CHAPITRE HUIT

L'électromagnétisme

Ici l'analogie hydraulique est mise en défaut et on devra considérer que vous êtes maintenant capable de vous représenter un courant d'électrons dans un fil. La notion d'électron individuel étant très difficile à visualiser.
Je vous propose le plan suivant: jouer avec des aimants.
Prenez des barreaux aimantés. Approchez-les. Vous voyez que selon certaines positions ils s'attirent ou se repoussent. Si vous avez trois barreaux, en marquant les extrémités/les pôles vous constaterez que les pôles qui portent le même nom se repoussent.


Quand vos deux barreaux à l'essai sont marqués approchez-les l'un de l'autre et vous verrez que les pôles A se repoussent et que les pôles A et B s'attirent. Evidemment les pôles ne s'appellent ni A ni B. Si vous placez votre barreau sur un petit morceau de mousse flottant dans une cuvette, il va s'orienter suivant la direction nord/sud magnétique et tout naturellement on appelle Nord le pôle qui se dirige vers le nord.
Maintenant vous allez mettre en évidence le champ magnétique. Pour cela il vous faut de la limaille de fer obtenue comme son nom l'indique, avec une lime, du fer et un peu d'huile de coude. Disposez la limaille étalée sur une feuille de papier posée sur un aimant. Les grains vont se disposer selon des lignes dites de force et dessiner une figure comme celle ci-dessous. Les flèches de couleur guide l'œil à la recherche de ces lignes de force car elles ne sont pas facile à voir. Ces lignes semblent sortir du pôle nord pour entrer au pôle sud. Elles dessinent ce qu'on appelle un champ magnétique.

Qu'est-ce qu'un champ? A part le fait que ce soit une très bonne question, la réponse n'est pas simple. Dans un champ une grandeur a une valeur et une direction donnée. Cette grandeur peut être par exemple la force et la direction de la pesanteur, c'est un champ gravitationnel, ce peut être la force et la direction de l'aimantation, c'est un champ magnétique. Ces champs ont une existence potentielle dans la mesure où, pour se manifester ils ont besoin de la présence d'un objet qui subit et qui matérialise cette force. Pour le champ gravitationnel il faut y placer une masse et mesurer son poids. Pour le champ magnétique c'est le grain de limaille qui joue ce rôle.
Dans le schéma ci-contre, les flèches rouges soulignent la forme du champ. Il a été obtenu en plaçant un aimant sous une feuille de papier recouverte de limaille et en photographiant.
Donc l'aimant modifie l'espace autour de lui mais cette modification est invisible, elle ne sera sensible qu'en présence d'un autre aimant ou d'un morceau de fer ou de nickel.
A ce stade de l'étude il va falloir introduire la notion de vecteur. Le vecteur est la représentation qui décrit le mieux un champ. Reprenons l'exemple du champ de gravité qui entoure la Terre. En chaque point de l'espace on peut placer une masse d'essai qui va être attirée vers le centre de la terre avec une force qui diminue au fur et à mesure que l'on s'élève dans l'espace. Donc en chaque point on peut tracer une flèche dont la longueur est proportionnelle à la force exercée par la Terre et dont la direction va vers le bas c'est à dire vers le centre de la Terre. C'est cette flèche que l'on appelle vecteur. Le vecteur est défini par son emplacement, sa longueur et sa direction

C'est donc une façon commode de décrire, de se représenter et de faire des calculs sur le champ de gravité terrestre.

De la même manière, nous allons décrire le champ magnétique de notre barreau en traçant des vecteurs magnétiques dont la longueur et la direction seront proportionnelles à la force qui s'exerce sur le grain de limaille.

Le vecteur de champ est appelé B. On peut décrire plus précisément le champ du barreau de la manière suivante: les flèches bleues représentent quelques vecteurs B en divers points du champ, plus on est près du barreau plus le champ est fort. En effet, il existe des aimants plus ou moins puissants, ce qui nous donne à penser que B peut avoir diverses valeurs.
Comme nous l'avons pressenti en baptisant les pôles de notre barreau, la terre possède aussi un champ magnétique qui, à notre échelle, dirige les aiguilles aimantées vers le nord magnétique mais aussi plus ou moins vers le sol, car le champ magnétique a la même forme que celui du barreau et il n'est horizontal qu'à l'équateur, devenant de plus en plus vertical au fur et à mesure que l'on se rapproche des pôles. C'est la raison pour laquelle les boussoles sont inutilisables dans ces régions.
Une autre caractéristique bien connue du magnétisme est la possibilité d'aimanter un morceau d'acier en le frottant avec un aimant. Que se passe-t-il alors? Les atomes de fer peuvent être considérés comme des petits aimants dont le vecteur magnétique est dirigé n'importe comment, si bien que le résultat de l'ensemble est nul. Après le passage de l'aimant, les atomes se trouvent dirigés tous dans la même direction, les vecteurs ont été comme "peignés", donc leur action s'ajoute les unes aux autres. Si on chauffe cette barre aimantée, à une certaine température nommée "point de Curie", l'agitation des atomes est telle qu'ils reprennent des directions désordonnées et l'aimantation cesse. Rappelez-vous que la température mesure le degré d'agitation des atomes.

Position des vecteurs avant le passage de l'aimant

Position des vecteurs après le passage de l'aimant
Je pense maintenant que la notion de champ magnétique doit être un peu plus claire dans votre esprit et vous allez voir que ce n'était pas du temps perdu .
Nous allons ressortir la pile et les fils, il nous faudrait également une petite boussole.
Si vous allongez le fil près de l'aiguille et que vous y faites passer du courant, vous verrez l'aiguille dévier vers la droite ou la gauche selon le sens du courant. Vous avez mis en évidence la présence d'un champ magnétique autour d'un fil parcouru par un courant. C'est une découverte capitale, le mot n'est pas trop fort, songez que cela est utilisé dans les moteurs électriques (il y en a partout), dans les transformateurs, les relais, les tubes de téléviseurs, les instruments de mesure.

Attention, ne pas laisser brancher, la pile est en court-circuit, elle chauffe et s'use très vite.
Ici nous avions l'action d'un courant sur un aimant mobile. Dans l'expérience suivante nous allons voir l'action d'un aimant sur un courant et on va pouvoir positionner la place respective des trois vecteurs suivants: le champ, le courant et la force qui en résulte.
Si l'on n'a pas d'aimant en fer à cheval, un aimant quelconque suffira mais il faudra déterminer la direction de B avec de la limaille; le conducteur soumis à l'expérience se balance librement et quand on envoie la "sauce" il se déplace, mettant en évidence la force à laquelle il est soumis. Cette manipulation est la BASE même du fonctionnement des moteurs électriques: les conducteurs à l'intérieur du moteur sont parcourus par un courant et placés dans un champ magnétique: ils sont soumis à une force qui les déplace.

La roue de Barlow était un petit montage qui utilisait ces observations et qui tournait, c'était en quelque sorte un moteur électrique élémentaire.

 

 

Un fil parcouru par un courant produit un champ qui a la forme 1; si on courbe ce fil pour en faire une boucle ,il aura la forme 2 et si c'est un bobinage il aura la forme 3, forme 2 allongée c'est à dire la même forme que le barreau aimanté: il s'agit d'un électro-aimant. Tous ces champs peuvent être mis en évidence avec de la limaille.

 

 

On fabrique un électro-aimant en bobinant du fil autour d'une grosse pointe par exemple. On pourra constater que ses propriétés sont les mêmes que celles d'un aimant. permanent, avec en plus la possibilité de couper ou de changer le sens de l'aimantation.

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