Pourquoi un aimant colle-t-il même à travers du papier ou la main ?
― C'est plutôt le fer qui bloque le magnétisme
Glissez autant de feuilles que vous voulez entre un aimant et le frigo, il ne tombera pas. Posez la paume de votre main dessus, et vous sentirez quand même la force qui les attire. Pour un aimant, le papier, la main, le plastique ou l'aluminium reviennent presque à ne rien avoir devant lui. Et pour bloquer réellement le magnétisme, on n'utilise pas un matériau qui ne colle pas, mais au contraire le fer, qui colle très bien.
Vous fixez une feuille de l'école sur la porte du frigo avec un aimant. Vous ajoutez une deuxième feuille, puis une troisième : l'aimant tient toujours bon.
Cette fois, posez votre paume bien à plat contre le frigo, puis approchez l'aimant par-dessus. À travers votre main, vous sentez la traction qui l'attire vers le frigo.
Qu'est-ce que la force d'un aimant traverse, et qu'est-ce qui l'arrête ? Si un enfant vous pose la question, vous risquez d'être surpris de ne pas avoir de réponse toute prête.
La réponse se divise en deux grandes idées
Papier, main, bois, verre, aluminium : tous laissent passer la force magnétique presque aussi bien que le vide. C'est pourquoi elle les traverse comme s'ils n'existaient pas. Si elle semble plus faible, ce n'est pas la faute du matériau, mais simplement parce que l'aimant s'est éloigné d'autant.
Le fer laisse passer la force magnétique des milliers de fois mieux qu'un matériau ordinaire. Le champ magnétique choisit le chemin le plus facile : il entre dans le fer, y circule, puis en ressort. Résultat : presque rien ne sort de l'autre côté du fer.
Autrement dit, « matériau qui ne colle pas » ne veut pas dire « matériau qui bloque le magnétisme ». C'est même l'inverse : le fer, qui colle le mieux, est aussi celui qui bloque le mieux. Voyons cela en détail.
Papier, main, aluminium : invisibles pour l'aimant
Autour d'un aimant s'étendent, invisibles, des boucles qui forment le chemin de la force magnétique. C'est ce motif que l'on voit apparaître quand on saupoudre de la limaille de fer sur une feuille de papier, en cours de sciences.
La facilité avec laquelle ce chemin traverse un matériau dépend du matériau. Or cette « facilité de passage » est presque identique pour le papier, le bois, le verre, l'eau, le plastique, l'aluminium, le cuivre, et même le corps humain. L'écart avec le vide n'est souvent que d'environ un cent-millième. Du point de vue de l'aimant, que ces matériaux soient là ou non ne change presque rien.
C'est là une grande différence avec l'électricité. Pour l'électricité, il existe une frontière nette entre ce qui conduit (les métaux) et ce qui isole (le caoutchouc, le plastique). Voilà pourquoi des gants en caoutchouc protègent contre l'électricité. Mais pour le magnétisme, il n'existe presque pas de matériau « isolant ». Regardez la partie gauche de la figure 1 : le chemin de la force traverse tout droit l'objet interposé.
Alors pourquoi la force s'affaiblit-elle un peu quand on empile plusieurs feuilles ? Ce n'est pas que le papier bloque quoi que ce soit : c'est que l'épaisseur du papier a éloigné l'aimant du frigo. Et la force d'un aimant faiblit étonnamment vite avec la distance. On calculera à quel point dans le dernier volet.
Pour bloquer le magnétisme, on l'enveloppe de fer
Le fer et le nickel laissent passer le magnétisme des milliers de fois mieux que le vide. Comme un cours d'eau, le champ magnétique se détourne fortement vers le chemin le plus facile. En présence d'une plaque de fer, le chemin de la force cesse d'aller tout droit dans l'air : il entre dans la plaque, y circule, puis revient vers l'aimant.
La partie droite de la figure 1 montre ce phénomène. Les lignes sont aspirées dans la plaque et n'en ressortent presque pas de l'autre côté. C'est le principe du blindage magnétique : les instruments de précision, ou les expériences que l'on veut protéger des champs magnétiques, sont enfermés dans des boîtes en fer ou en un alliage appelé permalloy.
L'aluminium ne colle pas aux aimants. Pourtant, si l'on fait glisser un aimant puissant sur une plaque épaisse d'aluminium, il ralentit comme freiné par une force invisible. En se déplaçant, l'aimant crée des tourbillons de courant électrique dans l'aluminium, et ces tourbillons produisent à leur tour un champ magnétique qui s'oppose au mouvement. Un aimant immobile, lui, ne provoque rien. Ce qui rend ce phénomène intéressant, c'est qu'il n'agit que pendant le mouvement.
