Le magnétisme — une force au service de l’homme

LE MAGNÉTISME — que serait la vie moderne sans cette force? Grâce au magnétisme, nous avons l’électricité qui chauffe nos maisons, éclaire nos routes, cuit nos aliments et se charge chaque jour de bien d’autres corvées. Sans le magnétisme, nous ne pourrions pas écouter de la belle musique à la radio, regarder un programme de télévision ni même parler avec un ami au téléphone.

Il faut associer à cette force extraordinaire une chose que les Chinois appelaient “la pierre qui dévore le fer”. Les marins anglo-saxons lui ont donné le nom de lodestone, “la pierre qui guide”. Nous l’appelons aimant. L’aimant naturel, ou magnétite, se nomme ainsi d’après le nom d’un district d’Asie Mineure, la Magnésie, où il abondait autrefois. Peu importe le nom qu’on lui donne, la mystérieuse puissance que possède la magnétite la rend aussi précieuse que l’or. Elle a séduit des rois et permis aux marins de naviguer sur les vastes océans; quant aux païens, ils croyaient que les dieux la leur avaient envoyée pour les guider. Mais, malgré toute l’attention que les anciens lui accordaient, aucun d’eux n’a entrevu l’énorme force cachée derrière ce phénomène que nous appelons aujourd’hui magnétisme.

Bien qu’on ne puisse se procurer couramment de la magnétite (aimant naturel), on peut acheter des aimants artificiels très puissants pour une somme minime. Nombre d’enfants s’amusent pendant des heures à jouer avec deux petits aimants. D’ailleurs, les aimants sont si abondants aujourd’hui qu’on ne leur accorde plus guère d’attention.

Mais qu’est-​ce au juste que le magnétisme? Quel effet a-​t-​il sur nous? Quelle est la source de sa force mystérieuse? Examinons de plus près cette force au service de l’homme.

Les caractéristiques du magnétisme

Quelques expériences effectuées avec deux barreaux aimantés nous aideront à découvrir certains principes du magnétisme. Déposez une feuille de papier sur le premier aimant et répandez dessus un peu de limaille de fer (provenant d’un clou par exemple). Tapotez le papier du doigt et vous verrez la limaille former un curieux dessin. Toutes les parcelles de fer s’assemblent en lignes formant une boucle qui va d’une extrémité de l’aimant vers l’autre extrémité. Nous avons devant nous un petit champ magnétique. En réalité, ces lignes de force magnétique sont invisibles et entourent complètement l’aimant dans toutes les directions. On appelle pôles les deux extrémités où convergent toutes les lignes. Chaque aimant a deux pôles qui sont inséparables. Si nous coupons un barreau aimanté en deux, nous n’aurons pas deux demi-aimants avec un pôle chacun, mais deux aimants complets, avec deux pôles chacun, comme l’aimant originel.

Maintenant que nous avons visualisé le champ magnétique et identifié les deux pôles de l’aimant, observons une autre propriété très intéressante. Liez une ficelle au milieu de l’aimant et suspendez-​le. Une des extrémités oscillera jusqu’au moment où elle indiquera le Nord. Si vous essayez de la détourner de cette position, elle y reviendra toujours. Le pôle de l’aimant qui se dirige ainsi vers le Nord est appelé pôle Nord, celui qui pointe vers le Sud est appelé pôle Sud. Cette propriété du magnétisme est à la base de la boussole. Mais quelle est la cause de ce phénomène?

Pour la découvrir, il nous faut employer un deuxième aimant. Sur chaque aimant, marquons d’un N le pôle Nord et d’un S le pôle Sud. À présent, prenons un aimant dans chaque main et approchons le N de l’un du S de l’autre. Que se passe-​t-​il? Une force invisible semble les attirer l’un vers l’autre. Mais inversons l’un des aimants et approchons les deux pôles N ou les deux pôles S l’un de l’autre. Maintenant, la force semble les écarter. Nous constatons ici une loi immuable du magnétisme, c’est-à-dire que les pôles contraires s’attirent, alors que les pôles semblables se repoussent.

Voilà pourquoi l’une des extrémités de l’aimant se porte toujours vers le Nord. La Terre a son propre champ magnétique, tout comme un barreau aimanté. Ce champ s’étend loin dans l’espace et converge à chacun des pôles. Ainsi, on appellera “Nord” le pôle d’un aimant qui est toujours attiré par le pôle Nord de la Terre et repoussé par le pôle Sud.

