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Si on met un morceau de bois à côté d’un autre morceau de bois… rien ne se passe.
Et si on met un morceau de granite à côté d’une pierre… rien non plus.
Mais avec ces deux morceaux de fer… magie !
Ou plutôt magnétisme.
Éloignés l’un de l’autre, des objets magnétiques s’attireront grâce à un champ
invisible qui se propage autour de l’objet.
Alors, d’où vient ce champ ?
Derek : Eh bien, c’est simple, Henry ! Nous savons depuis longtemps que l’électricité et le magnétisme
sont en fait les deux facettes d’un même phénomène, tout comme la masse et l’énergie ou le temps
et l’espace, et que l’un peut se transformer en l’autre. En fait, les champs magnétiques sont
ce que devient un champ électrique quand un objet chargé électriquement commence à bouger !
Henry : Cela explique pourquoi des électrons passant dans un fil
font bouger l’aiguille de cette boussole, ou comment le courant de l’enveloppe terrienne externe génère
le champ magnétique… mais cet aimant ou l’aiguille du compas sont juste des pièces
de métal qui ne sont traversées par aucun courant électrique.
Derek : Ou pas ! À l’échelle microscopique, des tas d’électrons s’agitent
dans les atomes et les molécules qui forment les solides.
Henry : Exactement ! Cela mène à une excellente remarque : le magnétisme de n’importe quel objet
découle d’une fascinante combinaison d’effets allant des particules élémentaires
aux atomes, groupes d’atomes et groupes de groupes d’atomes. Tout d’abord, les particules
élémentaires.
Contrairement aux lois gravitationnelles et électriques régissant notre vie de tous les jours, le magnétisme
permanent est un effet quantique. Comme les électrons et les quarks,
qui ont des propriétés fondamentales appelées masse et charge électrique, la plupart
des particules ont une AUTRE propriété, que l’on appelle « petit aimant ». Non, je plaisante, c’est
le « moment magnétique intrisèque », mais bon, c’est juste un mot technique pour dire que les particules
avec une charge électrique sont AUSSI des petits aimants.
Derek : Si vous voulez savoir l’origine de ces petits aimants, vous pouvez aussi vous demander POURQUOI les
les particules ont des charges, ou pourquoi les objets avec de l’énergie et une quantité de
mouvement sont attirés gravitationellement… Personne ne sait. Tout ce qu’on sait, c’est que c’est ainsi que
l’univers fonctionne.
Henry : Exactement, et depuis les années 20, nous savons que chaque électron ou proton
est en fait un petit aimant. Ce qui nous amène aux atomes.
Un atome est un tas de protons chargés positivement, avec un tas d’électrons chargés négativement
s’agitant autour d’eux. Les petits aimants des protons sont environ 1000 fois moins puissants que ceux des
électrons. Aussi, le noyau de l’atome n’a presque aucun effet sur le magnétisme de l’atome
en lui-même.
Derek : Vous pourriez vous dire que, comme beaucoup d’électrons (mais pas tous) bougent
comme le courant dans un fil, ce mouvement génèrerait un champ magnétique.
En effet, ce sont les champs magnétiques « orbitaux ».
Henry : Sauf qu’ils n’ont le plus souvent aucune influence sur le champ magnétique d’un atome.
En effet, sans entrer dans la description précise et compliquée des électrons par la mécanique quantique,
il faut savoir que les électrons se rassemblent en couches autour du noyau.
Les électrons d’une couche remplie pointent dans toutes les directions de la même manière, ce qui annule
le courant généré et ne produit aucun champ magnétique. En effet, ces électrons allant par paire, leurs petits
aimants pointent dans des directions opposées, ce qui les annule.
Cependant, dans une couche à moitié remplie, les électrons sont seuls, et leurs petits aimants
pointent dans la même direction et s’ajoutent, ce qui veut dire que c’est le magnétisme des électrons de la
couche extérieure qui donne à un atome la majeure partie de son champ magnétique.
Ainsi, les atomes près des bords des gros blocs de la classification périodique, c’est-à-dire qui ont
des couches extérieures (presque) remplies ne sont pas très magnétiques. Et les atomes au MILIEU de ces blocs
ont des moitiés de couches extérieures, et sont magnétiques, comme le nickel, le cobalt,
le fer, le manganèse, le chrome, etc.
Derek : Mais attends, le chrome n’est pas magnétique !
Henry : Ah, mais ce n’est pas parce qu’un atome est magnétique qu’un matériau
fait de cet atome sera magnétique à son tour. Cela nous amène au niveau des cristaux.
Quand des atomes magnétiques se rassemblent pour former un solide, ils ont généralement deux choix.
Ils peuvent aligner leurs champs magnétiques ou bien les placer en alternant,
ce qui annule leur champ magnétique. Les atomes
choisiront celui qui leur demandera moins d’énergie.
Derek : C’est pourquoi le chrome, par exemple, est un atome très magnétique, mais un solide très peu
magnétique : parce que c’est un des matériaux les moins ferromagnétiques que nous connaissons. Le fer, par contre,
a donné son nom à ce phénomène et est donc, logiquement, ferromagnétique. Ou, plus
communément : magnétique.
Henry : Parfois. (Poële démagnétisée, toujours bonne pour la cuisine.)
Le dernier niveau de magnétisme est celui des domaines. En fait, même dans un matériau magnétique où les
champs magnétiques des atomes sont alignés, il est possible qu’une partie du matériau
ait des atomes pointant dans un sens, qu’une autre partie pointe dans un
autre sens, etc.
Derek : Si tous ces « domaines » sont approximativement de la même taille, aucun ne sera assez puissant pour
forcer les autres à s’aligner avec lui. Ainsi, un morceau de fer, par exemple, pourrait ne pas avoir
de champ magnétique à cause des régions magnétiques s’opposant en lui.
Henry : Cependant, si on fait agir un champ magnétique, une force ou une pression extérieure assez forte
sur le matériau, on peut aider un domaine à étendre son contrôle sur ses voisins.
jusqu’à ce que tous les domaines aient été unifiés en un seul royaume, tous alignés dans
la même direction.
Derek : Et là, on peut enfin gouverner d’une main de fer… enfin, magnétique.
Henry : Exactement ! Ce qui est remarquable, c’est que le magnétisme est une propriété quantique fondamentale
mise à l’échelle des objets de tous les jours : chaque objet magnétique nous rappelle que
la mécanique quantique régit notre univers ; pour qu’un objet soit magnétique, il doit avoir
un royaume de domaines magnétiques unifié, formés eux-mêmes d’atomes magnétiques,
qui ont eux besoin d’être alignés avec tous les autres, et qui ne pourront être magnétiques s’ils n’ont pas
une couche extérieure à moitié remplie, afin que leurs champs magnétiques puissent
s’aligner et ne pas s’annuler. Sans surprises, ces critères sont durs à satisfaire,
raison pour laquelle il n’y a que peu
de matériaux possibles pour construire un aimant.
Derek : OU on peut tout simplement faire passer du courant dans un conducteur électrique, et créer un champ
magnétique. Henry : Mais, eh... Pourquoi est-ce que cet effet fonctionne ?
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et la vitesse de la lumière avec l’électromagnétisme.