(n°368), p22 - Palais de la découverte

22 \ DÉCOUVERTE N° 368 \ MAI-JUIN 2010

Les étincelles jaillissent dans un vacarme sous 1,5 million
de volts délivrés par le résonateur Tesla du Palais
de la découverte. © Palais de la découverte.
Matière & Énergie
L’ÉLECTROMAGNÉTISME
AU PALAIS
DE LA DÉCOUVERTE
Les b.a.-ba de l’électromagnétisme, établis il y a près de deux cents ans,
ne sont toujours pas connus de la majorité du public, malgré les années scolaires. Le Palais
de la découverte apporte une offre unique au monde pour un établissement
de vulgarisation scientifique : la possibilité de redécouvrir ces expériences spectaculaires
et simples à comprendre.
PAR KAMIL FADEL, RESPONSABLE DU DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE DU PALAIS DE LA DÉCOUVERTE
Jusqu’à l’invention de la pile
par l’Italien Alessandro Volta
(1745-1827 ; fig. 1a) en 1800, les
recherches scientifiques en électricité
concernent surtout les
phénomènes électrostatiques. Le
courant électrique, débité par la pile,
ouvre un nouveau chapitre de recherches
pour les scientifiques. C’est justement
en expérimentant avec ce courant
que le Danois Hans-Christian Œrsted
(1777-1851 ; fig. 1b) établit en 1820 un
« pont » entre électricité et magnétisme,
inaugurant ainsi la science de l’électro-
magnétisme dont André-Marie Ampère
(1775-1836 ; fig. 1c) élabore la théorie.
Malgré son génie, ce dernier passe
à côté d’une grande découverte que l’on
doit au Britannique Michael Faraday
(1791-1867 ; fig. 1d) : la mise en évidence
en 1831 du phénomène d’« induction
électromagnétique » où un courant
électrique est engendré sans pile,
à partir d’un champ magnétique.
Vingt trois ans plus tard, Léon Foucault
(1819-1868 ; fig. 1e), célèbre pour son
Figure 1a. Alessandro Volta (1745-1827) et sa pile. Figure 1b. Hans-Christian Œrsted (1777-1851) et son assistant découvrent
l’électromagnétisme. Figure 1c. André-Marie Ampère (1745-1827). Figure 1d. Michael Faraday (1791-1867) tenant un aimant.
Figure 1e. Léon Foucault (1819-1868). De gauche à droite © Palais de la découverte .
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a) b) c)
-
Sens du courant
+
Sens de migration des électrons
- Pile +
Figure 2a. Représentation de l’atome avec le noyau entouré d’électrons. Figure 2b. Mouvement d’un électron libre dans un métal.
Figure 2c. À l’agitation électronique de la figure 2b, se superpose un mouvement de dérive dû à la tension appliquée par la pile.
De gauche à droite © M. Vergès.
expérience du pendule (1851), découvre
ce que l’on appelle aujourd’hui les
« courants de Foucault ». Ces courants
sont employés de nos jours dans de très
nombreuses applications, allant des
cuisinières à induction, au tri des
déchets, en passant par le freinage des
véhicules lourds…
LA MATIÈRE
La matière est faite de grains, les atomes.
On se représente chacun de ces derniers
comme constitué de trois autres particules
: des protons et des neutrons
rassemblés en un paquet, le noyau
atomique, autour duquel évoluent des
électrons (fig. 2a). Intéressons-nous à la
matière à l’état solide, par exemple à un
morceau de craie et à un morceau de
cuivre. D’un point de vue électrique, la
différence essentielle entre ces deux
matériaux réside dans le fait que dans le
cuivre certains électrons se « baladent »
d’un atome à un autre, alors que cela
n’est pas possible dans la craie : électriquement
parlant, le cuivre est un
conducteur comme tous les métaux,
alors que la craie est un isolant. Pour
fixer les idées, un gramme de cuivre est
constitué de 10 22 atomes de cuivre soit
dix mille milliards de milliards d’atomes.
