Comment a-t-on découvert que l'électricité et les aimants sont liés ?
― Sur la table d'un cours, l'aiguille d'une boussole a frémi
Aujourd'hui, il paraît évident qu'un courant électrique crée une force magnétique. Moteurs et haut-parleurs fonctionnent grâce à ce principe. Pourtant, il y a environ 200 ans, on pensait que l'électricité et les aimants n'avaient rien à voir. Ce mur est tombé grâce à une petite boussole posée près d'un fil parcouru par un courant.
En randonnée, vous sortez votre boussole pour vérifier le nord. Mais près du smartphone dans votre poche de poitrine, ou près de la lampe frontale, l'aiguille se décale un peu.
Une boussole sent la force d'un très grand aimant : la Terre. Cette force est bien plus faible qu'on ne le croit. C'est pourquoi l'aiguille se laisse facilement attirer par un petit aimant voisin, ou par un fil où circule un courant.
Ce fait — « l'aiguille dévie près d'un fil parcouru par un courant » — a été constaté pour la première fois en 1820 par le physicien danois Ørsted.
La découverte tient à deux clés seulement
Jusque-là, l'électricité disparaissait en un instant, comme l'étincelle d'une décharge statique. La pile, inventée en 1800, a permis de faire circuler un courant en continu. L'aiguille a enfin pu réagir tout son temps.
On pensait que la force magnétique attirait ou repoussait, rien d'autre. Mais celle du fil agit en tournant autour de lui. On cherchait dans la mauvaise direction : voilà pourquoi on ne trouvait rien.
Reprenons dans l'ordre.
L'aiguille ne dévie fortement que si le fil lui est parallèle
Ørsted pensait depuis longtemps qu'un lien devait exister entre électricité et magnétisme. On dit qu'il était influencé par l'idée que les forces de la nature sont, à la base, unies.
Au printemps 1820, lors d'un cours à l'université, il approcha d'une boussole un fil relié à une pile. L'aiguille aurait légèrement dévié, dit-on. La pile était faible et la déviation minuscule. On raconte que la plupart des auditeurs n'ont même pas remarqué ce qui s'était passé.
Il répéta ensuite des expériences détaillées pendant l'été. Le 21 juillet, il rédigea en latin un rapport de seulement 4 pages, qu'il envoya aux savants de toute l'Europe.
Ce qui compte, c'est la position du fil. Regardez la figure 1. Le fil passe juste au-dessus de l'aiguille, dans la même direction nord-sud. Quand le courant passe, l'aiguille tourne vers l'est ou vers l'ouest. Plus le courant est fort, plus la déviation est grande.
L'aiguille indique la direction combinée du champ terrestre et du champ du fil. Près du Japon, la composante horizontale du champ terrestre est d'environ 30 microteslas. Un courant de 1 ampère crée à 2 centimètres un champ d'environ un tiers de cette valeur. Cela suffit pour que l'aiguille dévie nettement.
À l'inverse, si l'on place le fil dans la direction est-ouest, l'aiguille ne bouge presque pas. Le champ du fil s'aligne alors exactement sur la direction nord-sud. Le résultat de l'expérience dépendait donc de l'orientation choisie.
La force ne tire ni ne pousse : elle tourne
Les savants de l'époque raisonnaient comme pour deux aimants : le fil devait soit attirer l'aiguille, soit la repousser. Regardez la figure 2. À gauche, ce qu'on attendait ; à droite, ce qui se passe vraiment.
Le champ autour d'un fil dessine des cercles centrés sur lui. L'aiguille ne pointe donc pas vers le fil : elle s'aligne le long du cercle. Cette « force qui tourne », ni attraction ni répulsion, n'avait pas de place dans la physique d'alors.
Le rapport fit vite parler de lui partout. À Paris, Ampère aurait montré, quelques semaines après avoir appris la nouvelle, que deux fils parcourus par un courant s'attirent. Les recherches sur le courant et le magnétisme ont alors fait un bond en avant.
Avant Ørsted déjà, on aurait relevé des cas où, après un coup de foudre sur un navire, le nord et le sud de la boussole s'étaient inversés. La foudre est un courant très intense, mais très bref. Avec le recul, c'était un indice que le courant crée du magnétisme. Mais l'événement était trop fugace pour en comprendre le mécanisme.
Une ancienne unité de champ magnétique porte le nom d'« œrsted ». On la rencontre encore parfois dans les chiffres qui décrivent la performance des aimants.
