L'eau est-elle vraiment repoussée par les aimants ?
― Une grenouille vivante a flotté au-dessus d'un aimant très puissant
Un objet qui ne colle pas à un aimant, on le croit volontiers « indifférent » au magnétisme. Pourtant, l'eau cherche, avec une force infime, à fuir les aimants. Cette force est si faible qu'on ne la remarque jamais au quotidien. Mais en rendant l'aimant extrêmement puissant, un être vivant fait d'eau peut se retrouver à flotter dans les airs.
Approchez de l'eau d'un verre l'aimant qui tient un mot sur la porte du réfrigérateur. Rien ne semble se produire.
Pourtant, en 1997, dans un laboratoire néerlandais, une petite grenouille vivante a été placée à l'intérieur d'un immense aimant en forme de tube. À l'intérieur, la grenouille s'est mise à flotter doucement, sans aucun support.
La grenouille ne contenait pas de fer. Ce qui la faisait flotter, c'était l'eau elle-même, qui compose l'essentiel de son corps.
La grenouille a flotté pour deux raisons seulement
Quand un aimant approche, les électrons de l'eau se transforment en petits aimants orientés pour le repousser. C'est pourquoi l'eau est repoussée, mais très faiblement, par un aimant.
La force de répulsion est multipliée par environ 4 quand la puissance de l'aimant double, et par environ 100 quand elle est multipliée par 10. Avec un aimant extrêmement puissant, elle finit par dépasser le poids du corps.
Autrement dit, cette force de répulsion agit en permanence. Simplement, avec un aimant ordinaire, elle est trop faible et s'efface devant le poids.
Pourquoi l'eau est-elle repoussée par les aimants ?
Toute matière est faite d'atomes. Dans les atomes, des électrons sont en mouvement constant. Ce mouvement crée, autour de l'électron, une propriété de petit aimant.
Quand on approche un aimant extérieur, le mouvement des électrons change très légèrement. Ce changement suit une règle précise : il s'oriente de façon à « annuler » l'effet de l'aimant qui approche.
Résultat, l'eau devient un aimant très faible, orienté en sens inverse de l'aimant qu'on approche. Si l'on présente un pôle nord, c'est comme si l'eau opposait également un pôle nord. D'où la répulsion.
Cette propriété n'est pas propre à l'eau. Le bois, le plastique, notre corps : tout se repousse de la même façon, faiblement. Les matériaux fortement attirés, comme le fer, ne font que masquer cette faible répulsion derrière une attraction bien plus forte.
Pourquoi ne le remarque-t-on jamais ?
La force qui repousse l'eau d'un aimant est extrêmement faible comparée à la force qui attire le fer. On estime que la sensibilité magnétique de l'eau n'atteint qu'environ un cent-millionième de celle du fer.
C'est là qu'intervient la deuxième raison. La force de répulsion est proportionnelle au carré de la puissance de l'aimant. Regardez la partie droite de la figure 1. L'aimant du réfrigérateur fait environ 0,005 tesla (le tesla est l'unité de puissance des aimants). L'aimant qui a fait léviter la grenouille faisait 16 teslas, soit environ 3200 fois plus. Comme l'effet est au carré, la différence de force de poussée atteint près de 10 millions de fois.
Pour obtenir une lévitation, il ne suffit pas non plus d'une grande « puissance » : il faut aussi que cette puissance varie brusquement selon l'endroit. Comme le montre la partie gauche de la figure 1, à la sortie du tube, les lignes de champ s'écartent et l'aimant s'affaiblit à mesure qu'on monte. L'eau est poussée vers la zone la plus faible, ce qui crée une force dirigée vers le haut.
L'eau du corps est poussée de façon identique en tout point. La grenouille se trouve ainsi soutenue de manière homogène dans tout son corps, dans un état où elle ne ressent quasiment plus son poids. Après l'expérience, la grenouille se serait très bien portée.
André Geim, l'un des physiciens à l'origine de cette lévitation de grenouille, a reçu en 2000 le prix Ig Nobel, qui récompense des recherches qui « font d'abord rire, puis réfléchir ». Puis, en 2010, il a reçu le prix Nobel de physique pour d'autres travaux. Personne d'autre n'aurait reçu les deux.
On sait que l'oxygène liquide est attiré lorsqu'on l'approche d'un aimant puissant. Ses molécules possèdent une propriété d'« attraction » plus forte que la faible répulsion habituelle. Un même état liquide peut donc réagir de façon opposée à un aimant, selon la disposition de ses électrons.