Chacun de ces atomes possédant 29 électrons,
il y a 29.10 22 électrons dans un
gramme de cuivre. Tous ces électrons
n’ont pas le privilège de pouvoir voyager.
Grossièrement, chaque atome va laisser
libre seulement un de ses 29 électrons, si
bien que dans un morceau de cuivre, il y
a autant d’« électrons libres » qu’il y a
d’atomes de cuivre, soit 10 22 par gramme.
Examinons à présent de très près le
morceau de cuivre. À la manière des
atomes ou des molécules d’un gaz
confiné dans un ballon de baudruche, les
10 22 électrons libres contenus dans le
morceau sont en perpétuelle agitation et
effectuent un « mouvement brownien »,
parcourant des trajectoires en zigzag en
raison des innombrables collisions qu’ils
subissent contre les atomes qu’ils
rencontrent au hasard sur leur chemin
(fig. 2b). La vitesse moyenne d’agitation
des électrons libres à la température
ambiante est de l’ordre de 1 000 km/s et
la distance qu’un électron parcourt librement
entre deux collisions successives
ou « libre parcourt moyen » est de l’ordre
de 10 -7 mètre dans le cuivre, soit
0,1 millième de millimètre… Cette
distance, très petite à notre échelle, est
immense à l’échelle de l’électron, lequel
parcourt une distance égale à 1 000
diamètres atomiques entre deux collisions.
Le diamètre d’un atome étant
100 000 fois supérieur à la taille « classique
» de l’électron, ce dernier parcourt
entre deux collisions une distance égale
à 100 millions de fois son propre
diamètre… comme si une voiture de
4 mètres, roulant au hasard, entrait en
collision tous les 400 000 km ! La sécurité
routière ne s’en porterait que mieux.
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Matière & Énergie
Figure 3a. Fluctuations de tension aux bornes d’une résistance électrique à température ambiante.
Figure 3b. À –196°C les fluctuations sont plus faibles en raison d’une agitation électronique plus faible.
De gauche à droite © A. Dinca.
Pour mieux se représenter les choses,
imaginons à présent un fil de cuivre et
concentrons notre pensée sur une
section de ce fil. À chaque instant, autant
d’électrons traversent par hasard cette
section dans un sens que d’autres le font
en sens opposé, si bien que ces deux flux
se compensent « tout juste » à de toutes
petites fluctuations instantanées près
dont on conçoit aisément l’existence. Ces
dernières sont négligeables mais néanmoins
mesurables (fig. 3a et 3b). Par
seconde, il y a autant de fluctuations en
faveur d’un sens que d’autres en faveur
du sens opposé, si bien qu’en moyenne,
le flux net d’électrons est nul : le courant
électrique est nul.
LE COURANT ÉLECTRIQUE
Connectons à présent l’extrémité gauche
du fil à la borne négative d’une pile et l’extrémité
droite à la borne positive : nous
observerons alors qu’il y a davantage
d’électrons qui traversent la section de
gauche à droite que d’électrons qui le font
de droite à gauche : l’intensité du courant
électrique n’est plus nulle. Si ce déséquilibre
de flux à travers la section correspond
à 6,25.10 18 électrons par seconde,
c’est que l’intensité du courant vaut un
Ampère. Pour des raisons historiques, le
sens que l’on assigne au courant n’est pas
celui dans lequel migrent les électrons
mais le sens opposé (fig. 2c). Compte tenu
du nombre extrêmement élevé d’électrons
présents dans chaque millimètre cube de
cuivre, pour évacuer 6,25.10 18 d’entre eux
en une seconde – correspondant à un
Ampère - il suffit que la vitesse avec
laquelle les électrons migrent de gauche à
droite soit de 0,06 millimètre par seconde,
soit 20 centimètres par heure, si la section
du fil vaut un millimètre carré. Ainsi,
la vitesse de migration des électrons,
ou « vitesse de dérive », proportionnelle à
la tension (au voltage), est généralement
C’est en 1820 que le Danois
H.-C. Œrsted découvre ce qu’il
cherchait à mettre en évidence
depuis plusieurs années : un lien
entre électricité et magnétisme.
