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Couper un barreau magnétique en deux ne supprimera pas ses pôles. Il produira juste deux aimants, chacun avec un pôle nord qui sera attiré par le pôle sud de l’autre aimant, et vice versa.
C’est cette propriété fondamentale d’attraction qui rend les aimants utiles à de nombreuses fins, de la tenue d’une invitation à une fête à un réfrigérateur à la réalisation d’imagerie médicale.
Mais comment ces pôles apparaissent-ils ? Pourquoi les aimants ont-ils des pôles nord et sud ?
Les aimants sont « l’un des mystères les plus profonds de la physique », a déclaré Greg Boebinger (s’ouvre dans un nouvel onglet), directeur du National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee, en Floride. Alors que les gens utilisent des aimants depuis des milliers d’années (s’ouvre dans un nouvel onglet)les scientifiques apprennent encore de nouvelles choses sur leur fonctionnement.
La réponse la plus fondamentale à la raison pour laquelle les aimants ont des pôles réside dans le comportement des électrons. Toute matière, y compris les aimants, est constituée d’atomes. Dans chaque atome, le noyau est entouré d’un ou plusieurs électrons chargés négativement. Chacun de ces électrons génère son propre petit champ magnétique, que les scientifiques appellent un « spin ». Si suffisamment de ces petits champs magnétiques pointent dans la même direction, le matériau lui-même devient magnétique.
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Le « spin » d’un électron est en quelque sorte un concept abstrait, a déclaré Boebinger à Live Science. Techniquement, personne n’a vu un électron tourner – il est bien trop petit pour être vu au microscope. Mais les physiciens savent que les électrons ont un champ magnétique parce qu’ils l’ont mesuré. Et une façon dont ce champ pourrait être généré est si l’électron tournait. Inversez la direction du spin et le champ magnétique basculerait.
Quand c’est possible, les électrons vont s’apparier pour que leurs spins s’annulent (s’ouvre dans un nouvel onglet), rendant le magnétisme net d’un atome nul. Mais dans certains éléments, comme le fer, cela ne peut pas arriver. Le nombre d’électrons et la façon dont ils sont positionnés autour du noyau signifie que chaque atome de fer aura un électron non apparié générant un petit champ magnétique.
Dans un matériau non magnétisé, ces champs magnétiques individuels pointent dans différentes directions aléatoires. Dans cet état, ils s’annulent pour la plupart, de sorte que le matériau n’est pas globalement magnétique. Mais dans les bonnes conditions, les minuscules champs magnétiques subatomiques peuvent s’aligner pour pointer dans la même direction. On pourrait penser à cela comme à la différence entre une foule de personnes qui se pressent et qui s’organisent et font face dans la même direction. La combinaison de ces très petits champs magnétiques crée un champ magnétique plus grand – de sorte que le matériau devient un aimant.
De nombreux aimants utilisés dans la vie quotidienne, comme les aimants de réfrigérateur, sont appelés aimants permanents. Dans ces matériaux, les champs magnétiques de nombreux atomes du matériau sont devenus alignés de manière permanente par une force extérieure – comme en étant placés à l’intérieur d’un champ magnétique plus puissant.
Souvent, ce champ magnétique plus puissant est créé par l’électricité. L’électricité et le magnétisme sont fondamentalement liés, car les champs magnétiques sont générés par le mouvement des charges électriques. C’est pourquoi un électron en rotation a un champ magnétique. Mais les scientifiques peuvent également exploiter l’électricité pour créer des aimants très puissants, a déclaré Paolo Ferracín (s’ouvre dans un nouvel onglet), chercheur principal au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie. Faire passer suffisamment de courant à travers une bobine de fil génère un champ magnétique très puissant qui dure aussi longtemps que le courant circule. Ces électroaimants sont souvent utilisés dans la recherche en physique, a déclaré Ferracin à Live Science. Ils sont également utilisés dans des outils médicaux tels que les appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM).
La Terre a aussi son propre champ magnétique – c’est ce qui fait fonctionner l’aiguille d’une boussole. Les scientifiques ont défini le pôle nord d’un aimant comme l’extrémité qui pointerait vers le pôle nord de la Terre si l’aimant pouvait tourner librement. Mais techniquement, a expliqué Boebinger, cela signifie que le pôle magnétique nord sur Terre est en fait un pôle sud magnétique, car les pôles opposés s’attirent.
Dans la convention physique, les lignes du champ magnétique s’écoulent du pôle nord de l’aimant vers son pôle sud, formant une boucle fermée.
Les physiciens ont également trouvé d’autres arrangements de pôles magnétiques, y compris quadripôles (s’ouvre dans un nouvel onglet), dans lequel une combinaison de pôles magnétiques nord et sud est disposée en carré. Mais un objectif reste insaisissable, a déclaré Ferracin : personne n’a encore trouvé de monopole magnétique.
Les électrons et les protons sont des monopôles électriques : ils ont chacun une seule charge électrique, positive ou négative. Mais les électrons (et d’autres particules aussi) ont deux pôles magnétiques. Et comme ce sont des particules fondamentales, elles ne peuvent pas être décomposées davantage. Cette différence entre la façon dont les particules se comportent électriquement et magnétiquement a intrigué de nombreux physiciens, et pour certains, trouver une particule avec un seul pôle magnétique est le Saint Graal. Sa découverte remettrait en question les lois de la physique telles que nous les comprenons actuellement.
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