Comment fonctionnent les champs magnétiques : les pôles, les lignes de champ et les boussoles.

Pôles et les deux règles simples

Chaque aimant ordinaire a deux extrémités où l'attraction est la plus forte. On les appelle le pôle nord et le pôle sud. Coupe un aimant en barre en deux et tu n'obtiens pas un morceau nord et un morceau sud. Tu obtiens deux aimants plus petits, chacun avec sa propre paire de pôles.

Les forces entre les pôles suivent une règle simple : les pôles de même nom se repoussent et les pôles de noms différents s'attirent. Deux extrémités nord se repoussent, deux extrémités sud se repoussent et une extrémité nord est attirée vers une extrémité sud.

C'est pourquoi un aimant peut à la fois attirer et repousser, contrairement à la gravité qui ne fait jamais cela. Cela explique aussi pourquoi les pôles vont toujours par paire : un aimant est un dipôle.

Qu'est-ce qu'un champ magnétique.

Un aimant modifie l'espace qui l'entoure. En chaque point, il y a un champ magnétique, noté B, qui possède à la fois une résistance et une direction. On le mesure en teslas (T). Un aimant de réfrigérateur produit quelques millièmes de tesla près de sa surface. Le champ terrestre au niveau du sol n'est que d'environ cinquante millionièmes de tesla.

Un autre aimant ou un morceau de fer placé dans cet espace ressent une force à cause du champ qui s'y trouve. Le champ est ce qui transmet l'interaction à travers l'espace qui les sépare. C'est une idée plus puissante que « les aimants s'attirent », car elle reste valable même si tu retires le deuxième aimant : le champ est toujours là.

Interpréter les lignes de champ

Nous ne pouvons pas voir un champ, alors nous dessinons des lignes de champ. Quelques règles permettent de les lire facilement :

• la droite en chaque point indique la direction du champ à cet endroit ;
• les lignes sortent du pôle nord et entrent dans le pôle sud ;
• des lignes très rapprochées indiquent un champ plus fort, tandis que des lignes dispersées indiquent un champ plus faible.

Saupoudre de la limaille de fer sur une feuille placée au-dessus d’un aimant droit : chaque petite limaille devient un mini-aimant qui s’aligne sur le champ. Elles se regroupent selon le même motif courbé que celui des schémas, épaisses près des pôles et fines loin de ceux-ci. Les lignes de champ ne se croisent jamais, car en un point donné, le champ ne peut pointer que dans une seule direction.

Les boussoles lisent le champ

Une aiguille de boussole est un petit aimant qui peut tourner librement. Son extrémité nord pivote pour s’orienter selon le champ local. Une boussole permet donc de détecter la direction d’un champ et de cartographier celui-ci point par point. Loin des aimants proches, le champ qu’elle ressent est celui de la Terre, ce qui explique pourquoi l’aiguille se stabilise vers le nord géographique. Comme les pôles opposés s’attirent, la partie de la Terre située près du pôle Nord géographique se comporte comme un pôle magnétique sud.

Pourquoi le champ diminue si vite

Loin d’un petit aimant, le champ diminue selon 1 / r³, où r est la distance par rapport à son centre. Double la distance et le champ est réduit à un huitième. Triple-la et il ne reste plus qu’un vingt-septième.

La raison est la structure dipolaire. Un aimant possède un pôle nord et un pôle sud proches l’un de l’autre et, de loin, leurs effets s’annulent en partie. Compare cela à la règle plus simple 1 / r² pour une source unique isolée. Un dipôle n’a pas de source unique à suivre, donc l’effet restant diminue plus rapidement.

C’est pourquoi un aimant puissant peut soulever un clou à quelques millimètres de distance, mais n’a aucun effet à un mètre. La simulation montre cela sous la forme d’un champ qui s’amincit rapidement dès que tu éloignes ta sonde.

Additionner les champs et trouver les points neutres

Quand deux aimants sont placés près l’un de l’autre, leurs champs s’additionnent comme des vecteurs, point par point. C’est ce qu’on appelle la superposition. Si deux champs pointent dans la même direction, ils se renforcent. S’ils pointent dans des directions opposées avec la même intensité, ils s’annulent.

Un endroit où le champ total est exactement nul est un point neutre. Une boussole placée à cet endroit n’a pas de direction privilégiée : l’aiguille peut donc se stabiliser dans n’importe quelle orientation. Tu peux trouver ces endroits en plaçant deux pôles de même nom face à face : les champs se repoussent, et quelque part entre les aimants, ils s’équilibrent.

Idées reçues courantes

• « Les aimants attirent tout ce qui est en métal. » Seuls quelques matériaux, principalement le fer, le nickel et le cobalt, réagissent fortement. Les canettes en aluminium et les pièces en cuivre ne collent pas.
• « Une boussole pointe vers le pôle de l’aimant qui se trouve près d’elle. » Elle pointe dans la direction du champ local, qui est courbe. Près d’un aimant, elle peut pointer dans une direction très éloignée du pôle le plus proche.
• « Les lignes de champ sont de vraies ficelles. » C’est un outil de dessin. Le champ existe partout, pas seulement le long des lignes.
• « Le pôle nord de la Terre est un pôle nord magnétique. » En termes magnétiques, c’est l’inverse, comme le montre le fonctionnement de la boussole expliqué plus haut.

Comment explorer cela au laboratoire

Le laboratoire des champs te permet de placer des aimants, de faire glisser des sondes et d’observer le champ en 3D. Voici un parcours conseillé dans le premier monde gratuit :

1. Teste la règle de l’attraction et de la répulsion dans Pôles et forces.
2. Dessine l’invisible avec Lignes de champ et limaille de fer.
3. Découvre pourquoi une aiguille tourne dans La boussole et le champ terrestre.
4. Mesure la diminution du champ dans Les champs s’affaiblissent vite, puis cherche les zéros dans Points neutres.

Le laboratoire est un modèle pédagogique simplifié avec des aimants idéalisés : les formes sont donc plus nettes que les champs complexes d’aimants réels et irréguliers. Les idées restent toutefois valables.