)..
- Par commodité (moins de chiffres), La susceptibilité (Xm) est généralement préférée à la perméabilité (Mu).

Les paramagnétiques, très faible aimantation de même sens que le champ tels que aluminium, calcium, platine, sodium, chrome, oxygène liquide, uranium, lithium

Les diamagnétiques (très faible aimantation en sens inverse du champ (perméabilité relative inférieure à 1). Comme la terre, l'eau, le carbone, le bismuth, silicium, cuivre, zinc, argent, plomb, or.

Complément. source, https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00233092/document
Influence de la température. Il existe une température, dite point de Curie, au-delà de laquelle un magnétisme disparaît sans retout lorsque la température baisse.
Un grand nombre de métaux, plus de vingt, possèdent un paramagnétisme indépendant de la température. Le diamagnétisme, qui est une.propriété atomique générale, peut masquer un paramagnétisme faible. En fait, le cuivre, faiblement diamagnétique dans les conditions ordinaires, devient paramagnétique à la suite d’une déformation mécanique permanente. L’interprétation du paramagnétisme constant est difficile, d’autant plus qu’il est impossible d’avoir des données précises sur sa grandeur. Parmi les métaux à paramagnétisme constant, le chrome et surtout le manganèse présentent un intérêt particulier. Ils ont respectivement comme susceptibilité spécifique (19) 4,3 x 10-6 et 9,9 X valeurs fortes relativement à leur diamagnétisme probable.
Etude d'un alliage comprenant du manganèse. De 11° à 370° l'alliage argent-manganèse passe de 25.OOO à 10.000 Xm 10 puissance -6 (10 puissance moins 6 = divisé par 1 suivi de 6 zéros, soit divisé par un million) .
Limite dia/paramagnétique.

- Au niveau des atomes. Dans une substance, les plans des orbites des atomes (spin) sont dans tous les sens (théorie quantique). Si l'interaction des orbites entre elles est assez forte, leurs plans de rotation ne sont pas modifiés ; cependant, leur moment magnétique augmente ou diminue. Si l'interaction est forte, les plans de rotation des électrons s'orientent en partie selon le champ magnétique.
Les rares métaux très magnétisables, comme le fer, possèderaient des atomes suffisamment rapprochés (0,27 à 0,3 nanomètre. Un Nano = 1 divisé par 1 suivi de 9 zéros.


- Le boîtier d'une marque de montres de prestige, destiné aux scientifiques, protège contre l'induction magnétique jusqu'à 0,1 tesla. Une valeur relativement forte tout de même puisqu'un aimant courant, déjà bien puissant, peut en produire 2, mais insuffisante sans doute pour influer sur les mécanismes. Comment réduit-on localement le champ magnétique ?  à l'aide d'un bouclier magnétiquement très perméable qui concentre le champ magnétique environnant : le boitiers en titane de la montre est doublé d'un boitier interne en fer doux. A l'intérieur, le champ est moins dense.

- Le boitier d'un disque dur de PC, et toutes les pièces métalliques à l'intérieur, disque(s) dur(s) inclus (*), sont paramagnétiques, à l'exception de deux aimants et leur support, aimants ultra puissants de guidage du stylet de lecture/enregistrement.
(*) Les centaines de milliards de points d'enregistrement magnétique (bits) "implantés" dans le disque dur, sont magnétisés dans un sens ou son inverse, mais c'est indétectable à notre niveau.




Induction, flux d'induction magnétique

- Une induction magnétique s'exprime en tesla "T"  L'induction magnétique, rappelons le, est le résultat d'un champ magnétique "imprégnant" une matière de perméabilité "Mu" (ou susceptibilité "Xm")

- Un flux d'induction magnétique s'exprime en "weber" (Wb) cette unité précise qu'un champ d'un tesla traverse 1 mètre carré (unité de surface).  Elle exprime la production d'une force électromotrice (f.e.m,) de 1 volt.

Une spire  de surface S mètres carrés, traversée par une induction de T teslas reçoit une induction magnétique égale à B weber (nombre de weber) multiplié par sa surface S en m2. (B = T x S)

Note : toutes les initiales T, B etc. doivent être surmontées d'une flèche (vecteur) pour rappeler que leur valeur représente aussi une direction et un sens (comme pour une force). Je les mets en italique pour simplifier.


On ajoute une correction lorsque la surface (spires de bobine par exemple), n'est pas perpendiculaire aux lignes du flux. On comprend que placée en travers, la surface traversée est moins grande. Cet angle α "alpha" (voir croquis) est traduit par un nombre trigonométrique, le cosinus. Dans notre cas, angle α= 90°, le cosinus = 1. (voir  pente et trigonométrie).