En résumé
Même les objets qui ne collent pas à un aimant cherchent, en réalité, tous à lui échapper avec une force infime. L'eau en fait partie. Comme cette force augmente avec le carré de la puissance de l'aimant, en montant jusqu'à des milliers de fois la puissance d'un aimant de réfrigérateur, on peut faire léviter jusqu'à un être vivant fait d'eau. Si on ne la voit jamais au quotidien, ce n'est pas qu'elle n'existe pas : c'est qu'elle est trop faible et se cache derrière le poids.
Un objet qui ne colle pas à un aimant n'est pas indifférent au magnétisme.
Il déteste juste un tout petit peu les aimants.
Le mécanisme par lequel le magnétisme traverse le papier ou la main est expliqué dans « Pourquoi un aimant colle-t-il même à travers du papier ou une main ? », et ce qui se passe quand on casse un aimant en deux dans « Si on casse un aimant en deux, obtient-on un aimant avec un seul pôle nord ? ».
- Piquez un grain de raisin à chaque extrémité d'une paille. Posez le milieu de la paille sur le bouchon d'une bouteille en plastique, pour l'équilibrer.
- Protégez le montage du vent avec une boîte, et attendez que la paille s'immobilise complètement.
- Approchez lentement un aimant en néodyme puissant, jusqu'à presque toucher un grain de raisin sans le toucher. Le raisin se met à tourner, comme pour fuir doucement l'aimant.
Le raisin est composé presque entièrement d'eau : on observe donc la même répulsion que dans cet article. Le mouvement est très lent, observez-le avec patience. Les aimants en néodyme sont très puissants : deux aimants qui se pincent un doigt peuvent le blesser. Ils sont dangereux en cas d'ingestion par un jeune enfant : rangez-les hors de portée.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les manuels scolairesdu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègeniveau des sciences au collège
- Lycéeniveau du cours de « physique » au lycée
- Lycée +approfondissement lycée, ou encadré de manuel
- Universiténon vu au lycée : matière universitaire spécialisée (électromagnétisme, physique de la matière condensée)
- Recherchepas encore enseigné comme « établi » même à l'université : sujet en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Diamagnétisme : propriété qui fait qu'un matériau, approché d'un aimant, devient lui-même un faible aimant orienté en sens inverse et le repousse. L'eau, le bois, le cuivre, le bismuth et bien d'autres matériaux le possèdent.
- Paramagnétisme, ferromagnétisme : propriétés d'attraction par un aimant. Attraction faible : paramagnétisme (l'oxygène liquide, par exemple). Attraction forte : ferromagnétisme (le fer, par exemple).
- Lévitation diamagnétique : le fait de faire flotter un objet grâce à la répulsion diamagnétique. L'expérience de la grenouille en est l'exemple type.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle puissance d'aimant faut-il pour faire léviter l'eau ?
On pose l'équilibre entre la « force de répulsion » et le « poids » s'exerçant sur un mètre cube d'eau, pour estimer la puissance d'aimant nécessaire.
| En notation symbolique | B × ( dB ／ dz ) = μ0 × ρ × g ÷ |χ| |
| En mots | Puissance de l'aimant × taux de diminution vers le haut = perméabilité du vide × densité de l'eau × accélération de la pesanteur ÷ sensibilité de répulsion de l'eau |
| D'où vient cette formule | Équilibre entre la force vers le haut subie par un matériau diamagnétique (par volume, |χ| × B × pente ÷ μ0) et le poids par volume (ρ × g) |
| Symbole | Signification et unité |
| B | Puissance de l'aimant (densité de flux magnétique). Unité : tesla |
| dB ／ dz | Variation de la puissance sur 1 mètre de hauteur. Unité : tesla par mètre |
| μ0 | Perméabilité du vide. Environ 1,26 × 10⁻⁶ (unité : tesla·mètre par ampère) |
| ρ | Densité de l'eau. Unité : kilogramme par mètre cube |
| g | Accélération de la pesanteur. Unité : mètre par seconde au carré |
| χ | Susceptibilité magnétique volumique (sensibilité de répulsion). Négative pour l'eau, sans unité |
| Valeur absolue de la susceptibilité magnétique de l'eau | environ 9,0 × 10⁻⁶ |
| Perméabilité du vide | environ 1,26 × 10⁻⁶ |
| Densité de l'eau | 1000 kilogrammes par mètre cube |
| Accélération de la pesanteur | 9,8 mètres par seconde au carré |
| Distance sur laquelle la puissance varie fortement (taille approximative du tube) | environ 0,1 mètre |
| Sensibilité de répulsion ÷ perméabilité (les 10⁻⁶ s'annulent) | 9,0 ÷ 1,26 ≒ 7,14 |
| Poids par volume | 1000 × 9,8 = 9800 |
| « Puissance × taux de diminution » nécessaire | 9800 ÷ 7,14 ≒ 1373 |
| En assimilant le taux de diminution à « puissance ÷ 0,1 mètre », le carré de la puissance vaut | 1373 × 0,1 ≒ 137 |
| Racine carrée de 137 | environ 11,7 teslas |
| Comparé à l'aimant du réfrigérateur (0,005 tesla) | 11,7 ÷ 0,005 = 2340 |
La puissance nécessaire est de l'ordre d'une dizaine de teslas. Cela concorde bien avec l'aimant de 16 teslas réellement utilisé dans l'expérience. Soit plus de 2000 fois la puissance de l'aimant du réfrigérateur, et plus de 200 000 fois le champ magnétique terrestre. Faire léviter l'eau exige donc un aimant véritablement extrême.
