I. Notions abordées – expériences

• Manipulations d’aimants : aborder les notions de pôles et de champ magnétique

• Des expériences montrant que les aimants agissent à longue distance et à travers la matière

• Manipulations mettant en évidence l’intéraction des aimants et de la matière

• Découverte de l’électro-aimant et du principe de fonctionnement du moteur électrique

• Lévitation magnétique : expérience spectaculaire de lévitation d’un matériau supra conducteur refroidi avec de l’azote liquide au dessus d’un aimant

 

II. Termes scientifiques

La compréhension de ces termes scientifiques sera développée dans le cadre des séquences. Nous vous encourageons à retravailler ces termes et leur définition après votre visite chez nous.

Champ magnétique : un aimant créé un champ magnétique autour de lui. C’est grâce à lui que des aimants « se sentent » alors qu’ils ne se touchent pas.

Electroaimant : un électroaimant est constitué d’un fil électrique enroulé autour d’une pièce en fer (noyau de fer). Lorsque le fil est parcouru par un courant, il apparait un champ magnétique. L’électroaimant se comporte alors comme un aimant.

Intéraction : action réciproque de deux ou plusieurs objets

Lévitation : état d’équilibre au dessus d’une surface grâce à une force compensant la gravité.

Pôle : le pôle nord et le pôle sud sont les extrémités (inséparables l’une de l’autre) d’un aimant

 

III. Arrière plan scientifique pour l’enseignant

Qu’est-ce qu’un aimant ?

Un aimant est un matériau qui contient des atomes magnétiques comme le fer ou le nickel par exemple. Il est constitué de deux pôles inséparables l’un de l’autre.

Relation entre électricité et magnétisme ?

Un fil parcouru par un courant électrique crée un champ magnétique (expérience d’Oersted en 1820; proposée en salle de science). Inversement, un champ magnétique appliqué à un fil électrique produit un déplacement des électrons et donc un courant électrique.

Expérience d’Oersted (1820)

Qu’est-ce qu’un électroaimant  ?

Les électroaimants sont utilisés lorsqu’on a besoin d’aimants réellement puissants. On fabrique les électroaimants en plaçant un noyau métallique (habituellement un alliage de fer) à l’intérieur d’une bobine de fil porteuse d’un courant électrique. En passant dans la bobine, l’électricité produit un champ magnétique dont la puissance dépend de l’intensité du courant électrique et du nombre d’enroulements de fil. Au passage du courant, le noyau se comporte comme un aimant, mais en coupant le courant, les propriétés magnétiques disparaissent. Les moteurs électriques, les télévisions, les haut-parleurs, les trains maglev, les téléphones, les ordinateurs et bien d’autres appareils modernes utilisent des électroaimants.

Qu’est-ce que la lévitation magnétique ?

Les deux expériences décrites ci-dessous sont proposées en salle des sciences

Avec électroaimant : lévitation d’un globe

En utilisant uniquement des aimants, il est très difficile de mettre à profit la force magnétique de répulsion entre pôles identiques afin d’amener en lévitation un aimant au-dessus d’un autre car les conditions de stabilité sont très difficiles à réaliser. Néanmoins, certains dispositifs ingénieux permettent d’observer la lévitation magnétique en utilisant un aimant (collé à l’intérieur d’un globe) soumis au champ magnétique généré par un électroaimant. Le problème de stabilité de la lévitation est résolu par un système d’asservissement électronique qui fixe très précisément la position du globe pour qu’il reste en équilibre. S’il descend un peu du fait de son poids, le courant qui circule dans l’électroaimant est augmenté, ce qui accroît le champ magnétique et donc la force magnétique qui va faire remonter légèrement la sphère. Si elle monte un peu en raison de la force magnétique, l’asservissement agit à l’opposé.

Globe terrestre en lévitation : lévitation par attraction

Avec supraconducteur :

Certains matériaux, appelés supraconducteurs, ont un comportement magnétique particulier à très basse température : ils s’aimantent dans le sens opposé à celui du champ magnétique qu’on leur applique. Il s’exerce alors une force de répulsion entre le supraconducteur et l’aimant, qui permet au supraconducteur de rester en lévitation au-dessus de l’aimant : c’est l’effet Meissner. On peut donc observer cet effet après avoir refroidi le matériau supraconducteur en le plongeant dans de l’azote liquide (température de 77K ou -196°C). Au contact de l’air ambiant, le matériau se réchauffe et perd ses propriétés, ce qui explique qu’il retombe.