🧲 Le champ magnétique des aimants
Un aimant ne touche rien, et pourtant toutes les boussoles du voisinage se mettent au garde-à-vous : c'est le champ magnétique qui leur donne des ordres. Déplace et fais tourner des aimants droits ou en U, promène la sonde du teslamètre, allume le champ terrestre… et essaie de faire pointer une boussole vers l'est sans la tenir.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Chaque petite boussole s'aligne sur le champ B : son pôle nord (en rouge) indique le sens du champ. Quand tu déplaces un aimant, toutes les aiguilles pivotent, oscillent un peu puis se stabilisent.
- À l'extérieur d'un aimant, les lignes de champ sortent par le pôle nord et rentrent par le pôle sud. Elles ne se croisent jamais, et le champ est intense là où elles sont serrées, près des pôles.
- Entre les branches de l'aimant en U, les lignes sont parallèles et régulièrement espacées : le champ y est uniforme (même direction, même sens, même valeur).
- Quand deux pôles nord se font face, les lignes s'évitent et il existe un point entre eux où les deux champs se compensent : B y est presque nul.
- Avec le champ terrestre, loin des aimants, toutes les boussoles pointent vers le nord géographique. Comme le pôle nord d'une aiguille est attiré par un pôle sud, le nord géographique est en fait un pôle sud magnétique.
Expériences à faire
- Approche la sonde du teslamètre d'un pôle puis éloigne-la : le champ diminue-t-il régulièrement ? À 30 cm de l'aimant, est-il plus fort ou plus faible que le champ terrestre ?
- Retourne un des deux aimants face à face (curseur d'orientation) : comment changent les lignes de champ entre eux ? Où se trouve le point de champ nul ?
- Dans l'aimant en U, promène la sonde entre les branches puis en dehors : où le champ est-il le plus fort ? Où est-il uniforme ?
- Active le champ terrestre sans aimant : que font les boussoles ? Ajoute un aimant : à partir de quelle distance les boussoles « oublient »-elles le nord ?
- Règle la force de l'aimant choisi à 200 % : le champ mesuré par la sonde double-t-il partout ? Change aussi la valeur du champ terrestre (plus faible près des pôles, plus forte près de l'équateur) : à quelle distance la boussole « oublie »-t-elle maintenant le nord ?
La physique derrière l'animation
- Un aimant crée dans l'espace qui l'entoure un champ magnétique B, mesuré en tesla (T) avec un teslamètre. Ordres de grandeur : 10−5 T pour le champ terrestre, 10−2 à 10−1 T près d'un aimant courant, plus de 1 T dans un appareil d'IRM.
- En chaque point, B est tangent aux lignes de champ et orienté du pôle nord vers le pôle sud à l'extérieur de l'aimant. Une petite aiguille aimantée s'oriente selon B, son pôle nord indiquant le sens du champ.
- Superposition : le champ créé par plusieurs aimants est la somme vectorielle des champs de chacun, B = B1 + B2 + … C'est pourquoi deux champs opposés de même valeur peuvent s'annuler.
- La Terre se comporte comme un énorme aimant dont le pôle sud magnétique est situé près du pôle Nord géographique. En France, la composante horizontale du champ terrestre vaut environ 2 × 10−5 T (21 µT) et la boussole indique le nord géographique à quelques degrés près (c'est la déclinaison magnétique). Cette valeur dépend du lieu : tu peux la régler dans l'animation.
- Modèle de l'animation : vue de dessus, chaque pôle est une « charge magnétique » répartie sur sa face polaire, en haut et en bas de l'aimant (aimant droit de 12 cm × 3 cm × 1 cm, aimant en U de 2 cm d'épaisseur). Le champ diminue comme 1/r² près d'un pôle et comme 1/r³ loin de l'aimant. Échelle : 1 carreau = 5 cm.
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