METAUX REPODSSES PAR LES AIMANTS
Bismuth.
Cuivre.
Antimoine.
Or.
Zinc.
Arsenic,
Etain.
Rhodium.
Cadmium.
Iridium.
Sodium.
Tungstène
MiMcure.
Lithium.
Plomlj.
Glucinium
Aisent.
Phé.nomèises GÉi>'ÉR.\uv. Uiio petite balle de fer A (ùg. 1) étant suspendue à un i fil très-flexible, présentons-la successivement aux divers points de la surface d'un barreau aimanté. Bien que la distance entre l'aimant et ce pendule magnétique | soit conservée la même dans tous les cas, la déviation de la balle A éprouve des' variations très-considérables. Dans la section MN perpendiculaire au miheu de l'axe de fi<Ture PP', l'action attractive est nulle. A partir de celte position, li
DICT. ENC. 2* s. m.
balle est d'autant plus fortement attirée, et d'autant plus écartée de sa position primitive, qu'elle est présentée à une région du barreau plus rapprochée de ses^ extrémités.
Le même fait peut être démontré eu roulant un barreaii aimanté dans la
limaille de fer (fig. 2), ou mieux encore (fig. 5) eu recouvrant un aimant d'une feuille mince de carton à laquelle on imprime de légers chocs, pendant qu'à l'aide d'un tamis on fiiit tomber de la limaille de ter sur sa snrface. La disposition affectée .par les brins de limaille prouve que la section moijenne MN est sans action, et que, vers les extrémités du barreau, il existe deux points P, P', situés sur l'axe de figure, qui sont des centres de plus forteattraction.
La section moyenne sans action prend le nom de ligne neutre, et les centres d'attraction P,P' sont appelés les ;)o/es du barreau. Tout aimant, naturel ou artificiel, possède au moins deux pôles. Quand l'aimantation est régulière, l'aimant n'a que deux pôles situés sur son axe de figure et dans le voisinage de ses extrémités. Quand les minerais de fer ou les barreaux d'acier ont plus de deux pôles, on dit qu'ils sont irrégulièrement aimantés, ou qu'ils ont des points conséquents^ Dans tous les cas, deux pôles consécutifs sont séparés par une ligne neutre ou sans action.
Au moyen d'une chape de papier C (fig. 4) soutenue par un fil de soie sans torsion, on suspend horizontalement un barreau aimanté. Le système entre en mouvement sous l'influence de la terre; après un certain nombre d'oscillations, le barreau s'arrête dans une position telle, que son
Fig. 2.
Fig.î
axe se dirige du sud au nord. Quand on soumet plusieurs fois de suite le même barreau à cette épreuve, on constate qu'il prend toujours la même position, et
que toujours la même extrémité se tourne vers le nord. Plusieurs barreaux suspendus de la même manière, et à une certaine distance les uns des autres, se placent dans des directions parallèles.
On appelle méridien inagnétiqiie le plan vertical qui passe par l'axe du barreau librement suspendu, lorsqu'il est arrêté dans sa position d'équilibre. Le méridien magnétique ne coïncide pas avec le méridien terrestre ; l'angle compris entre ces deux plans verticaux, dans une station déterminée, prend le nom de déclinaison. La déclinaison est dite occidentale ou orientale, suivaut que la moitié du barreau, tourné vers le nord, est placée à Voccident ou à Varient du méridien terrestre. La déclinaison change de valeur et même de sens suivant les lieux d'observation ;
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Fig. 3.
Fig. 6.
elle éprouve en outre des variations continuelles dans un même point de la surface du "lobe. A Paris, la déclinaison est occidentale; elle s'élevait, en octobre 1864, à 18°— 57',7.
On appelle pôle nord l'extrémité de l'aimant qui, sous l'influence de l'action terrestre, se tourne vers le nord; l'exlrémité opposée est désignée sous le nom do mie sud. Lorsque des pôles d'un barreau aimanté, librement suspendu à un fil sans torsion, on approche successivement les pôles d'un autre barreau, l'aimant mobile s'écarte du plan du méridien magnétique; le sens dans lequel il se déplace, dans chaque cas, prouve que les pôles de même nom se repoussent, tandis que les pôles de noms contraires saturent.