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a)
b)
Sens du courant
Figure 4a. Orientation des petites boussoles en l’absence de courant dans le bobinage. © A. Masson. Figure 4b. Orientation des boussoles
lorsque le bobinage est traversé pas un courant ; la flèche indique le sens du courant. Avec un courant en sens opposé, les boussoles
s’orienteraient en sens opposé. © A. Masson.
très faible. Bien entendu, il ne faut pas
confondre cette vitesse de dérive avec
la vitesse d’agitation qui, elle, est extrêmement
élevée : cela reviendrait à
imaginer un nuage de moucherons où
chacun des moucherons virevolte à
une vitesse de 1 mètre par seconde,
le « gaz » de moucherons — correspon-
dant au courant — avançant lui-même de
1 mètre en 100 000 ans... Le signal électrique,
quant à lui, voyage à environ
300 000 km/s.
ÉLECTROMAGNÉTISME
Volta invente la pile en 1800. À partir de
cette date, les physiciens sont capables
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Matière & Énergie
a)
Sens du
courant
Attraction
b)
Sens du
courant
Répulsion
Figure 5. C’est
dans les années
1820 que l’on
découvre que
deux courants
électriques de
même sens
s’attirent (5a),
alors qu’ils se
repoussent si
leurs sens sont
opposés (5b).
© M. Vergès.
a) b)
Figure 6. Deux bobinages suspendus non parcourus par un courant (a). Les mêmes bobinages parcourus par
deux courants de même sens (b). © A. Masson.
d’expérimenter avec le courant électrique.
Bien sûr, ce n’est que très tardivement, au
début du XX e siècle, que la nature microscopique
du courant électrique – telle que
nous l’avons présentée – est établie. De
1800 à 1900, période durant laquelle les
fondements de l’électromagnétisme sont
mis sur pied, l’existence des électrons est
inconnue. En 1820, le Danois H.-C. Œrsted
découvre enfin ce qu’il cherchait à mettre
en évidence depuis des années par
conviction personnelle et philosophique :
un lien entre électricité et magnétisme.
Il constate en effet que le branchement
des deux extrémités d’un fil électrique
aux deux bornes d’une pile s’accompagne
de la perturbation d’une aiguille
de boussole placée non loin du fil
parcouru par le courant (fig. 4a, 4b). Une
boussole étant perturbée par le champ
magnétique d’un aimant, cela laissait
supposer qu’un tel champ accompagne
non seulement les aimants, mais également
le courant électrique. En fait, bien
que l’expérience ait été réalisée par
H.-C. Œrsted, c’est A.-M. Ampère qui
comprend que la propriété magnétique
appartient au « courant électrique » luimême
(et non au fil parcouru par le
courant), en un mot qu’il existe un électromagnétisme,
le sens du champ magnétique
dépendant du sens du courant
(fig. 4b).
ÉLECTRODYNAMIQUE
Une semaine après la réception à Paris de
la nouvelle de la découverte de
H.-C. Œrsted, A.-M. Ampère montre que
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Bobine
enroulée
sur son
support
en bois
Anneau
de cuivre
mobile
suspendu
+ -
Pile
Figure 7. Une découverte manquée. Après établissement du contact avec la pile, un courant
permanent traverse la bobine. Ampère et de la Rive espèrent que ce courant en induira un second
dans l’anneau en cuivre. Un courant induit apparaît effectivement, mais de manière instantanée et non
permanente comment l’espèrent les deux physiciens. Cela se traduit par une très brève répulsion de
l’anneau par la bobine. La brièveté de la répulsion fait croire à tort aux physiciens qu’il s’agit d’un effet
parasite et non du phénomène d’induction recherché ! © M. Vergès.
les courants électriques exercent entre
eux des forces attractives ou répulsives
selon leurs sens, très différentes de celles
en oeuvre en électrostatique : deux
courants électriques de même sens s’attirent
(fig. 5 et 6), tandis que deux
courants en sens opposés se repoussent
via leurs champs magnétiques. C’est la
naissance de l’électrodynamique.
INDUCTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE
Très vite, disent les physiciens, puisqu’un
effet « électro-magnétique » existe, n’y
aurait-il pas un effet inverse magnétoélectrique
? En clair, puisqu’un courant
électrique donne naissance à un champ
magnétique, un champ magnétique ne
pourrait-il pas donner naissance à un
courant électrique ? On tente ainsi d’engendrer
un courant électrique à l’aide d’un
champ magnétique. Comme ce dernier
peut lui-même résulter d’un courant électrique,
les physiciens cherchent à engendrer
à partir du champ magnétique d’un
courant dans un circuit, un deuxième
courant électrique dans un autre circuit.
En 1820, A.-M. Ampère et Augustin Fresnel
(1788-1827) annoncent chacun avoir réussi
à induire un courant électrique à l’aide
d’un champ magnétique ! Peu après, ils se
rétractent en annonçant qu’il s’agissait
d’une erreur. En 1822, A.-M. Ampère et
Auguste de la Rive (1801-1873) obtiennent
par induction un courant secondaire à
partir d’un courant primaire (fig. 7), mais
ne comprennent pas qu’ils venaient de
découvrir ce qu’ils cherchaient : ils abandonnent,
A.-M. Ampère se désintéresse
même quelque peu du sujet ! Il s’agit là
d’un épisode de l’histoire des sciences qui
mériterait à lui seul un article entier… Les
années passent et les courants secondaires
induits sont obtenus à plusieurs
reprises : les auteurs passent comme
A.-M. Ampère et A. de la Rive à côté de
leur propre découverte. Finalement,
c’est M. Faraday qui en 1831 découvre et
comprend qu’il a enfin trouvé ce que
tout le monde cherchait et ce que
A.-M. Ampère avait même observé en
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Matière & Énergie
a) b) c)
Figure 8.Le montage est constitué d’un bobinage relié à un galvanomètre et d’un aimant que l’on peut
déplacer (a). Un courant prend naissance dans le bobinage lorsque l’on approche (b) ou l’on éloigne
l’aimant (c). Le sens du courant serait inversé avec un aimant de polarité inverse : approcher un pôle
Nord revient à éloigner un pôle Sud. © A. Masson.
1822 : l’induction électromagnétique.
Reproduisons ici un extrait d’une lettre
que A.-M. Ampère adresse à A. de la Rive
en novembre 1833, à propos de
M. Faraday : vous avez pu voir dans son
dernier ouvrage qu'il reconnaît complètement la
réalité de l'expérience sur laquelle il avait cru
pouvoir jeter des doutes et par laquelle nous
avons constaté, en 1822, la production des
courants électriques par influence : expériences
répétées depuis plusieurs fois en public dans
mes cours au Collège de France bien avant
l'admirable travail fait sur ce sujet par l'illustre
physicien anglais. C'est lui qui a découvert
que le courant produit par influence a lieu
en sens opposé à celui du courant qui lui donne
naissance, qu'il est instantané et que, quand
l'action cesse, il y a un nouveau courant par
influence qui est, au contraire, dans le même
sens que le courant que l'on vient d'éloigner
ou d'anéantir. C'est là, certes, une des plus
belles découvertes sur les phénomènes
d'électro-dynamique ; mais ce n'est pas
M. Faraday qui est l'auteur du fait même de la
L’induction d’un courant électrique
tant recherchée et même obtenue à
plusieurs reprises dans les années
1820 est finalement découverte par
Michael Faraday en 1831.
DÉCOUVERTE N° 368 \ MAI-JUIN 2010 \ 29

Figure 9. Expérience du plateau volant. Un
plateau en aluminium de 1 kg reste en lévitation
au-dessus d’un bobinage parcouru par un
courant alternatif très intense. Une manière
saisissante de « voir » les forces
électromagnétiques en œuvre. Ici, elles
s’exercent de manière répulsive entre les deux
courants très intenses de 1 000 et 5 000 ampères
qui parcourent respectivement le bobinage et le
plateau. © A. Masson.
