Un aimant, c'est du fer bien rangé
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Un aimant, c'est du fer bien rangé : les domaines
Le clou qui n'attire rien
Un clou est en fer : ses atomes sont aimantés et alignés entre voisins (chapitre 2). Pourtant, il n'attire pas un trombone. Posez-le contre un aimant : il en porte un, parfois plusieurs, en chaîne. Écartez l'aimant : il les lâche, ou presque.En 1907, le physicien français Pierre Weiss propose l'explication : le fer est découpé en petites régions, les domaines. Dans chacune, tous les atomes regardent dans le même sens ; d'un domaine à l'autre, le sens change. Vu de loin, les domaines s'annulent : le clou n'est pas un aimant.
- un domaine mesure de moins d'un micromètre à un dixième de millimètre environ : invisible à l'œil ;
- entre deux domaines, une paroi de quelques dizaines de nanomètres, où les atomes tournent progressivement ;
- un aimant qui approche fait grandir les domaines tournés dans son sens : les parois glissent, le fer s'aimante.
Pour se le représenter :
une foule sur une place : chaque groupe regarde dans sa direction, l'ensemble ne regarde nulle part. Qu'un orchestre joue sur la scène, et toutes les têtes se tournent du même côté.
une foule sur une place : chaque groupe regarde dans sa direction, l'ensemble ne regarde nulle part. Qu'un orchestre joue sur la scène, et toutes les têtes se tournent du même côté.
Aimantez, chauffez : à vous
Approchez l'aimant du fer doux, puis retirez-le. Recommencez avec l'acier, puis chauffez.
Essayez :
approchez l'aimant du fer doux, puis retirez-le : les domaines se rangent, puis se dérangent. Recommencez avec l'acier : il garde une bonne part de l'ordre, il est devenu un aimant. Enfin, chauffez au-delà de 770 °C, puis laissez refroidir, aimant présent ou non (chapitre 4).
Animation simplifiée : un vrai morceau de fer compte des millions de domaines, et leurs parois avancent par petits sauts.approchez l'aimant du fer doux, puis retirez-le : les domaines se rangent, puis se dérangent. Recommencez avec l'acier : il garde une bonne part de l'ordre, il est devenu un aimant. Enfin, chauffez au-delà de 770 °C, puis laissez refroidir, aimant présent ou non (chapitre 4).
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Le fer doux oublie, l'acier se souvient
Le fer pur, dit « fer doux », se laisse ranger et déranger sans effort : parfait pour le noyau d'un électro-aimant, d'un transformateur ou d'un contacteur, qui doit lâcher dès que le courant s'arrête (cours Transformateurs, et cours Électromagnétisme, chapitre 3 : l'hystérésis). Quand tous ses domaines sont rangés, le fer est saturéPlus aucun domaine à tourner : augmenter le courant de la bobine n'ajoute presque plus rien. Voir la fiche Saturation magnétique, en lien en fin de page..L'acier trempé, lui, garde une bonne part de l'ordre quand on retire l'aimant : on dit qu'il a une forte aimantation rémanenteDu latin remanere, rester : l'aimantation qui reste quand le champ qui l'a créée a disparu.. C'est ainsi qu'on aimante un tournevis en le frottant sur un aimant (vidéo dans le cours Électromagnétisme, chapitre 1).
Les aimants permanents d'aujourd'hui sont des matériaux faits pour garder l'ordre : les ferrites, l'AlNiCo, le samarium-cobalt, et le néodyme-fer-bore, mis au point au début des années 1980, chacun de son côté, par Masato Sagawa au Japon et John Croat aux États-Unis.
On peut les entendre :
en 1919, Heinrich Barkhausen enroule un fil autour d'un barreau de fer, le relie à un haut-parleur par un amplificateur, et approche un aimant : le haut-parleur crépite. Chaque crépitement, c'est une paroi de domaine qui se décroche d'un coup. Première preuve que les domaines existent ; on ne les verra au microscope qu'au début des années 1930, saupoudrés de fines particules magnétiques.
en 1919, Heinrich Barkhausen enroule un fil autour d'un barreau de fer, le relie à un haut-parleur par un amplificateur, et approche un aimant : le haut-parleur crépite. Chaque crépitement, c'est une paroi de domaine qui se décroche d'un coup. Première preuve que les domaines existent ; on ne les verra au microscope qu'au début des années 1930, saupoudrés de fines particules magnétiques.
Coupez un aimant : deux aimants
Coupez un aimant en deux : vous n'obtenez pas un nord d'un côté et un sud de l'autre, mais deux aimants complets (vidéo dans le cours Électromagnétisme, chapitre 1). Recommencez autant que vous voulez : chaque morceau garde son nord et son sud.Pourquoi couper un aimant donne deux aimants
Un aimant n'est pas fait de « nord » d'un côté et de « sud » de l'autre : c'est une file de domaines, et jusqu'aux atomes, de minuscules aimants tous alignés. Coupé en deux, il donne deux aimants complets, chacun avec son nord et son sud ; coupés encore, quatre aimants. On ne sépare jamais un nord d'un sud.
À retenir : un aimant, c'est du fer bien rangé : des domaines alignés dans le même sens. Le fer doux se range et se dérange ; l'acier garde l'ordre. Et personne n'a jamais séparé un nord d'un sud (chapitre 8).
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