La caractéristique probablement la mieux connue du magnétisme est sa faculté d’attirer certains métaux. Le laiton, l’aluminium, l’or et l’argent ne sont pas attirés par un aimant, mais le fer, l’acier, le nickel, le cobalt, le chrome, etc., le sont, bien qu’à des degrés divers. Chose curieuse, les deux pôles ont le même pouvoir d’attraction. C’est pourquoi, un clou en fer sera attiré avec la même force par l’une ou l’autre extrémité du barreau aimanté.

Cet examen des caractéristiques fondamentales du magnétisme suscite en nous des questions très importantes. Quelle est la source de ce pouvoir d’attraction? Oui, qu’est-​ce qui cause le magnétisme? Et pourquoi les métaux ne sont-​ils pas tous magnétiques?

La cause du magnétisme

Pour répondre aux questions précitées, nous devons examiner le matériau de construction fondamental de la matière, c’est-à-dire l’atome. L’atome consiste en un noyau très concentré fait de neutrons et de protons, avec un nombre variable d’électrons qui gravitent autour, un peu comme les planètes du système solaire tournent autour du Soleil. Ce mouvement des électrons donne lieu à une force magnétique minuscule à l’intérieur de l’atome. En général, les électrons sont en nombre pair, de sorte que le champ magnétique des uns est compensé par le champ magnétique des autres. On peut dire alors que le champ magnétique total est nul. Les métaux composés de cette sorte d’atomes ne sont pas magnétiques.

Mais si l’atome a un nombre d’électrons impair, il possède ce que les hommes de science appellent un moment magnétique. La force de ce moment magnétique détermine la façon dont les atomes s’alignent dans un métal solide. Dans la plupart des métaux, l’agitation des atomes, à des températures ordinaires, est assez grande pour surmonter les forces magnétiques, et les atomes-aimants sont dispersés au hasard. La résultante nette des champs magnétiques d’un grand nombre d’atomes est nulle.

Cependant, on peut provoquer le magnétisme dans ces métaux en les plaçant dans un autre champ magnétique. C’est ce qui se passe avec le chrome. La force du champ magnétique incite les atomes à prendre un alignement parallèle. Mais aussitôt que le métal est retiré du champ, l’agitation thermique prévaut de nouveau et détruit cet alignement. Le chrome perd son magnétisme. Les métaux de ce genre, c’est-à-dire ceux qui ne retiennent pas le magnétisme, sont appelés paramagnétiques.

Par contre, dans certains métaux, y compris le fer, le cobalt et le nickel, les atomes individuels ont des moments magnétiques beaucoup plus élevés. Ils sont si élevés que lorsque les atomes se cristallisent au cours d’une fusion, chacun sent l’influence de ses voisins et des groupes d’atomes s’alignent parallèlement à leur axe magnétique. Chaque groupe devient un petit aimant. Cependant, ces groupes sont microscopiques et, à la coulée suivante, ils s’orientent au hasard. C’est pourquoi les clous en fer ordinaires, par exemple, ne sont pas aimantés.

Mais si un morceau de fer est placé dans un champ magnétique, les groupes qui se trouvent alignés par rapport au champ tendent à grossir aux dépens des groupes voisins en attirant les atomes adjacents dans leur alignement. Cette action est renforcée si le métal est chauffé ou étiré. L’alignement formé de cette façon persiste quand le métal est retiré du champ: on obtient donc un aimant permanent. Ces métaux qui peuvent être aimantés de façon permanente sont appelés ferromagnétiques. Dans la magnétite, les atomes de fer sont alignés ainsi. Cela s’est produit quand le minerai s’est cristallisé, apparemment à cause du champ magnétique de la Terre.

L’aimant permanent qui résulte d’une aimantation est d’autant plus puissant que les groupes alignés sur le champ sont grands et que ceux qui sont orientés au hasard sont petits. Les savants ont découvert que si l’on soumet le métal à la chaleur ou à la tension quand il se trouve dans un champ magnétique intense, un maximum de groupes d’atomes s’alignent de façon permanente. On peut ainsi produire économiquement des aimants permanents d’une grande puissance.

Le magnétisme céleste

Comme on l’a dit plus haut, la Terre elle-​même est un aimant géant. Quelle est la cause du champ magnétique du globe? Certains ont pensé qu’il avait pour origine le magnétisme naturel des minerais renfermés à l’intérieur de la Terre. En d’autres termes, ils considéraient la Terre comme un aimant permanent géant. Mais plus récemment, on a compris que l’agitation thermique due à la température interne de la Terre écarte cette possibilité.