En résumé
Le lien entre électricité et magnétisme n'a été découvert que lorsque la pile a permis de faire circuler un courant en continu. Sa force n'agit pas dans le sens « tirer ou pousser », mais en tournant autour du fil. Comme le champ terrestre est faible, même un courant d'environ 1 ampère fait nettement dévier une boussole voisine. En montagne, mieux vaut lire sa boussole loin du smartphone et des objets à piles.
Quand un courant circule, une force magnétique naît autour de lui, en anneaux.
Un rapport de seulement 4 pages a fait de l'électricité et du magnétisme une seule science.
Pourquoi l'aiguille d'une boussole pointe vers le nord : voir Pourquoi l'aiguille d'une boussole pointe-t-elle vers le nord ?. L'écart entre le nord de l'aiguille et celui de la carte : voir Pourquoi le nord de la boussole ne coïncide-t-il pas avec celui de la carte ?. La découverte qui a mené à la pile : voir Pourquoi la patte de grenouille a-t-elle sursauté au simple contact d'un métal ?. Et le champ de la Terre, qui naît lui-même de courants circulant dans le globe : voir Est-il vrai que les pôles nord et sud de la Terre peuvent s'inverser ?.
- Posez une boussole sur la table et attendez que l'aiguille s'immobilise vers le nord. Éloignez smartphones et objets en fer.
- Prenez une pile AA et un fil gainé de plastique. Tendez le fil juste au-dessus de l'aiguille, dans la même direction nord-sud.
- Touchez les deux bornes de la pile avec les extrémités du fil, seulement quelques secondes. Dès que vous voyez l'aiguille dévier vers l'est ou l'ouest, retirez le fil. Si vous inversez la pile, le sens de la déviation s'inverse aussi.
Relier directement un fil à une pile laisse passer un courant important, qui chauffe le fil et la pile. Ne touchez que quelques secondes, et retirez dès que ça chauffe. Si vous placez le fil dans la direction est-ouest, vous verrez aussi que l'aiguille ne bouge presque pas.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de physique du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matière de l'université (électromagnétisme), non vue au lycée
- RechercheQuestions que les chercheurs étudient encore, pas enseignées comme acquises, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Champ magnétique créé par un courant : quand un courant parcourt un fil droit, il crée autour de lui un champ magnétique en cercles concentriques. Au collège, on retient le sens avec la « règle du tire-bouchon » (règle de la main droite).
- Règle du tire-bouchon : si un tire-bouchon avance dans le sens du courant, le sens dans lequel on le tourne est celui du champ magnétique.
- Champ magnétique terrestre : le champ magnétique de la Terre. Une boussole pointe vers le nord parce qu'elle s'aligne sur lui.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : de combien l'aiguille dévie-t-elle pour 1 ampère ?
Le champ autour d'un fil droit est proportionnel au courant et inversement proportionnel à la distance au fil. Calculons la déviation de l'aiguille dans les conditions de la figure 1.
| En symboles | B ＝ ( μ0 ÷ 2π ) × I ÷ r ／ la déviation θ vérifie tan θ ＝ B ÷ BE |
| En mots | Champ du fil ＝ constante × courant ÷ distance. Tangente de la déviation ＝ champ du fil ÷ champ terrestre (composante horizontale) |
| D'où vient-elle ? | Du théorème d'Ampère (la somme du champ le long d'un cercle autour du fil est proportionnelle au courant qui le traverse). L'aiguille indique la direction des deux champs combinés : l'angle de déviation est donc fixé par leur rapport. |
| Symbole | Sens et unité |
| B | Intensité du champ créé par le fil (microtesla, μT) |
| I | Courant dans le fil (ampère) |
| r | Distance du fil à l'aiguille (mètre) |
| BE | Composante horizontale du champ terrestre (microtesla) |
| μ0 | Perméabilité du vide. μ0 ÷ 2π vaut 0,2 en microtesla |
| Constante (μ0 ÷ 2π) | 0,2 μT・m／A |
| Courant I | 1 ampère |
| Distance fil-aiguille r | 2 centimètres ＝ 0,02 mètre |
| Composante horizontale du champ terrestre (près du Japon) | environ 30 μT |
| Constante × courant | 0,2 × 1 ＝ 0,2 |
| Divisé par la distance : champ du fil | 0,2 ÷ 0,02 ＝ 10 μT |
| Rapport au champ terrestre (tangente) | 10 ÷ 30 ≒ 0,33 |
| Angle dont la tangente vaut 0,33 | environ 18 degrés |
| Comparaison : champ du fil à 1 mètre | 0,2 ÷ 1 ＝ 0,2 μT |
| Rapport au champ terrestre dans ce cas | 0,2 ÷ 30 ≒ 0,0067 |
À 2 centimètres, pour environ 1 ampère, ce qu'une pile peut fournir, l'aiguille dévie d'environ 18 degrés. À 1 mètre, la déviation tombe à environ 0,4 degré, invisible à l'œil. Que le courant agisse sur l'aiguille dépend donc moins de son intensité que de la proximité. C'est pourquoi on éloigne la boussole des appareils électriques.
