Lâchez l'aimant

Choisissez un tube, puis lâchez l'aimant.

Essayez :
lâchez l'aimant dans chaque tube. Le cuivre n'attire pas l'aimant (chapitre 1), et pourtant... Puis essayez le tube fendu sur toute sa longueur.

Ordres de grandeur pour un petit aimant au néodyme qui passe juste dans un tube d'un mètre : le temps réel dépend de l'aimant, du diamètre et de l'épaisseur du tube, et, pour le tube fendu, de la fente. Sans aucun freinage, la chute dure 0,45 seconde.

Ce qui freine : des courants dans le tube

Le tube ne « voit » pas l'aimant : il voit son champ, qui change. Devant l'aimant qui arrive, le champ grandit ; derrière l'aimant qui s'en va, il diminue. Toute variation de champ fait naître une tension, et, dans un métal, des courants qui tournent en rond dans la paroi : les courants de FoucaultCourants induits dans une masse de métal par un champ qui varie. Voir la fiche Courants de Foucault, en lien en fin de page. (cours Électromagnétisme, chapitres 4 et 5).

Pourquoi un aimant tombe lentement dans un tube de cuivre : les courants de Foucault

Quand un aimant tombe dans un tube de cuivre, le champ augmente sous lui et diminue au-dessus de lui. Ces variations font naître dans la paroi des courants qui tournent autour du tube, les courants de Foucault. D'après la loi de Lenz, ils s'opposent à la cause qui les crée : sous l'aimant ils le repoussent, au-dessus ils le retiennent, et l'aimant descend lentement. Dans un tube fendu, les courants ne peuvent plus faire le tour, et le freinage chute.

ces courants créent à leur tour un champ, opposé à la variation qui les a fait naître : c'est la loi de Lenz. Sous l'aimant, ils le repoussent ; au-dessus, ils le retiennent ;
plus l'aimant va vite, plus les courants sont forts : il atteint vite une vitesse limite, où le freinage égale son poids ;
l'énergie de la chute ne disparaît pas : elle chauffe le tube, très peu ;
l'aluminium conduit environ 60 % aussi bien que le cuivre : il freine moins. Le plastique ne conduit pas : il ne freine pas. Dans un tube fendu, les courants ne peuvent plus faire le tour : le freinage chute.

Idée reçue :
« le tube est aimanté ». Lâchez dans le même tube une bille d'acier non aimantée : elle tombe comme une pierre. Seul un aimant qui bouge est freiné.

Deux physiciens ont mesuré, avec un tube de cuivre de 91 cm, 5,5 secondes de chute pour une pile de trois petits aimants au néodyme, et 2,2 secondes pour une pile de dix, plus lourde (European Journal of Physics, 2008).

Arago, 1824 : le disque qui entraîne l'aiguille

En 1824, François Arago suspend une aiguille aimantée au-dessus d'un disque de cuivre et fait tourner le disque : l'aiguille se met à tourner aussi, entraînée par un métal qui ne l'attire pas. Personne ne sait l'expliquer. En 1831, Michael Faraday découvre l'induction ; en 1855, Léon Foucault montre qu'un disque de cuivre qui tourne entre les pôles d'un électro-aimant résiste et chauffe : il est parcouru de courants, qui portent depuis son nom.

Le disque d'Arago et le principe du moteur asynchrone

En 1824, François Arago fait tourner un disque de cuivre sous une aiguille aimantée suspendue : l'aiguille se met à tourner, entraînée par un métal qui ne l'attire pas. Ce sont les courants induits dans le disque, expliqués par l'induction de Faraday en 1831 et étudiés par Foucault en 1855. Le moteur asynchrone utilise le même effet : un champ tournant entraîne une cage de barres de cuivre ou d'aluminium.

Faites tourner un champ autour d'une cage de métal : la cage tourne derrière lui, sans jamais le rattraper tout à fait. C'est le principe du moteur asynchrone, le moteur le plus courant de l'industrie (cours Moteur asynchrone, en lien en fin de page).

À retenir : un métal conducteur, même non magnétique, réagit à un champ qui bouge : il s'y oppose par des courants induits. Il freine l'aimant qui passe, ou se laisse entraîner par l'aimant qui tourne.

Des freins sans contact

le ralentisseur des cars et des camions : des électro-aimants font face à des disques d'acier qui tournent avec la transmission. Les courants de Foucault freinent sans contact, donc sans usure, dans les longues descentes. La société française Telma, née en 1946 dans l'Aveyron, en a fait sa spécialité ;
les anciens compteurs électriques à disque : un aimant permanent freine le disque d'aluminium, si bien que sa vitesse reste proportionnelle à la puissance consommée ;
la plaque à induction : un champ qui varie très vite fait naître des courants de Foucault dans le fond de la casserole, qui chauffe (cours Électromagnétisme, Aller plus loin).

Sa limite :
pas de mouvement, pas de courant, pas de freinage. Un ralentisseur à courants de Foucault ralentit, il n'immobilise jamais : à l'arrêt, ce sont les freins ordinaires qui tiennent le véhicule.