Aujourd’hui, d’après l’explication la plus couramment acceptée, le champ magnétique de notre globe résulte de courants électriques dans son noyau, et qui sont en rapport avec la révolution de la Terre autour de son axe. Il existe aussi des preuves que d’autres planètes sont magnétiques. Ainsi, Jupiter a un champ beaucoup plus puissant que celui de la Terre. Et le Soleil lui-​même a un champ magnétique très puissant. Quant à la Voie lactée, la galaxie qui comprend notre Soleil et des centaines de milliards d’autres étoiles, elle a vraisemblablement son propre champ magnétique.

Le rôle du champ magnétique terrestre dans la protection de la vie a été récemment mis en lumière par les savants. On en a un exemple lors des violents orages magnétiques qui surviennent à la surface du Soleil (les taches solaires). Les énormes zones occupées par les champs magnétiques concentrés dans l’atmosphère brûlante du Soleil couvrent en réalité une région plus vaste que la Terre. De plus, il est un millier de fois plus puissant que celui de notre globe. Le Soleil répand continuellement dans l’espace des jets de particules chargées électriquement et qu’on appelle “vent solaire”. Ce vent détruirait la vie terrestre si notre champ magnétique ne se saisissait des particules solaires répandues dans l’espace avant même qu’elles n’atteignent l’atmosphère. Le champ magnétique terrestre les dirige en spirale autour de ses propres lignes de force magnétique et les introduit dans l’atmosphère à l’entonnoir qu’il forme aux pôles Nord et Sud. Même ainsi, quand il y a un violent orage magnétique à la surface du Soleil, on peut s’attendre peu après à un orage géomagnétique qui gêne la transmission des ondes radio, les radars et même la distribution d’électricité. Il produit également les grandioses ‘feux d’artifice’ appelés aurore boréale et aurore australe.

Le champ magnétique terrestre contribue aussi à nous protéger des rayons cosmiques les plus dangereux en les détournant vers les latitudes polaires. Il est probable que nous ne connaissons pas encore tous les avantages de ce “tampon” magnétique. Toutefois, il est devenu évident que le magnétisme de notre planète joue un rôle essentiel dans la protection de la vie.

Électricité et magnétisme

C’est surtout à cause de ses relations avec l’électricité que le magnétisme est utile à l’homme. Rappelez-​vous que le magnétisme provient du minuscule courant électrique qui circule dans l’atome. D’ailleurs, le magnétisme et l’électricité sont si étroitement liés que l’un produit l’autre. Voyons comment.

Quand un fil est traversé par un courant électrique, il s’aimante. Mais il n’attirera pas les métaux parce que le champ magnétique qui l’entoure a une forme circulaire et n’a pas de pôle défini. Par contre, si le fil est enroulé, comme sur une bobine, le champ magnétique qui règne autour de chaque anneau amplifie celui de l’anneau voisin pour ne former qu’un seul grand champ magnétique. Plus nombreux sont les anneaux, plus puissant sera l’aimant. Cet aimant ne fonctionne que si le courant passe dans le fil. S’il n’y a pas de courant électrique, il n’y a pas de champ magnétique. Ce genre d’aimant s’appelle un électro-aimant.

Une simple sonnette de porte d’entrée est un exemple d’électro-aimant en action. Quand vous appuyez sur le bouton, l’électricité passe par un électro-aimant qui attire une pièce mobile en métal. Dans son mouvement vers l’électro-aimant, le métal frappe un timbre. Lorsque vous lâchez le bouton, l’électro-aimant laisse aller le morceau de métal. En retournant brusquement en arrière pour reprendre sa position première, le métal frappe un autre timbre et cela donne le “ding dong” familier. Les aimants et les électro-aimants jouent un rôle parfois plus complexe, mais essentiel dans la plupart des appareils électriques.

L’électro-aimant est le principe fondamental du moteur électrique. Pour expliquer simplement les choses, disons que des électro-aimants disposés en cercle sont branchés et débranchés à intervalles réguliers. Les propriétés d’attraction et de répulsion des aimants font tournoyer une armature à l’intérieur du cercle, ce qui permet à des moteurs électriques de diverses puissances d’accomplir bien des corvées à notre place, aussi bien faire tourner les aiguilles des horloges que conduire rapidement à destination les grands trains de banlieue.