Au-dessous d'un barreau M' suspendu à un fil de soie sans torsion, plaçons (fig. 5) un fort barreau M dans luie orientation quelconque. Le premier tourne dans un plan horizontal et, après quelques oscillations, se iixedans une direction telle, que les axes des deux barreaux sont parallèles en mèuie temps que leurs pôles de noms contraires sont placés du même côté du fil suspeuseur, au-dessus l'un de l'autre. Cette expérience démontre que la terre agit sur un barreau mobile, h la manière d'un aimant fixe. Le globe terrestre pe\it donc être considéré connue un vaste aimant dont les pôles magnétiques seraient placés, l'un dans sou hémisphère austral, l'autre dans son hémisphère boréal. Les deux hémisphères de la terre se trouvent ainsi assimilés aux deux moitiés d'un barreau aimanté; l'Iiémisphère horéal jouissant des propriétés magnétiques du pôle sud, et l'hémisphère austral exerçant la même action que le pôle nord d'im aimant naturel ou
artificiel.
Dans les expériences précédentes, le barreau suspendu a un fil de soie sans torsion peut êire remplacé (fig. 6) par une aiçiuilk aimantée portée sur une pointe
mélallique au moyen d'une chape d'agate M placée en son centre de figure. L'aiguille peut tourner librement dans un plan horizontal. Quand on l'abandonne à elle-même, elle exécute des oscillations sous l'uifluence de l'action lerrestre, puis s'arrête finalement dans une position telle, que la ligne des pôles, qui coïncide avec son axe de figure, est contenue dans le méridien magnétique du lieu. Cette aiguille prend le nom d'aiguille de déclinaison ; pour qu'elle se maintienne horizonlale, il faut donner un excès de poids à sa moitié sud^ afin de con!,re-balancer l'action de la terre qui tend à abaisser l'extrémité nord au-dessous de ^'horizon.
Action d'un barreau aimanté sur le fer doux. En face du pôle nord d'un barreau aimanté, plaçons (fig. 7) un prisme allongé de fer doux qui ne présente aucune trace d'aimantation ; sous l'influence du barreau, le prisme de fer doux acquiert la propriété d'attirer la limaille de fer; il devient lui-même un véritable aimant avec ses deux pôles et sa ligyie neutre. Dans ce prisme de fer doux aimanté par inlluence, les pôles sont disposés en sens inverse de ceux du bancau; la licjne neutre, au lieu d'occuper la partie médiane, se Irouve rapprochée de
l'extrémité qui regarde le barreau. Cette aimantation ou polarisation par influence n'est que temporaire; elle disparaît complètement au moment même où le prisme et le barreau sont éloignés l'un de l'autre. Les phénomènes sont les mêmes lorsque le prisme de fer doux (dg. 8) reste suspendu, par attraction, à l'un des pôles du barreau aimanté.
Cette aimantation temporaire par inlluence des prismes de fer doux peut être mise en évidence d'une autre manière. Au pôle nord d'un fort barreau on suspend (fig. 9) un premier prisme de fer doux qui devient lui-même un aimant capable de supporter un deuxième prisme. A son tour, ce deuxième prisme est aimanté par influence, peut en supporter un troisième, et ainsi de suite. Dans cette chaîne magnétique, les prismes aimantés par influence se touchent toujours «ar leurs pôles de noms contraires, et l'action s'affaiblit à mesure qu'on s'éloigne iu barreau aimanté. Mais l'aimantation de tous ces prismes de fer doux n est jamais que temporaire; si l'on détache, en effet, le barreau du premier prisme, toute trace àe polarisation! disparaît de ces prismes qui se séparent immédiatement les uns des autres.
