École › Magnétisme › 15–16 ans
Le magnétisme : domaines, électroaimants et champ terrestre
Le ferromagnétisme et les domaines, la température de Curie, pourquoi les pôles vont par paires, les électroaimants et le champ terrestre qui se déplace et s'inverse. Avec une investigation sur un électroaimant en faisant varier l'intensité et le nombre de spires.
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Tout aimant a un pôle nord et un pôle sud ; les pôles de même nom se repoussent et les pôles de noms contraires s'attirent. On ne peut pas isoler un pôle magnétique : coupez un aimant et chaque morceau a ses deux pôles, jusqu'à l'échelle des atomes.[1]
Le fer, le cobalt, le nickel et le gadolinium sont ferromagnétiques. Ils contiennent des domaines, de petites régions qui se comportent comme de minuscules aimants droits. Dans un morceau non aimanté, les domaines pointent dans des directions aléatoires ; un champ extérieur les aligne et les fait grandir, et un chauffage suivi d'un refroidissement, ou des petits chocs, peuvent figer cet alignement. Au-dessus de la température de Curie (1043 K pour le fer), un matériau ferromagnétique ne peut plus du tout être aimanté.[2]
Le courant électrique produit des champs magnétiques ; en fait, les charges en mouvement sont la source de tout magnétisme. Une bobine parcourue par un courant est un électroaimant : un aimant temporaire dont la force augmente avec l'intensité du courant et le nombre de spires, et qu'un noyau de fer renforce fortement.[2]
La Terre se comporte comme un gigantesque aimant droit. Son pôle magnétique proche du pôle Nord géographique est en réalité un pôle sud magnétique : c'est pourquoi l'extrémité nord d'une boussole est attirée vers lui. Le champ est produit surtout dans le noyau externe en fusion, fait de fer et de nickel, où le métal en mouvement et la rotation de la Terre entretiennent des courants électriques : c'est la géodynamo.[1][3]
Le champ n'est pas figé. La déclinaison, l'angle entre le nord magnétique et le nord géographique, varie d'un endroit à l'autre, et le pôle Nord magnétique se déplace actuellement d'environ 55 km par an. Le champ s'est aussi inversé de nombreuses fois, de façon irrégulière ; la dernière inversion date d'environ 750 000–780 000 ans.[4]
La magnétosphère protège l'atmosphère de l'érosion par le vent solaire. Les aurores sont produites par des électrons énergétiques qui en pleuvent vers la haute atmosphère.[3]
Essaie: Qu'est-ce qui détermine la force d'un électroaimant ?
Il te faut
- Une tige de fer ou un grand clou comme noyau
- Du fil de cuivre isolé (environ 3 m)
- Une alimentation continue basse tension (6 V max.) ou un bloc de piles
- Un ampèremètre et une résistance variable (rhéostat)
- Un tas de petits trombones identiques (ou une petite masse en acier et un dynamomètre)
Sécurité
Basse tension uniquement (6 V max.). Les bobines et les résistances chauffent : coupez le courant entre les mesures et ne laissez jamais le circuit branché. Ne court-circuitez pas l'alimentation.
Ce qu'il faut faire
- Enroule 20 spires sur le noyau. Branche la bobine, l'ampèremètre et le rhéostat en série avec l'alimentation.
- Règle l'intensité sur 0,5 A. Compte combien de trombones le noyau soulève. Coupe le courant entre les mesures.
- Recommence à 1,0 A, 1,5 A et 2,0 A avec 20 spires.
- Garde maintenant l'intensité à 1,0 A et teste 10, 20, 30 et 40 spires.
- Trace le nombre de trombones soulevés en fonction de l'intensité, puis en fonction du nombre de spires. Décris les tendances.
- Retire le noyau et refais une mesure. Compare.
Que se passe-t-il, et pourquoi ?
Le champ d'une bobine augmente avec l'intensité et avec le nombre de spires : elle soulève donc plus de trombones. Le noyau de fer est aimanté par la bobine (ses domaines s'alignent sur le champ) et ajoute un champ propre bien plus fort ; c'est pourquoi l'aimant s'affaiblit tant quand on retire le noyau. À forte intensité, le noyau commence à saturer (presque tous les domaines sont alignés) : le graphique peut alors plafonner.[2]
Joue: Vrai ou faux ?
L'affirmation est-elle vraie ou fausse ? Utilise ce que tu sais sur les domaines, les pôles et le champ terrestre.
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