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      Physique - le magnétisme
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 Aimants; lignes de force et pôles, champ magnétique terrestre, la boussole, masses magnétiques, interaction ; quelques applications ; Champ magnétique, perméabilité de la matière - Le magnétisme phénomène étrange)

 

 

 Sur fond vert, les aimants permanents d'un moteur électrique de DVD : on distingue une succession de pôles magnétiques disposés en cercle, soit 5 pôles nord et 5 pôles sud. Ce disque, de 5 mm d'épaisseur, tourne au-dessus d'un ensemble de 10 bobinages aussi plats, correspondant aux 10 pôles magnétiques. Le moteur ainsi constitué est naturellement extra plat. Le disque magnétique vu normalement est à droite ; si l'on passe la tige d'un tournevis, on sent bien le passage d'un pôle à l'autre, alors que l'on ne voit à priori, rien de particulier, à part une bande plus foncée. Un aimant permet en plus de distinguer la polarité de ces pôles.

Aimantation, flux, circuits, pôles magnétique.

La limaille de fer visualise le flux du champ magnétique qui entoure un aimant. Ce flux, qui ne ne circulerait pas, est cependant 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 rente à l'autre extrémité "avec un signe Le champ magnétique occupe l'espace qui entoure le barreau aimanté, ici dans un volume en forme de "kiwi", fruit exotique soit une forme proche de l' ellipse ; A l'intérieur du barreau, on se serre un peu, et même beaucoup. Les lignes y sont parallèles.

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.

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. Dessin de gauche, la terre et et sa d'altitude). Cette image très colorée est une représentation de notre Terre  - petite boule moitié blanche, moitié noire car éclairée par le soleil - avec son champ magnétique qui entre au pôle nord et en sort au pôle sud; il n'est pas tout à fait ce que l'on imaginerait, mais depuis les satellites et la théorie de M. Van Allen, c'est la représentation que l'on s'en fait : il est soufflé comme la flamme d'un bougie par le vent solaire, un peu de travers en raison de l'inclinaison de l'axe de la terre (au clic :  vent solaire, magnétopause, deux zones de Van Allen; en gris, onde de choc stationnaire, zone neutre et zone de plasma)
 Cette image pose l'habituelle question : "quelle direction indique une aiguille aimantée au pôle nord"  ding ding..??  réponse : "le sud" !!   (aux pôles nord et sud, elle plongerait verticalement vers le sol, avec une boussole le lui permettant (à deux axes) ou encore s'affolerait comme d'autres le rapportent, les deux étant peut-être vrais, selon le lieu..).
50 microteslas ce n'est pas beaucoup, cependant le tesla est une unité très grande et les plus forts aimants scientifiques ne dépassent guère quelques dizaines de teslas; un bon aimant courant (on ne dit pas à quoi il sert..), peut en faire seulement 2.

(*) Il n'y a pas de lieu "normal" : notre champ magnétique terrestre est plein d'anomalies : il n'est pas à la même place que le nord géographique (celui des cartes) ; il se déplace lentement en tournant autour du pôle géographique, et sa valeur croit et décroît périodiquement. Il zigzague en bien des endroits pour plusieurs raisons raisons : la composition du sous-sol et les variations de la gravité (pesanteur) qui bosselle . Selon le lieu, Il peut aussi être en phase de croissance ou 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.
A chaque inversion - plus de 200 sont connues - le champ faiblit, exposant davantage notre planète aux effluves mortelles du soleil ; cependant, n'a pas observée (sans champ magnétique, pas de vie telle que nous la connaissons). Par contre notre matériel et peut-être électrique et n'y résisterait pas. hibis "on n'était pas là pour constater les éventuels dégâts, mais comme ça prend un certain temps, minimum quelques dizaines de milliers d'années, on peut remarquer que les civilisations ont largement le temps de disparaître et de renaître" (à moins 10.000 ans, on est à l'époque préhistorique). D'après le journal du CNRS janvier 2008.

Assez curieusement, le champ magnétique du soleil varie avec selon le rythme de ses périodes d'activité (taches) et change d'orientation ainsi sud nord, à peu près est ouest et revient inversé nord sud !  cela pour un cycle de 8 à 12/13 ans .