Figure 10. Forces électromagnétiques en jeu
dans le cadre de l’interaction d’un aimant et
d’un supraconducteur refroidi dans de l’azote
liquide à –196°C. Expérience présentée en salle
Matière et magnétisme.
© Palais de la découverte / K. Fadel.
Figure 11. Parcouru par les courants de Foucault,
le plateau volant chauffe à plusieurs centaines
de degrés. Les casseroles des cuisinières à
induction chauffent également essentiellement
grâce à des courants de Foucault qui prennent
naissance en leur sein. Cependant, la physique
du chauffage dans le cas des cuisinières est plus
complexe en raison du fond aimantable des
casseroles, par opposition au plateau en
aluminium (non ferromagnétique).
© Palais de la découverte / C. Rousselin.
production du courant par influence, puisque
nous avions obtenu ce courant en 1822.
SENS DU COURANT INDUIT
Le courant induit dans le circuit secondaire
apparaît lorsque le champ magnétique
à travers le circuit varie. Si ce champ
est issu d’un aimant, afin de provoquer la
variation, il suffit d’approcher ou d’éloigner
l’aimant du circuit (fig. 8a, 8b et 8c).
Si le champ magnétique inducteur est
issu d’un courant primaire dans un
circuit maintenu immobile, il suffit que ce
courant varie. En particulier, un courant
induit apparaît momentanément dans le
circuit secondaire, lorsque le courant
primaire est établi ou coupé. C’est ce
caractère momentané sur lequel insiste
A.-M. Ampère dans sa lettre à A. de la Rive
qui était inattendu pour les physiciens
des années 1820 : on cherchait à déceler
un courant induit permanent… Quoi qu’il
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Matière & Énergie
en soit, le courant induit circule toujours
dans le sens tel que par son champ, il
s’oppose à la variation du champ qui lui
donne naissance (fig. 9 et 10). En clair, si le
champ augmente parce que l’on
approche un aimant du circuit, le courant
induit apparaît et circule dans le sens tel
qu’il s’oppose via son champ à l’augmentation
du champ et donc à l’approche
de l’aimant ; on assiste donc à une répulsion.
Si au contraire le champ diminue,
on observe une attraction qui s’oppose
à l’éloignement. Ces faits sont bien
illustrés dans les expériences proposées
par Hassan Khlifi (voir Glissement en
douceur p. 32).
LES COURANTS DE FOUCAULT
Lorsque les courants induits ne prennent
pas naissance dans un fil élec-
trique mais dans un feuillet métallique
ou dans le corps d’un bloc métallique
de sorte qu’il ne soit pas possible de
bien les localiser, on donne à ces
courants induits le nom de courants de
Foucault. Les plaques à induction des
cuisinières sont alimentées avec un
courant alternatif qui change de sens
quelques dizaines de milliers de fois
par seconde. Comme la casserole,
conductrice, plonge dans le champ
magnétique variable des courants
primaires, cela induit en son sein des
courants de Foucault qui l’échauffent.
De nombreuses expériences, certaines
en libre service, d’autres présentées lors
des exposés en électromagnétisme,
mettent en évidence de manière spectaculaire
les effets des courants de
Foucault (fig. 11). K. F.
Kamil Fadel
Après une formation en
biologie de l’évolution,
Kamil Fadel a poursuivi ses
études en physico-chimie
moléculaire, puis en histoire
des sciences. Entré au
Palais de la découverte
en 1989, il est actuellement
responsable du
département de physique.
Par ailleurs, il est l’auteur
de nombreux articles
(Sciences et Avenir, Clartés,
Atlas, Universalis) et d’un
livre d’expériences faciles
à réaliser destiné aux
animateurs des centres de
loisirs La physique amusante
aux éditions Weka.
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