LycéeLycée +Pourquoi cet effet « au carré » ?
LycéeEn physique au lycée, on apprend la loi de Lenz : quand un champ magnétique varie, un courant apparaît pour s'opposer à cette variation. On peut comprendre grossièrement le diamagnétisme comme un léger changement, de même nature, dans le mouvement des électrons des atomes.
Lycée +La réponse de l'eau à l'aimant (aimantation) est proportionnelle à la puissance B de l'aimant. Cette aimantation subit à son tour une force liée à la « pente » de cette puissance. Comme la proportionnalité intervient deux fois, la force est proportionnelle au produit de B et de sa pente, c'est-à-dire, approximativement, au carré de la puissance. C'est pourquoi l'énergie magnétique par volume s'écrit sous la forme |χ| × B² ÷ ( 2 × μ0 ).
UniversitéUn aimant ordinaire ne peut pas faire léviter durablement
Même en combinant des aimants permanents, on ne peut pas faire flotter durablement et de façon stable un objet immobile. C'est ce que démontre le théorème d'Earnshaw. Mais les matériaux diamagnétiques, eux, cherchent à se stabiliser vers les zones « faibles » du champ magnétique, ce qui leur permet d'échapper à cette limite. On parle aussi d'extension de Braunbeck. L'origine même du diamagnétisme s'explique par le diamagnétisme de Larmor (diamagnétisme de Langevin), qui traite le mouvement orbital des électrons par la mécanique quantique. L'article qui décrit l'expérience de la grenouille, « Of flying frogs and levitrons », détaille en profondeur ces conditions de stabilité.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Diamagnétisme (Wikipédia japonais) ／ Théorème d'Earnshaw (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Jusqu'où peut-on reproduire l'apesanteur ? La lévitation diamagnétique est utilisée pour simuler un « état sans poids » chez des cellules ou de petits organismes. Mais comme la sensibilité de répulsion varie légèrement selon les composants du corps, on débat encore de la mesure dans laquelle cela équivaut réellement à l'apesanteur spatiale.
- Effets d'une exposition prolongée à un champ puissant Ce qui se produit lorsqu'un organisme reste longtemps dans un champ de plus de 10 teslas est encore en cours d'étude.
- Matériaux lévitant sous un aimant faible Le graphite, dont la sensibilité de répulsion est des dizaines de fois supérieure à celle de l'eau, est connu pour flotter même au-dessus d'un simple aimant en néodyme. Des recherches sont menées pour créer des matériaux à répulsion encore plus forte.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi n'est qu'une « explication en l'état actuel des connaissances ». En théorie, le corps humain devrait aussi pouvoir léviter, mais on ne dispose pas encore d'aimant assez puissant pour un espace assez grand pour y accueillir une personne.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 4e « Courant électrique et champ magnétique » | Puissance de l'aimant, écartement des lignes de champ |
| Lycée | Physique « Induction électromagnétique, loi de Lenz » | La répulsion naît en sens « opposé » |
| Lycée + | Physique (approfondissement) « Magnétisme de la matière » | La force varie avec le carré de la puissance |
| Université | Électromagnétisme, physique de la matière condensée | Théorème d'Earnshaw, diamagnétisme de Larmor |
| Recherche | Biophysique, science des matériaux | Simulation de l'apesanteur, nouveaux matériaux diamagnétiques |
| ― | Liens avec la vie quotidienne | Champ puissant des appareils médicaux, précautions avec les aimants néodyme |
- M. V. Berry, A. K. Geim, "Of flying frogs and levitrons", European Journal of Physics 18 (1997)
- NobelPrize.org, « Andre Geim – Facts »
- Wikipédia (japonais), « Diamagnétisme » (反磁性)
- National Astronomical Observatory of Japan (国立天文台), dir., Rika Nenpyō (『理科年表』, Annuaire scientifique), Maruzen Publishing (susceptibilités magnétiques des matériaux)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension. Les aimants de plus de 10 teslas sont des dispositifs spéciaux réservés aux installations de recherche : ils ne peuvent pas être reproduits chez soi. Manipulez les aimants en néodyme avec précaution, en évitant les pincements et l'ingestion.