Les interrupteurs, les relais, les solénoïdes, les compteurs, les jauges et de nombreux autres instruments de l’industrie électrique sont basés sur cette simple relation entre l’électricité et le magnétisme. Le magnétisme permet aussi de transmettre le son de votre voix par des fils téléphoniques. L’électro-aimant à l’intérieur du haut-parleur de votre radio, de votre télévision ou de votre chaîne stéréo transforme les impulsions électriques en sons, reproduisant l’original avec une étonnante fidélité. Le magnétisme vous permet d’enregistrer les premiers mots de votre fils ou le premier solo de violon de votre fille et, des années plus tard, de revivre ces précieux moments.

C’est un faisceau d’électrons concentré avec précision par un champ magnétique qui produit une image sur votre écran de télévision. Ce même faisceau d’électrons concentré par magnétisme permet aux savants de pénétrer dans le monde de l’infiniment petit grâce au microscope électronique.

Cette relation entre l’électricité et le magnétisme fonctionne également en sens inverse. Les générateurs qui produisent l’électricité dépendent du magnétisme. De puissants aimants permanents sont disposés en cercle et des turbines actionnées par la vapeur ou l’eau font tourner des bobines de fil à travers ce puissant champ magnétique. À cause de ce mouvement, le fil se charge d’électricité. Ce courant électrique est amené à la tension voulue, puis conduit jusqu’à nos foyers.

Il n’est pas exagéré de dire que toute l’industrie électrique que nous connaissons aujourd’hui n’existerait pas sans ce puissant serviteur de l’homme que nous appelons le magnétisme.

De grandes possibilités

Il y a encore beaucoup à apprendre concernant le magnétisme et, à mesure que les scientifiques le connaissent mieux, ils lui trouvent de nouveaux usages. Par exemple, une nouvelle technologie appelée magnétohydrodynamique (M. H. D.) promet de rendre la production d’électricité encore plus économique qu’elle ne l’est aujourd’hui. Pour l’instant, la plupart des grandes villes emploient des turbines à vapeur pour faire fonctionner leurs générateurs et on brûle des combustibles fossiles comme le charbon pour produire de la vapeur. Mais, avec la magnétohydrodynamique, il serait possible de produire de l’électricité non seulement dans le générateur, mais aussi dans la cheminée. En effet, quand les gaz brûlants qui résultent de la combustion du charbon sont conduits à travers un champ magnétique, cela produit un courant électrique. Ce nouveau système révolutionnaire peut convertir l’énergie du charbon en électricité beaucoup plus efficacement que n’importe quelle autre technique. Selon certains chercheurs, une tonne de charbon peut produire ainsi 50 pour cent d’électricité de plus que par les moyens classiques. On a également proposé cette technique pour convertir l’énergie de certains types de réacteur atomique.

Dans le domaine des transports, on met au point des trains qui “volent” au-dessus de voies spéciales par le moyen de la “lévitation magnétique”. Grâce à des électro-aimants placés sur la voie et sur le train, celui-ci flotte à une hauteur d’une trentaine de centimètres et est propulsé à des vitesses remarquables. Des essais effectués en Allemagne et au Japon indiquent que ces trains peuvent conduire les passagers à plus de 300 kilomètres à l’heure. Les systèmes de transport à grande vitesse basés sur la lévitation magnétique ont des avantages à la fois économiques et écologiques sur les autres systèmes. Par exemple, ces trains ne possèdent pas d’organes moteurs qui peuvent s’user, ils consomment peu d’énergie, ne polluent pas et sont silencieux.

L’homme n’a encore fait qu’effleurer les possibilités du magnétisme. En apprenant à mieux connaître l’action de cette force dans notre univers, il devrait méditer sur la puissance de Jéhovah, qui en est le Créateur. “Grand est notre Seigneur et abondant en force”, lui qui a créé le magnétisme, cette force au service de l’homme! — Ps. 147:5; És. 40:26.

[Illustrations, page 19]

Dans les métaux non aimantés, les petits groupes d’atomes sont disposés avec leurs pôles magnétiques dirigés au hasard.

Quand un métal est aimanté, les groupes d’atomes s’alignent parallèlement les uns aux autres.

[Illustrations, page 20]

Le champ magnétique qui règne autour d’un fil parcouru par un courant électrique a la forme d’un anneau plat et n’a pas de pôle précis.

Quand le fil est enroulé sur lui-​même, le courant qui le parcourt produit un électro-aimant avec des pôles bien précis.

[Illustration, page 21]

On met au point des trains à grande vitesse qui “volent” au-dessus de voies spéciales par “lévitation magnétique”.