Nous avons vu qu'un prisme de fer doux, présenté au pôle nord d'un barreau, «ilevient lui-même, par inlluence, un véritable aimant. Les pôles de noms contraires, en présence, s'attirent mutuellement, et le fer doux reste suspenJu contre î'action de la pesanteur. Les choses étant ainsi disposées, si l'on rapproche (fig. 10) le pôle sud d'un second barreau, toute adhérence magnétique cesse, le prfcsme de fer doux se détache et tombe. Dans cette expérience le second barreau Icttd à développer, dans le prisme de fer doux, une aimantation de polarisation contraire à celle qu'a déterminée le premier barreau. Dès lors, le fer doux, soumis
à deux influences contraires et sensiblement égales, reprend, à très-peu près, SOI! état naturel; il se détaclie spontanément du barreau et tombe, parce que les traces de polarisollon qu'il conserve ne sont pas suffisantes pour déterminer une adliérencc capable de faire équilibre à son propre poids.
Pour compléter cette étude empirique des propriétés des barreaux aimantés, nous devons ajouter les deux faits suivants :
1« Quand on casse un barreau aimanté, cbacun des fragments, quel que soit (l'adleurs leur nombre, forme un aimant complet avec ses deux pôles contraires fit sa ligne neutre;
2" L'aimanlalion développée par intluence, dans un morceau de fer doux, est d'autant plus f uble que la distance à laquelle agit le barreau aimanté est elleiiîèrae plus grande.
Des faits précédents il résulte (jue l'action d'un pôle magnétique sur une série de cylindres de fer doux maintenus dans son voisinage, ressemble beaucoup à
Fis. 9.
Fig. 10.
celle d'une splièie électrisée sur une série de conducteurs isolés. Sous l'influence du pôle magnétique, les cylindres de fer doux se polarisent, et cette polarisation persiste tant que dure l'influence. De même, les extrémités des conducteurs isolés placés dans le voisinage d'une spbère électrisée, prennent des tensions de sens contiaires; cette polarité persiste aussi longtemps que l'influence de la spbère et disparait complètement quand la spbère est éloignée ou déchargée. Cependant il existe nue grande différence entre le pôle m;ignétique et la sphère électrisée. Le contact du fer doux, eu efièt, n'affaiblit nullement l'intensité du pôle magnétique; le magnétisme, quelle que soit sa nature, ne peut pas, au contact apparent, passer du barr. au aimanté au cylindre de fer doux. Quand, au contraire, on touche une sphère électrisée avec un conducteur isolé, une partie de l'électricité de la sphère se répand sur le conducteur, et la tension électrique de la spbère est affaiblie.
Action d'un pôle magnétique sur l'acier. La limaille d'acier obéit à l'action des pôles magnétiques; elle est cependant moins fortement attiiée que la limaille de fer doux. Quand on présente un cylindre d'acier au pôle d'un aimant, d'abord l'adhérence ne se prononce pas et le cylindi c d'acier tombe dès qu'on l'abonne à lui-même; mais, si l'on maintient le contact pendant quelques minutes, l'acier se polarise comme un morceau de fer doux et adhère fortement au barreau aimanté. Puis, quand on détache ce cylindre et qu'on éloigne le barreau pour le soustraire à son influence, on constate que l'acier conserve son état polaire; il est devenu lui-même un aimaiitpermanent. Au point de vue de l'influence exercée sur ces corps
par un pôle magnétique, il existe doue deux diffcieuces importantes entre le fer doux et l'acier:
1" Au voisinage et au contact d'un pôle magnétique, le fer doux s'aimante, se polarise instantanément ; l'acier se polarise lentement et n'atteint que graduellement son maximum d'aimantation;
2° Le fer doux éloigné du pôle magnétique perd instantanément son aimantation; l'acier, au contraire, conserve sa polarisation et resfe un aimant permanent, quand on le soustrait à l'intluence du pôle magnétique.
On appelle force coercitive cette résistance que l'acier oppose au développement de la polarisation magnétique. Le même nom de force coercitive sert à désigner la résistance que l'acier opi-ose à la destruction de la polarisation magnétique, une fois qu'elle s'est développée eu lui sous l'influence d'une cause quelconque. Par différents degrés de trempe ou de recuit, on peut, à volonté, modifier l'intensité de la force coercitive de l'acier. Plus la trempe est dure, plus la force coercitive est considérable. Les barreaux les plus fortement trempés sont donc, à la fois, ceux daus lesquels la polarisation magnétique se développe le plus difficilement et le plus lentement, et ceux qui peuvent acquérir et conserver, d'une manière permanente, la polarisation la plus puissante.