l'encadré seul Aimants.   les aimants d'un disque dur de PC hors service, donnent une bonne idée des aimantations atteintes de nos jours. C'est assez incroyable.
A tenter avant qu'ils ne disparaissent ! (de simples vis à enlever pour le boîtier, et à l'intérieur, inutile de cherchez les fixations pour les aimants, il n'y en a pas, car les deux aimants tiennent par leur seule force !!   il faut donc faire levier avec un tournevis afin d'écarter les aimants qui dès lors, se libèrent  parce que la force tombe brusquement. Collés sur une tôle même fine, (réfrigérateur..), on peine à les enlever. Pour pouvoir en utiliser, j'ai collé deux épaisseurs de carte bancaire sur l'aimant (en rouge) et c'est encore très fort !
En quelques années, les alliages ont considérablement changé la donne, et la force nouvelle des aimants a ouvert la voie à des applications inimaginables jusqu'alors. Ils prolifèrent ! 
Déjà utilisés pour les portes de placards, les aimants désormais mignaturisés tiennent les rabats des sacs et couvercles de boites. Ce sont des punaises magnétiques pour affichage, ou placés sous un fin plateau, ils animent quelques personnages patineurs.
D'un point de vue industriel, les moteurs gagnent en simplicité avec des aimants permanents associés à l'électronique (moteurs puissants sans collecteur : voiture électrique, industrie et outillage dont perceuses). En vérité, tous les domaine profitent de l'aubaine, ménager, photo, médical, transport.. dont sustentation magnétique.
Domaine scientifique. Recherche de masses magnétiques enfouies sous terre ou au fond de l'eau.  On utilise un appareil - le magnétomètre - qui émet un champ magnétique et en mesure la modification en présence de métal ferreux. Surtout utilisé sous la mer pour détecter les bateaux coulés; par exemple, un magnétomètre a été utilisé par les allemands autour de  l'antique cité de Troie, en recherche de la mythique cité perdue, l'Atlantide. A nouveau en vain.




Le magnétisme, un phénomène bien étrange.

Des vertus aussi magiques qu'incertaines lui sont conférées depuis sa découverte, dont la qualité première fut bien souvent au bénéfice du praticien, du commerçant ou du charlatan. En est-il ainsi avec les gros aimants placés sur les tuyaux pour empêcher le calcaire de se déposer ? les avis divergent, une expérimentation réfute cette possibilité, qu'en est-il vraiment ?

On s'interroge cependant lorsque des gendarmes font appel à des magnétiseurs et leur pendule pour retrouver quelqu'un, avec dit-on un pourcentage réel de succès ; ou en constatant soi-même que deux bâtons coudés se rapprochent au passage d'un cours d'eau souterrain (les sourciers ont fait leurs preuves avec le bâton de coudrier). Si le champ terrestre a quelque influence sur nous, nous n'en avons aucune conscience et rien ne permet jusqu'à présent de le vérifier. De réputés guérisseurs disent qu'ils guérissent avec leur magnétisme, mais il ne savent pourquoi eux-mêmes.

Les oiseaux migrateurs auraient une boussole dans leur tête (ou ailleurs) mais pas seulement eux, car l'interrogation vaut pour bien des espèces, avec un regard particulier peut-être, sur celles qui couvrent d'immenses trajets en l'air, dans l'eau ou au sol. Abeilles, poissons, mammifères marins, tortues, chiens, chats, quadrupèdes sauvages.

- Pigeons voyageurs d'élevage. UN - ils ne "fonctionnent" que dans un sens : le retour au nid (on les transporte ailleurs). DEUX - selon un "entraîneur", on les éloigne progressivement de leur nid (transport) en augmentant les distances. Ce n'est donc pas inné, ou tout au moins lorsque l'on souhaite la sûreté et la rapidité. Des animaux très éloignés mettent des années pour retrouver "leur foyer". Mais ils le retrouvent et c'est la finalité de la cause.

La liste serait longue, et bien plus que l'on ne croit, car il faut y ajouter les "microbiologiques", dont une bactérie qui se dirige "au champ magnétique", et que l'on tente d'utiliser pour aller déverser les produits de traitement au plus près des tumeurs cancéreuses (annonce fin 2017). Plus "nanonique" encore, les atomes de toute matière, chair incluse, ont une propriété magnétique, laquelle et utilisée en imagerie médicale (résonance magnétique, spin des atomes d'hydrogène).

Il est dit des cigognes et pigeons voyageurs qu'ils utiliseraient des repères visuels, que les abeilles s'orientent avec le soleil (mais sans soleil, a vue ?). On cite des chiens qui retrouvent leur chemin grâce aux odeurs ; du chat qui est revenu chez lui une dizaine d'années plus tard après avoir été éloigné de 600 km ou plus. Est-ce le magnétisme terrestre, les repères, les odeurs. Probablement les trois ; pourquoi les animaux seraient-ils si différents de nous qui en sommes une branche, hormis le fait qu'en ce domaine, nous avons perdu leurs facultés ? 

Une expérience a été pratiquée par une personne qui a mis son chat dans une caisse obscure et l'a transporté ainsi en voiture à une dizaines de km de là. Le chat est revenu.

Pas de problème répond Laetitia, vétérinaire qui anime une émission sur les animaux (radio MC) : "l'environnement du chat s'étend de 5 à 15 km autour de lui et il s'y dirige parfaitement, usant de tout, ses odeurs d'urine, odeurs par les coussinets de ses pieds, repères, pourquoi pas le magnétisme ou les étoiles ? car les odeurs disparaissent avec le temps ou la météo. Et si il a parcouru le trajet dans une caisse obscure, sans odeurs ni lumière de quoi que ce soit, il faut bien se dire QUOI alors ?  difficile en effet d'imaginer qu'il connaissait déjà très bien "tout le coin".

Détection d'eau. Les services des lignes téléphoniques utilisent parfois deux tiges de fer coudées à 90 degrés, dont la plus grande branche fait 50 centimètres. On peut utiliser un fer doux de plusieurs millimètres de diamètre ou un fer à béton fin équivalent. On tient fermement dans chaque main un fer par le petit coté; en s'assurant de conserver les deux grands brins bien parallèles et horizontaux, tout en marchant lentement. On constate que tout le monde n'est pas réceptif, et que la réceptivité peut varier hélas, d'un moment à l'autre. Mais sur un point précis connu pour avoir un ruissellement souterrain proche j'ai vu, lors d'un exercice, mes deux tiges se rapprocher ; action renouvelée à plusieurs passage. C'est très étonnant.



  Electromagnétisme, transformateurs, générateurs



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