L’aimant flottant Fête de la science 28/03/2014 Florian LANGLOIS Martin JAOUEN

Introduction Lorsqu’on lâche une bille non magnétisée dans un tube de cuivre, cette bille descend le long du tube sans aucune résistance comme elle le ferait si on la jetait dans le vide. Lorsqu’on lance dans ce même tube une bille aimantée, on observe que celle-ci descend plus difficilement et lentement comme si une force invisible voulait empêcher sa descente. Problématique : Comment se fait-il, alors que le cuivre n’est pas un matériau ferromagnétique, que la bille soit ralentie dans sa descente ?

Quelques mots de vocabulaire Ferromagnétique : Un matériau est ferromagnétique lorsqu’il possède la propriété de devenir magnétique, c’est-à-dire de s’aimanter lorsqu’il est placé dans un champ magnétique. Un aimant est constitué d’un matériau ferromagnétique. Champ : espace dans lequel règnent des forces.

Qu’est-ce qu’un aimant ? Un aimant est un matériau développant naturellement un champ magnétique et capable d'attirer du fer, du nickel, du cobalt, du chrome. Il possède un pôle Nord et un pôle Sud. Les pôles de même nature se repoussent, ceux de natures différentes s'attirent. Le pôle Nord d’un aimant est conventionnellement représenté en rouge. Un aimant possède un champ magnétique représenté par un vecteur B allant du pôle Sud vers le pôle Nord à l’intérieur d’un aimant droit.

Si on verse de la limaille de fer sur une plaque de verre recouvrant un amant droit, on voit se dessiner les lignes de champ de l’aimant

Courant induit dans un circuit électrique Lorsqu’on approche un aimant d’une bobine connectée sur un galvanomètre G, on détecte un courant électrique induit créé dans la bobine . Le sens de ce courant (I) dépend de la façon dont on déplace l’aimant : -si on approche le pôle nord suivant l’axe, le courant est dans le sens représenté sur la figure : il génère lui-même un champ magnétique b induit qui tend à s’opposer au champ magnétique B. -si on recule le pôle nord , I s’inverse   -si on approche le pôle sud , cela a le même effet que si on recule le pôle nord. Dans tous ces cas, on vérifie que I crée un champ b qui s’oppose à la variation du champ magnétique que tend à provoquer le déplacement de l’aimant , au sein de la bobine .

Pourquoi a-t-on choisi le tube en cuivre ? Le tube a été choisi en cuivre car la force qui retient l’aimant est une force électromagnétique qui s’applique seulement sur un matériau conducteur comme le cuivre (car un courant doit circuler dans le tube d’où l’utilisation d’un conducteur). De plus, comme expliqué précédemment, celui-ci n’est pas aimanté. Donc le freinage de l'aimant dans le tube n'est en aucun cas dû à une quelconque attraction magnétique entre l'aimant et le tube en lui-même. L’aimant est le seul objet qui génère un champ magnétique permanent. Le courant de Foucault est le courant électrique induit créé dans une section du tube de cuivre traversée par l’aimant.

L’aimant en chute possède un champ magnétique primaire (lignes de champ rouges). Le déplacement de l’aimant dans le tube va générer un courant électrique induit (courant qui par ses effets va s’opposer à la cause qui lui a donné naissance) appelé courant de Foucault. Ensuite, comme dans la diapo numéro 6, ce courant induit crée un champ magnétique secondaire qui, par ses effets, va s’opposer à la chute de l’aimant.

Pour connaitre le sens du champ magnétique secondaire développé dans le tube, on enroule les doigts de la main droite dans le sens du courant. La direction du pouce donne alors le sens du champ magnétique b induit.

Explications Sur le schéma de gauche, les lignes noires sont les lignes de champ de l’aimant et les lignes rouges représentent les courants de Foucault circulant dans deux sections du tube de cuivre (en aval et en amont de l’aimant). Le vecteur v est le vecteur vitesse de l’aimant en chute verticale dans le tube en cuivre. A droite, on a schématisé les deux « aimants invisibles » qui représentent les champs magnétiques secondaires générés par les courants de Foucault. Les vecteurs force f indiquent l’effet de ces champs magnétiques secondaires sur l’aimant.

Ces forces s’opposent à la chute de l’aimant mais leur intensité est insuffisante pour s’opposer entièrement au poids de l’aimant, ce qui explique que celui-ci chute quand même. Lorsque la force de freinage compense le poids de l’aimant, tout se passe comme s’il n’était soumis à aucune force, n’accélère plus et poursuit son mouvement en ligne droite à vitesse constante.

Conclusion La bille est ralentie dans sa descente à cause des deux aimants invisibles créés grâce à l’interaction entre un solide magnétique et un tube constitué de matériau conducteur, ici l’aimant et le tube en cuivre. Ces aimants invisibles s’opposent à la descente de l’aimant et le font donc ralentir dans sa chute.