On dit qu'un barreau d'acier est aimanté à saturation, quand ses pôles magnétiques ont acquis le maximum d'énergie compatible avec l'intensité de sa force coercitive.
Hypothèse des dflx fluides magnétiques. Les analogies des faits précédents et des phénomènes électriques sont assez nombreuses pour expliquer comment les physiciens ont été conduits à admettre l'existence de deux fluides magnétiques qui, comme les deux électricités, s'attirent mutuellement, et repoussent leurs propres molécules. Chacun de ces fluides piend le nom de l'hémisphère terrestre dans lequel son action est prédominante : l'un s'appelle le fluide boréal, et l'autre le fluide austral. On admet que tout corps magnétique, ou susceptible d'être mis en état de polarisation magnétique, contient des quantités égales des deux fluides uniformément répandues sur chacune de ses molécules. Dans ■cet état, les fluides ne révèlent leur présence par aucun phénomène extérieur, parce qu'en un point quelconque du coips, leurs actions se neutralisent mutuellement. Mais, du moment que les fluides sont séparés, les propriétés magnétiques .apparaissent, et le corps devient un aimant temporaire ou permanent. D'ailleurs, les fluides magnétiques ne psuvcnt ni se transporter d'un corps à un autre, ni passer d'une molécule à une molécule contiguë d'un même corps. La séparation des deux fluides ne peut donc s'effectuer que dans l'étendue de chacune des molécules constituantes des corps.
Cela posé, dans un aimant comme dans un corps magnétique à l'état naturel, chaque molécule doit contenir des quantités égales de ikiide boréal et de fluide austral; mais, dans un corps simplement magnétique, les deux iïuides existent à la fois et en quantités égales sur tous les points de chaque molécule, tandis que, dans l'aimant, les charges égales des deux fluides de noms contraires séparés sont localisées sur les extrémités opposées de chaque molécule. Dans une série de molécules parallèles à la ligne des pôles du barreau, les deux fluides affectent une disposition analogue à celle qui est représentée ligure H, et chaque particule du corps est elle-même un véritable aimant, avec sa ligne neutre et ses deux pôles.
Quelques considérations élémentaires nous aideront à comprendre le mode de
distribution des deux fluides magnétiques dans un barreau aimanté et la polarisation de ce barreau.
Dans une molécule d'acier M aimantée à saturation (fig. 42), les quantités a et h des fluides libres sont réglées par cette circonstance que leur attraction mutuelle est équilibrée par la force coercilive, qui seule les maintient séparées.
Deux molécules voisines M, M' (fig. 15) s'influencent mutuellement, de manière à augmenter la dose des fluides accumulés sur chacune d'elles. En effet, la répulsion mutuelle de a et de a' facilite la réunion des deux iluides en iM' et la contrarie en M ; à son tour, la répulsion réciproque de h et de h' facilite la réunion des deux fluides en M et la contrarie en M'. Comme, d'ailleurs, les fluides austral
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tig- II. Fig. 12. Fig. lô.
et boréal séparés sur les deux molécules sont égaux en quantité, ces deux ordres d'actions répulsives s'exerçant àdes distances égales, se neutralisent et restent sans influence sur l'aimantation finale de M et de M'. Il n'en est pas de même des attractions entre les fluides de noms contraires ; h et a' s'attirent mutuellement et leur action réciproque s'ajoute à celle de la force coercitive pour maintenir les fluides séparés en M et en M'. 11 est vrai que, d'un autre côté, a et b' s'attirent aussi et que cette attraction favorise la réunion des deux fluides en M et en M'; mais l'action réciproque du groupe [b, a') l'emporte sur celle du groupe {a, b'), parce qu'elle s'exerce à plus iaible distance. En résumé donc, la résultante des influences réciproques des deux fluides libres répandus sur deux molécules voisines tend à rendre leur aimantation plus énergique. Cette influence est, d'ailleurs, d'autant plus prononcée que les deux molécules considérées sont eUesmêmes plus rapprochées l'une de l'autre.