Amusant :  une boussole réalisée avec une épingle, qui flotte !!   vous serez étonné de ne pas.. perdre le nord ; en effet, elle s'orientera, tête vers le sud, si cela se passe comme je l'ai constaté.
Réalisation :
La tension superficielle des liquides (voirphysique 11) permettent de faire flotter un trombone, une épingle, un bout de fil de fer ou de cuivre bien droit, voire une pièce en alu !
Une astuce permet de les faire tenir à la surface car on ne peut y arriver avec les doigts. On découpe un petit morceau de papier fin (cigarette, papier hygiénique..) que l'on place sur l'eau à plat ; il se mouille mais demeure quelques dizaines de secondes à la surface. On pose délicatement l'épingle, le trombone, la pièce dessus, le plus horizontalement possible, puis on attend que la papier coule, ou on l'aide en l'enfonçant progressivement sur les bords à l'aide d'un bâtonnet. Ces objets "flottent en apparence", légèrement enfoncés sur la peau de l'eau qui se déforme autour d'eux, en cuvette.
 

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

ouest est dite positive (+) ; cela signifie que si vous allez plein sud sur la carte à New York (180 degrés), l'aiguille de votre boussole devra indiquer 193
Pour déduire l'orientation magnétique de l'orientation géographique mesurée sur une carte, il faut ajouter la Dm si celle-ci est ouest

Une aiguille aimantée indique deux directions. deuxièmement, elle s'incline vers le sol : de parallèle 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).


- 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 un centimètre d'une masse égale, exerce sur elle une force de 1 dyne (1 milligramme). Les pôles d'une boussole ont une masse de quelques dynes. 1 Newton vaut divisé par 100000 (10 puissance -5). Pour les aimants puissants, on préfèrera s'exprimer en Newton, unité légale, avec le mètre.

Interaction des pôles; force du flux.
   deux pôles + s'opposent, ainsi que deux pôles -       Deux pôles opposés s'attirent.  
Le physicien Coulomb a énoncé une loila force qui interagit entre deux masses magnétiques m et m' dépend du carré de leur distance" soit la formule suivanteF = m.m'/d2m multiplié par la masse magnétique m' et le tout divisé le carré de leur distance.

Si la force  à la valeur "v" pour 1 cm de distance, elle n'est plus que de "v" divisé par 4 à 2 cm et "f" divisé par 16 à 4 cmLa force faiblit très rapidement avec la distance.
 



Excitation magnétique.Tous les corps sont perméables aux champs magnétiques et y ajoutent, le cas échéant, leurs propriétés magnétiques propres. Air, vide, roches, métaux, terre, eau, organismes vivants, etc. sont ainsi plus ou moins perméablesl'excitation magnétique ambiante, qu'elle soit produite par notre globe terrestre, par un aimant ou une bobine parcourue par un courant électrique. La perméabilité des corps est généralement faible à très faible : elle ne modifie guère le champ dans lequel ils baignent et n'acquièrent pas de propriétés magnétiques particulières. 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 avec le champ "inducteur". Exemple Ce n'est sans doute pas un hasard si notre globe contient beaucoup de fer et si son centre ne serait que cela. Comment pourrait-il être un aimant autrement ?

Perméabilité magnétique ( "mu", qui mesure la perméabilité relative (susceptibilité) d'une matière baignant dans un champ magnétique ambiant. Le dessin ci-contre montre que la perméabilité du fer est supérieur à celle du milieu ambiant, et qu'il dévie et concentre les lignes de force du champ. Ce coefficient μ Testez les avec un aimant; bien qu'également en inox, les nôtres sont magnétiques (donc compatibles). - Par convention  "mu" = 1 dans l'air. L' induction B (ou lettre grecque β "béta"), qui résulte de l'excitation pour une matière considérée est donné par la formule B = μ.H (B=H multiplié par ).Si la valeur de μ pour un métal ferreux f est 200, la valeur de l'induction T teslas dans le barreau sera donc 200 fois plus forte que le milieu ambiant dans lequel il est placé.