LycéeLycée+Courant et champ magnétique : un pas de plus
LycéeEn physique au lycée, on écrit le champ autour d'un courant rectiligne H ＝ I ÷ 2πr (intensité du champ) et la densité de flux B ＝ μ0 × H. Le champ au centre d'une spire ou d'une bobine se calcule dans le même esprit. On apprend aussi qu'un courant subit une force dans un champ magnétique : c'est le principe du moteur.
Lycée+Onze ans après la découverte d'Ørsted, Faraday découvrit l'inverse : l'induction électromagnétique, où un champ qui varie engendre un courant. Le courant crée un champ, et un champ variable crée un courant. Ensemble, ils ouvrent l'ère des générateurs et des transformateurs.
Univ.Loi de Biot et Savart, et équations de Maxwell
En électromagnétisme universitaire, on étudie la « loi de Biot et Savart », qui additionne les champs créés par de petits morceaux de courant, et le « théorème d'Ampère », qui additionne le champ le long d'un chemin fermé. Les deux ont été mis en équations par des savants français juste après la découverte de 1820. Plus tard, Maxwell ajouta le « courant de déplacement » au théorème d'Ampère, acheva les équations de Maxwell et en déduisit que la lumière est une onde électromagnétique.
📖 Démonstrations et suites : Théorème d'Ampère (Wikipédia, en japonais) ／ Loi de Biot et Savart (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- La découverte était-elle vraiment un hasard en plein cours ? L'histoire de la découverte en cours repose sur des souvenirs ultérieurs. Ørsted lui-même aurait écrit avoir procédé de façon plus méthodique, et les historiens des sciences divergent sur l'interprétation.
- La forme des courants qui créent le champ terrestre. Le champ de la Terre vient des courants engendrés par le fer fondu qui circule dans le noyau externe. Mais la forme précise de ces écoulements, et la raison pour laquelle le nord et le sud s'inversent parfois, restent à l'étude.
- Comment les êtres vivants sentent-ils le champ magnétique ? On pense que les oiseaux migrateurs, entre autres, perçoivent le champ terrestre. Mais où et comment dans le corps ? Plusieurs hypothèses s'affrontent.
Le contenu de cet article est donc « une explication de ce que l'on sait aujourd'hui ». Même le récit de la découverte comporte des points qu'on n'a pas pu vérifier.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière · chapitre | Où dans l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 2e année « Courant et champ magnétique » | Champ en cercles concentriques autour du fil, règle du tire-bouchon |
| Lycée | Physique « Champ créé par un courant » | Formule du champ d'un courant rectiligne, calcul de la déviation de l'aiguille |
| Lycée+ | Physique « Induction électromagnétique » | Lien avec la découverte de Faraday |
| Univ. | Électromagnétisme | Loi de Biot et Savart, théorème d'Ampère, équations de Maxwell |
| Recherche | Histoire des sciences, géomagnétisme, sens des animaux | Interprétation de la découverte, origine du champ terrestre, magnétoréception des êtres vivants |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | En montagne, lire la boussole loin du smartphone et des appareils électriques |
- H. C. Ørsted (1820) "Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam" (l'article de 4 pages qui annonce la découverte)
- R. C. Stauffer (1957) "Speculation and Experiment in the Background of Oersted's Discovery of Electromagnetism", Isis 48
- Hans Christian Ørsted (Wikipédia, en japonais)
- Observatoire géomagnétique de Kakioka, Agence météorologique japonaise (気象庁 地磁気観測所)
- Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台), dir., 『理科年表』 (Annales scientifiques), Maruzen Publishing (valeurs du champ géomagnétique)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique pour le grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur, destinés à comprendre le mécanisme. L'intensité du champ géomagnétique varie selon le lieu et l'époque. L'expérience qui relie directement une pile à un fil doit rester très brève.