Il résuite nécessairement de laque, dans la série Hnéairede la figure 14, chaque molécule est influencée par toutes les autres, de manière à acquérir une charge
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SB. i *■ ^
N Fig. U.
de fluides libres supérieure à celle que la force coercitive seule peut tenir en équilibre. Bien que toutes ces influences soient concordantes, comme leur intensité varie en sens inverse de la distance à laquelle elles s'exercent, le degré d'aimantation définitive de chaque molécule doit dépendre du rang qu'elle occupe dans la série. En effet, la somme des distances d'une molécule déterminée à chacune des autres molécules de la série est évidemment moindre pour la molécule de la ligne médiane MX que pour toutes les autres; de plus cette somme de distances augmente à mesure que le rang occupé par la molécule con-
sidérée s'éloigne de la ligne médiane MN et. se rapproche de l'une des extrémités de la série ; enfin cette somme de distances est la même pour deux molécules placées symétriquement à droite et à gauche de cette ligne médiane MN. D'où nous sommes autorisé à conclure que :
Dans cette série linéaire de molécules aimantées s'iufluençant mutuellement, lorsque l'équilibre est établi, chacune d'elles contient une même quantité de fluide austral et de fluide boréal libres; une molécule possède une charge magnétique d'autant plus iorte qu'elle est elle-même plus éloignée des extrémités et plus rapprochée de la ligne médiane MiN ; enfin deux molécules symétriquement placées à droite et à gauche de la ligne médiane MN ont un même degré d'aimantation.
Cela posé, dans la moitié A de la série linéaire, prenons deux molécules coutiguës quelconques R, S. Sur les faces par lesquelles ces molécules se regardent, elles contiennent : la première du fluide austral, la seconde du fluide boréal à l'état libre; de plus, le fluide austral de U l'emporte nécessairement en quantité sur le fluide boréal de S, puisque U est plus rapprochée que S de la ligne médiane MN. Si nous prenons, dans h moitié B de la série, des molécules coutiguës quelconques R', S', le même raisonnement montre que le fluide boréal libre de R' l'emporte en quantité sur le fluide austral libre de S'. En comparant ainsi, deux à deux, les molécules de la série, nous tiouvons que le fluide austral libre domine dans la moitié A, tandis que le fluide boréal libre est prédominant dans la moitié B. 11 en résulte que l'action de la moitié A de la série sur un corps extérieur est celle du fluide austral, ou celle de Vhérnispiière austral de l'aimant terrestre, tandis que l'autre moitié B agit comme le fluide boréal, ou comme Yhémisphère boréal de la terre. Un barreau aimanté n'étant que la réunion de séries parallèles de molécules aimantées, ses propriétés se déduisent directement de ce mode de distribution des deux fluides libres.
Nous verrons plus loin que les pôles d'un barreau aimanté sont situés dans son intérieur et à une certaine distance de ses e.xtréraités. Il devait en être ainsi, car chacun de ces centres d action n'esl en réuMlé que \epoi)it d'application de la résultante de toutes les actions concordantes de la moitié correspondante du barrerai.
La polarité d'un aimant résultant de la distribution inégale des fluides libres entre les diverses molécules, et cette distribution dépendant elle-même des actions réciproques de ses molécules, chacun des i'ragments d'un barreau brisé doit devenir le siège d influences magnétiques intérieures qui lui créent deux pôles séparés par une ligne neutre, et le transforment, comme l'expénence le démontre, en un nouvel aimant.
De ce que l'expérience nous a appris de l'action de la terre sur un barreau aimanté et de l'influence réciproque de deux aimants, il résulte que l'extrémité du barreau qui se tourne vers le nord doit être chargée de fluide austral, et que le fluide boréal doit prédominer dans l'extrémité tournée vers le sud. Au lieu de conserver aux pôles d'un aimant des noms qui rappellent tout simplement le tait expérimental de leur mode d'orientation sous l'influence de la terre, on a préféré leur imposer des dénominations qui indiquent la nature des fluides libres auxquels ils sont supposés devoir leurs propriétés. On appelle donc pôle austral le pôle du barreau qui se tourne vers le nord, et pôle boréal celui qui regarde le sud.