La perméabilité des matières n'est pas constante : elle varie avec l'intensité du champ magnétique appliqué et diminue quand le champ augmente.
Elle les métaux des terres dites rares neodymium 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.

Note: comme les forces, les champs et inductions ont une direction et un sens. En termes mathématiques, on dit que ce sont des vecteurs, (flèches) et pour les distinguer, on place une flèche au-dessus de leur représentation (H, B etc).   Pour simplifier ici, j'écris simplement les lettres en italique.
Réalités de la pénétration d'un champ magnétique dans la matière : Ceci n'est pas une radio, mais la visualisation du champ magnétique dans l'air, sur la face opposée du disque de gauche. Le même résultat est obtenu lorsqu'on place l'aimant derrière une planchette, une vitre, un doigt, du béton : l'aimantation est visible dans tous les cas (ici photo derrière mon doigt). Seule l'épaisseur du substrat (matière) considérée affaiblit le champ, comme dans l'air.   Une seule exception : derrière une plaque de fer épaisse de fer (3 mm), l'aimant ne laisse aucune trace, car le fer absorbe le flux magnétique en le concentrant en son sein. Une plaque fine d'acier

- Matériaux magnétiques. ferromagnétiques (forte aimantation de même sens que le champ tels que fer, nickel, cobalt), paramagnétiques (très faible aimantation de même sens que le champ tels que aluminium, platine, chrome, oxygène) et diamagnétiques (très faible aimantation en sens inverse du champ tels que cuivre, argent, plomb or eau tous les métalloïdes sauf oxygène, substances organiques)
- 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.

- Une marque de montres de prestige propose un modèle pour les scientifiques dont le boîtier 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 à l'intérieur certaines pièces métalliques sont paramagnétiques et ne sont pas influencées par les deux aimants ultra puissants qui positionnent le stylet lecteur du/des disques.
 


- flux d'induction magnétiques.

- Une induction magnétique s'exprime en (T) champ magnétique terrestre, ou par celui créé par une bobine de fil de cuivre parcourue par un courant électrique.

flux d'induction magnétique ; cette unité précise qu'un champ un tesla1m carré (unité de surface)Elle exprime la production d'une force électromotrice (f.e.m,) de 1 volt. Une spire  de surface ST 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 écris en italique pour simplifier.


angle α "alpha" que fait une perpendiculaire au plan (face) de la bobine avec le champ, possède un équivalent trigonométrique, Dans notre cas, pas d'angle, est égal à zéro (et le cosinus à 1; voir  physique1.  

50 microteslas ce n'est pas beaucoup, cependant le tesla est une unité très grande et les plus forts aimants scientifiques ne dépassent guère quelques dizaines de teslas; un bon aimant courant (on ne dit pas à quoi il sert..), peut en faire seulement 2.


Aimants.  Si vous avez la possibilité de démonter les aimants d'un disque durs hors service de PC, vous aurez 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,

En quelques années, les alliages ont considérablement changé la donne, et la force nouvelle des aimants a ouvert des espérances insoupçonnables, leurs défauts devenant qualité, ils prolifèrent !  d'une usage déjà aux rabats de sacs et couvercles de boites. Mais aussi gagnant en bruit, puissance et fiabilité voir aussi "la voiture électrique"la voiture électrique 2"

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 ont été conférées depuis sa découverte, dont la qualité première fut bien souvent au bénéfice du praticien, du commerçant ou du charlatan. Il en est probablement ainsi pour les gros aimants placés sur les tuyaux pour empêcher le calcaire et autres usages de ce type. On s'interroge cependant quand 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, la liste serait longue. De leurs facultés, on a tout imaginé ; ils se serviraient de repères visuels, de courants, champ électrique, soleil, étoiles, phéromones, odeurs, on ne sait pas vraiment. On a dit que cigognes et pigeons voyageurs 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 s, d'un moment à l'autre. Mais sur un point précis connu j'ai vu, mes deux tiges se rapprocher ; action renouvelée à plusieurs passage. C'est très étonnant. Voir page suivante (physique 7) pour les exemples d'électromagnétisme.


Electromagnétisme, transformateurs, générateurs

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