En résumé
La force d'un aimant traverse presque tout ce qui nous entoure. Papier, main, verre, aluminium : pour l'aimant, tout cela équivaut presque à de l'air, et leur simple présence lui est invisible. Si la force s'affaiblit quand on intercale quelque chose, ce n'est pas qu'elle a été bloquée, mais que l'aimant s'est éloigné. Et quand on veut vraiment bloquer le magnétisme, on l'enveloppe d'un matériau qui colle bien, comme le fer. On se sert alors, à l'envers, de la tendance du magnétisme à fuir vers le chemin le plus facile.
Ce qui bloque un aimant, ce n'est pas un matériau qui ne colle pas.
C'est le fer, celui qui colle le mieux, qui bloque le mieux.
Sur les pôles de l'aimant lui-même, voir Si l'on coupe un aimant en deux, obtient-on un aimant avec seulement un pôle nord ?, et sur le mystère de l'adhérence à une seule face, voir Pourquoi les feuilles magnétiques de frigo ne collent-elles que d'un côté ?. Pour l'histoire de la Terre utilisée comme un aimant, voir Pourquoi l'aiguille d'une boussole pointe-t-elle vers le nord ?.
- Fixez un aimant sur la porte du frigo, puis glissez des feuilles de papier une par une. Comptez combien il en faut pour qu'il tombe. Ensuite, intercalez un sous-main ou une plaque de plastique de même épaisseur, et comparez à quel moment il tombe. Si l'épaisseur est la même, le résultat devrait être proche, quel que soit le matériau.
- Posez un trombone sur la table et approchez un aimant pour l'attirer. Puis glissez entre l'aimant et le trombone une cuillère ou la lame de ciseaux (en fer). Si le trombone ne bouge plus, c'est la preuve que le fer a bloqué le magnétisme.
- Si l'on glisse une cuillère en aluminium ou une pièce entre l'aimant et le trombone, celui-ci reste attiré. Un métal qui ne bloque pas le magnétisme : voilà la meilleure preuve que « conduire l'électricité » et « laisser passer le magnétisme » sont deux choses différentes.
Un aimant puissant peut pincer et faire mal aux doigts : manipulez-le toujours avec un adulte. Des accidents d'ingestion de petits aimants ont été signalés ; gardez-les hors de portée des jeunes enfants.
Pour aller plus loin ― termes, formules, liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de physique du lycée
- Lycée+Approfondissement lycée, ou encadré des manuels
- Univ.Non vu au lycée : matière universitaire spécialisée (électromagnétisme, physique de la matière)
- RecherchePas encore un « acquis » enseigné même à l'université : sujet activement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Flux magnétique : l'ensemble des chemins de force qui s'étendent autour d'un aimant, comptés comme un faisceau. Les flèches de la figure 1 dessinent le tracé de ce faisceau.
- Perméabilité magnétique : nombre qui indique dans quelle mesure un matériau laisse passer le flux magnétique. En prenant le vide comme référence (1), le papier, l'eau, l'aluminium et le corps humain sont proches de 1, tandis que le fer atteint plusieurs milliers.
- Matériau ferromagnétique : matériau comme le fer, le nickel ou le cobalt, fortement attiré par un aimant et capable de devenir lui-même un aimant.
- Blindage magnétique : le fait d'entourer un espace d'un matériau à forte perméabilité pour empêcher le flux magnétique d'y entrer. Plus l'enveloppe est complète, plus l'effet est fort.
CollègeLycéeVérification par le calcul : de combien le papier affaiblit-il la force ?
Ce n'est pas le papier qui bloque, c'est l'éloignement qui affaiblit : vérifions cela par les chiffres. Vu d'une certaine distance, la force d'attraction d'un petit aimant est connue pour varier en raison inverse de la puissance 4 de la distance. Si la distance double, la force est divisée par 16.
| Épaisseur d'une feuille de papier | environ 0,09 millimètre |
| Espace initial entre l'aimant et le frigo | environ 1 millimètre (peinture et revêtement) |
| Relation force-distance (à distance suffisante) | considérée comme inversement proportionnelle à la puissance 4 de la distance |
| Épaisseur de 10 feuilles empilées | 0,09 × 10 = 0,9 (millimètre) |
| Total ajouté à l'espace initial | 1 + 0,9 = 1,9 (millimètre) |
| La distance est environ combien de fois l'originale ? | 1,9 ÷ 1 = 1,9 (fois) |
| On met au carré | 1,9 × 1,9 = 3,61 |
| On met de nouveau au carré, pour obtenir la puissance 4 | 3,61 × 3,61 ≒ 13 |
| La force est combien de fois plus faible ? | 1 ÷ 13 ≒ 0,077 |
Avec 10 feuilles, le calcul montre que la force d'attraction tombe à environ un treizième de sa valeur initiale. Ce n'est pas le papier qui a absorbé le magnétisme. Un simple éloignement de 0,9 millimètre suffit à provoquer un tel changement. Dans la réalité, un vrai aimant décroît un peu plus progressivement, mais l'idée que « seule la distance compte » est déjà là.
| B | Densité de flux magnétique. Degré de concentration du flux. Unité : tesla (T) |
| H | Intensité du champ magnétique. Unité : ampère par mètre (A/m) |
| μ | Perméabilité magnétique. Constante de proportionnalité reliant B et H, unité henry par mètre (H/m) |
| r | Distance à l'aimant. Unité : mètre (m) |
LycéeLycée+Pourquoi le fer est-il particulier ?
