Comment fonctionne un aimant ?

Un aimant est un objet capable de produire un champ magnétique, c’est-à-dire une influence invisible qui peut exercer une force sur certains matériaux et sur des charges électriques en mouvement. Il attire notamment le fer, le nickel et le cobalt, ainsi que certains alliages. Cette propriété ne vient pas simplement du fait qu’un aimant serait un morceau de métal particulier : elle résulte de l’organisation des propriétés magnétiques des électrons présents dans sa matière.

L’origine microscopique du magnétisme

Les électrons possèdent une propriété quantique appelée spin, à laquelle est associé un moment magnétique. Le mouvement des électrons autour du noyau contribue également aux propriétés magnétiques de l’atome. Dans beaucoup de matériaux, les moments magnétiques des différents électrons s’annulent en grande partie. Dans des matériaux ferromagnétiques, comme le fer, le nickel ou le cobalt, les interactions entre atomes peuvent au contraire favoriser l’orientation de nombreux moments magnétiques dans des directions voisines. Le matériau est alors divisé en domaines magnétiques : à l’intérieur de chacun, les moments sont largement alignés, mais les domaines peuvent être orientés différemment les uns des autres.

Comment un matériau devient aimanté

Un morceau de fer qui n’est pas aimanté peut posséder des domaines magnétiques orientés dans des directions variées. Leurs effets se compensent alors en grande partie à l’échelle de l’objet. Sous l’action d’un champ magnétique extérieur, certains domaines peuvent s’agrandir et d’autres s’orienter dans la direction du champ. Si cette organisation persiste après la disparition du champ extérieur, le matériau devient un aimant permanent. La capacité à conserver cette aimantation dépend de sa composition et de sa structure. Certains matériaux sont donc faciles à aimanter mais perdent rapidement leur aimantation, tandis que d’autres la conservent durablement.

Le champ et les deux pôles

Le champ magnétique décrit la force qu’un aimant peut exercer autour de lui. On le représente souvent par des lignes de champ : à l’extérieur de l’aimant, elles sont conventionnellement orientées du pôle nord vers le pôle sud, puis se prolongent à l’intérieur de l’aimant pour former des boucles. Un aimant ordinaire possède toujours un pôle nord et un pôle sud. Si on le coupe, on n’obtient pas un pôle isolé, mais deux aimants plus petits possédant chacun un pôle nord et un pôle sud. Les pôles opposés s’attirent et les pôles identiques se repoussent. Un morceau de fer non aimanté peut aussi être attiré par l’un ou l’autre pôle, car le champ de l’aimant y provoque une réorganisation temporaire des moments magnétiques.

Les effets du magnétisme au quotidien

Le champ magnétique permet à une boussole de s’orienter et intervient dans le fonctionnement de nombreux appareils. Dans un moteur électrique, l’interaction entre un champ magnétique et le courant qui circule dans des conducteurs produit une force et donc un mouvement de rotation. Les générateurs exploitent le phénomène inverse pour transformer un mouvement en énergie électrique. Les haut-parleurs utilisent également des aimants et des bobines parcourues par un courant pour transformer un signal électrique en vibrations sonores. Dans une caméra ou un appareil d’imagerie par résonance magnétique, des champs magnétiques sont employés pour obtenir des informations sur la matière. Ainsi, le fonctionnement d’un aimant repose sur l’alignement collectif de propriétés magnétiques microscopiques, qui produit à l’échelle de l’objet un champ avec un pôle nord et un pôle sud.