Les aimants et leurs pôles

Coupe un aimant droit en deux : tu obtiens deux aimants, chacun avec un pôle nord et un pôle sud.

Les pôles qui se tournent vers le nord et le sud

Suspends un aimant droit à un fil pour qu’il puisse tourner librement : une extrémité s’oriente à peu près vers le nord. On l’appelle le pôle nord de l’aimant, ou plus précisément le pôle qui cherche le nord ; l’autre cherche le sud. Tout aimant possède ces deux pôles, quelle que soit sa forme : barre, fer à cheval, anneau ou feuille plate sur une porte de réfrigérateur. L’attraction est la plus forte aux pôles : les trombones s’accumulent donc aux extrémités d’un aimant droit et presque pas au milieu.

Approche deux aimants : les pôles de même nom se repoussent et les pôles de noms contraires s’attirent. Nord repousse nord, sud repousse sud, et nord et sud s’attirent. Les charges électriques suivent une règle semblable, mais avec une différence importante, expliquée dans la section suivante.

Impossible d’isoler un pôle

On peut séparer les charges positives et négatives : frotte un ballon et il porte à lui seul un excès de charges négatives. Les pôles magnétiques, eux, ne se séparent jamais. Coupe un aimant droit au milieu pour essayer de séparer le nord du sud : chaque moitié devient un aimant complet, avec un nouveau pôle sur sa face coupée. Le résultat reste le même en continuant à couper, jusqu’à un seul atome de fer, qui possède encore un nord et un sud. Sur le Soleil, les taches solaires apparaissent souvent par paires de polarités magnétiques opposées.

Un pôle isolé s’appellerait un monopôle magnétique. Aucun n’a jamais été découvert, et les physiciens en cherchent toujours. Puisque les pôles vont toujours par paires, on considère aujourd’hui que tout magnétisme provient de charges électriques en mouvement : spin et mouvement orbital des électrons dans les atomes, ou courant dans un fil. L’unité 4 construit un aimant à partir d’un courant.

Pourquoi seuls certains métaux sont attirés

Un aimant de réfrigérateur adhère à une porte en acier, mais pas à une casserole en aluminium ni à une pièce en cuivre. Seuls quelques matériaux réagissent fortement aux aimants. On les appelle ferromagnétiques, du latin ferrum, le fer : le fer lui-même, le cobalt, le nickel et le gadolinium, ainsi que des alliages comme l’acier. Certains alliages de terres rares, dont le néodyme, donnent les aimants permanents les plus puissants d’usage courant. Les autres matériaux réagissent aussi, mais si faiblement que seuls des instruments sensibles le détectent.

Un morceau de fer contient de petites régions appelées domaines. Dans chaque domaine, les atomes, chacun semblable à un minuscule aimant, sont orientés dans le même sens. Mais les domaines sont orientés dans tous les sens et leurs effets se compensent. À l’approche d’un aimant, les domaines alignés sur son champ grandissent, parfois jusqu’au millimètre, tandis que les autres rétrécissent. Le fer devient un aimant dont le pôle de nom contraire fait face au tien : il est donc attiré. La chaleur ou des chocs violents peuvent à nouveau désordonner les domaines. Au-dessus d’une température appelée température de Curie, soit 770 °C pour le fer (1043 K), le fer perd son ferromagnétisme et devient paramagnétique.