Expériences de magnétisme et électromagnétisme

Glissement en douceur

Glissement d’un aimant et d’une pièce de monnaie sur une plaque de cuivre.

Entrainé par son poids, une pièce de monnaie entame une décente accélérée si on la place sur un plaque en cuivre lisse et suffisamment inclinée. La vitesse augmente avec l’inclinaison. Rien de surprenant !

Répétons maintenant la même expérience, en remplaçant la pièce de monnaie avec un aimant puissant (aimant néodyme) de la même forme qu’une pièce. Contrairement à toute attente, au lieu d’accélérer comme l’aurait fait n’importe quel objet abandonné sur un plan incliné, l’aimant glisse en toute douceur, lentement, très lentement ! En choisissant le bon angle, on peu obtenir un mouvement rectiligne et uniforme sur un plan incliné ! Autrement dit, une force apparaît et s’oppose au poids de l’aimant.

Quelle est cette force qui s’oppose à la force gravitationnelle et ralentit l’aimant ?

Le cuivre n’étant pas magnétisable, l’aimant ne s’y accroche pas comme au fer par exemple. En revanche, le cuivre est un excellent conducteur d’électricité. Le ralentissement est dû à des courants électriques engendrés par le déplacement de l’aimant sur la plaque. Ces courants induits, dits de Foucault, créent un champ magnétique qui s’oppose à la cause qui leur donne naissance, à savoir le déplacement de l’aimant.
Tout ce passe comme si des aimants apparaissaient sur le trajet de l’aimant glisseur l’empêchant ainsi d’accélérer. En effet, on sait depuis 1820 qu’un courant électrique génère toujours un champ magnétique. Plus tard, au début des années 1830, l’Anglais Michael Faraday (1791-1867), découvre qu’un courant électrique prend naissance dans un conducteur dès qu’un aimant est mis en mouvement en son voisinage. C’est le principe de base de la production des courants électriques, depuis le modeste alternateur d’un vélo, jusqu’aux centrales nucléaires.

Par ailleurs, des courants induits apparaissent dans n’importe quel conducteur en mouvement dans un champ magnétique constant, ce qui a pour conséquence le ralentissement de ce mouvement. L’application la plus évidente est le ralentissement électromagnétique employée pour assister les freins dans les véhicules lourds : Les ralentisseurs électromagnétiques.

Atterrissage et chute inattendus !

Le jet d’un aimant et d’une pièce sur la plaque de cuivre.

Lorsque qu’on jette un aimant sur une plaque de cuivre, sa chute est ralentie par le champ magnétique produit par des courants induits. Ces derniers génèrent un champ magnétique dont le sens s’oppose au champ de l’aimant. Cela se traduit par une répulsion et donc un ralentissement.

De même, lorsque l’aimant tente de rebondir ou d’effectuer une quelconque pirouette, d’autres courants induits circulent de telle manière à s’opposer à n’importe quelle agitation, si bien que l’aimant s’accroche à la plaque et s’arrête nette.

La tentation de faire glisser violement un aimant sur la plaque reste une mission presque impossible.

Chute sur une tasse en porcelaine.

Lorsque le support n’est pas un conducteur comme la porcelaine, aucun courant ne peut être engendré par le mouvement de l’aimant, aucun ralentissement donc et la chute est aussi brutale qu’avec la pièce.

Qu’est qui fait tourner l’aimant ?

Posé délicatement sur la tranche et sur une surface suffisamment lisse, un aimant puissant tourne tout seul, comme part magie, et s’oriente suivant une direction bien précise, se stabilise et ne bouge plus. Il est possible que la rotation soit faible ou que l’aimant ne tourne pas : il suffit de modifier l’orientation pour le voir tourner.
Une fois stable, il est très important de remarquer qu’il revient toujours à l’orientation initiale des qu’on essai de le faire tourner, ou en faisant tourner le support sur lequel il est placé. Avec un peut d’exercices et un bon choix d’orientation, l’aimant peut effectuer un demi tour complet avant de se stabiliser. On peut recommencer cette expérience autant de fois qu’on le souhaite et à n’importe quel endroit du globe terrestre, pourvu qu’on soit éloigné de tout champ magnétique et de toute grosse masse ferromagnétique (comme le fer qui s’aimante en présence d’un aimant)

De quoi s’agit-il ?

Contre toute attente, il s’agit… d’une simple boussole !
Pourtant bon nombre d’entre nous se souviennent des bonnes vieilles expériences qui consistaient à faire pivoter un aimant droit accroché à une ficelle ou flottant sur l’eau grâce un morceau de liège. Evidement, à cette époque, des aimants au néodyme aussi performant n’existaient pas.

En effet, pour chacun d’entre nous, une boussole est une aiguille qui pivote presque sans frottement et s’oriente suivant l’axe magnétique nord-sud terrestre. Certains savent même qu’il s’agit d’une aiguille aimantée dont la pointe nord indique le nord géographique terrestre, qui est forcément, à quelque degrés d’angle, un sud magnétique. Dans le cas de notre expérience, les frottements sont loin d’être négligeables, mais, il y a quelque chose qui compense ce défaut, à savoir la puissance de l’aimant. C’est grâce à un champ magnétique fort que l’aimant tourne et «pointe» sa face nord perpendiculairement à la direction du champ magnétique terrestre malgré la faible intensité de cette dernière.

Cuivre ou porcelaine (vidéo rotation aimant monnaie support mobile)

En faisant tourner la plaque de cuivre doucement, la pièce de monnaie suit la rotation et tourne de la même façon que le support. Il n’en est rien avec l’aimant qui reste figé et garde toujours la direction sud-nord magnétique terrestre. Les frottements magnétiques dus aux courants induits l’entrainent parfois si la rotation est relativement rapide. Il reprend sa position initiale dès qu’on ralentit le rythme.

Pour en savoir plus

Vous pouvez contacter Hassan Khlifi