LycéeÀ l'intérieur de la matière, le mouvement des électrons et une propriété liée à leur rotation propre agissent comme de minuscules aimants. Dans un matériau ordinaire, leurs orientations sont désordonnées et s'annulent mutuellement, de sorte qu'aucun effet d'aimant n'apparaît de l'extérieur. C'est pourquoi le papier et l'aluminium ont une perméabilité proche de 1.
Lycée+Dans le fer, une forte interaction pousse les atomes voisins à aligner leurs orientations. Il se forme ainsi de larges régions où l'orientation est uniforme, et un champ magnétique extérieur même faible suffit à faire s'étendre brusquement ces régions jusqu'à aligner l'ensemble. Il en résulte, à l'intérieur du fer, un flux magnétique des milliers de fois plus intense que le champ appliqué de l'extérieur. Cette « mise en ordre » est détruite par la chaleur : chauffé à environ 770 °C, le fer cesse d'être attiré par un aimant.
Univ.Le blindage : un détour, pas une soustraction
Un blindage magnétique n'annule pas le flux magnétique. Vu comme un circuit magnétique, un chemin à forte perméabilité a une réluctance faible, et le flux s'y concentre. C'est le même principe qu'un courant électrique qui emprunte le fil de plus faible résistance. C'est pourquoi entourer complètement d'une boîte est plus efficace qu'intercaler une simple plaque. De plus, on choisit le matériau selon la nature du champ visé : un alliage à forte perméabilité pour un champ statique, un conducteur exploitant les courants de Foucault pour un champ qui varie rapidement. Pour les expériences exigeant un calme extrême, on utilise parfois des supraconducteurs, qui excluent le flux magnétique.
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Des matériaux magnétiques plus performants, utilisables à température ambiante Des recherches se poursuivent dans le monde entier pour créer des aimants puissants sans dépendre des terres rares, mais aucun matériau ne répond encore parfaitement à la fois aux contraintes de ressources et aux exigences de performance.
- Les êtres vivants et le champ magnétique Des expériences suggèrent que les oiseaux migrateurs et les tortues marines perçoivent le champ magnétique terrestre, mais on ne sait pas encore précisément où, dans leur corps, ni par quel mécanisme.
- Les champs magnétiques très faibles ont-ils un effet sur le corps humain ? Des études se poursuivent dans plusieurs pays sur les effets sanitaires des champs magnétiques faibles présents dans l'environnement quotidien, sans qu'un lien de cause à effet clair n'ait été établi à ce jour.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « ce que l'on comprend à ce jour ». L'aimant a beau ressembler à un simple objet de salle de classe, il reste au cœur de recherches actuelles sur les matériaux.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Courant et champ magnétique | Le chemin de la force autour d'un aimant, le motif de la limaille de fer |
| Lycée | Physique・Électromagnétisme | Densité de flux magnétique et champ, notion de perméabilité |
| Lycée+ | Physique・Approfondissement (magnétisme) | Le mécanisme d'alignement dans le fer, la disparition du magnétisme avec la chaleur |
| Univ. | Électromagnétisme・Physique de la matière | Circuits magnétiques et conception de blindages, courants de Foucault |
| Recherche | Science des matériaux・Biophysique | Nouveaux matériaux magnétiques, sens magnétique des êtres vivants |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Les mémos sur le frigo, la conservation des cartes magnétiques, la manipulation des aimants près d'appareils de précision |
- National Institute for Materials Science (NIMS) (物質・材料研究機構) ― présentation des recherches sur les matériaux magnétiques
- Société japonaise de magnétisme (日本磁気学会), Initiation au génie magnétique (磁気工学の基礎) — bases des matériaux magnétiques et du blindage magnétique
- Feynman, Leighton, Sands, Le cours de physique de Feynman III ― Électromagnétisme (chapitre sur le champ magnétique dans la matière et le magnétisme)
- National Institute of Standards and Technology (NIST) ― explications sur la métrologie magnétique
※Cet article propose une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des repères ou des approximations destinés à faciliter la compréhension du phénomène. Un aimant puissant peut provoquer des blessures, endommager des appareils, ou entraîner un accident en cas d'ingestion. Suivez toujours les consignes de sécurité du produit.