Lois DES ACTIONS MAGNÉTIQUES. L'actton de la terre est purement directrice.
Lorsqu'on suspend un barreau aimanté par son centre ae gravité à un fil de soie sans torsion, il se place dans le plan du méridien magnétique, et le fil suspenseur conserve la direction verticale. Un barreau aimanté, porté sur l'eau au moyen d'un flotteur de liège, tourne sur son centre de gravité et se place dans le méridien magnétique ; mais, une fois qu'd a atteint cette position, il n'exécute aucun mouvement de glissement k la surface du liquide. Enfui, l'expérience démontre que, quel que soit le degré d'aimantation qu'on lui communique, un barreau d'acier trempé conserve, après l'opération, le même poids qu'il avait avant.
La force en vertu de laquelle la terre agit sur un bai'reau aimanté n'a donc ni composante verticale, ni comjiosante horizontale, et ne peut communiquer à son centre de gravité aucun mouvement de translation dans l'espace. C'est une force directrice dont l'action se borne à faire tourner l'aimant sur son centre de gravité, jusqu'à ce que sonaxeaitatteiutune position déterminée d'équilibre stable.
La terre agit comme un vaste aimant dont les pôles magnétiques sont situés dans la profondeur du globe, l'un dans son lu'misijlière boréal, l'autre dans son
hémisphère austral. Soit M (fig. 15) un barreau aimanté posé liorizontalement sur une chape de papier suspendue à un fil de soie sans torsion. Le pôle horéal de la terre attire suivant a C le pôle austral du barreau et repousse suivant h C son pôle horcal; en même temps le pôle austral de la tcne agit sur les deux pôles du barreau, attire le boréal suivant b D, repousse Vaustral suivant a D'. En raison des faibles dimensions du barreau et de la très-grande distance qui le sépare des pôles magnétiques de la terre, les actions attractive et répulsive (a C, bC) du pôle borcal de la terre sont deux forces égales et parallèles; il en est de même des actions attractive et répulsive (bJ), aD') de son pôle austral; mais généialeinent les actions {aC, bC) du pôle boréal terrestre ne sont pas égales aux actions (6D, aD') du pôle austral. Le barreau est donc soumis à l'action de deux systèmes de forces, appliqués l'un eu a, l'autre en b, qui peuvent être remplacés par leurs résultantes oR, b?v ; ces deux résultantes sont nécessairement égales et parallèles. En définitive, rinfluencc du globe terrestre sur un barreau aimanté se réduit à l'action d'un couple de deux forces égales, parallèles et de sens contraires, de direction généralement inclinée sur l'horizon et dont les points d'application sont situés sur l'axe et près des extrémités du barreau.
'l-* MAGNÉTISME,
Ainsi sollicité, le barreau tourne sur son centre de gravité immobile dans l'espace et se fixe dans le plan du méridien magnétique.
En raison de son mode de suspension, le barreau de la figure 45 conserve toujours sa position horizontale. Mais il n'eu serait pas ainsi d'un barreau qui, au lieu d'être porté sur une chape, serait librement suspendu sur son centre de gravité; les pôles se placeraient l'un au-dessus, l'autre au-dessous du plan horizontal passant par sou centre de gravité, et son axe prendrait, dans le méridien magnétique, une direction parallèle à celle des deux forces l'ésultantes aïi, b R'. D^ins notre hémisphère boréal de la terre, c'est le pôle austral du barreau qui s'abaisse au-dessous de l'horizon; dans l'hémisphère austral, c'est au contraire le pôle boréal de l'aimant qui plonge vers la terre. Ou appelle inclinaison l'angle compris entre le plan horizontal mené par le centre de gravité du barreau et la partie de son axe située au-dessous de ce plan. En octobre 1864, cette inclinaison était à Paris de 66" — 3'.
Supposons une aiguille aimantée mobile autour d'un axe horizontal, perpendi" culaire à son axe de figure et passant par son centre de gravité. Les extrémités de cet axe horizontal, placées par deux supports, jouent le rôle de deux tourillons qui permettent à l'aiguille de tourner librement dans un plan vertical passant par son axe de figure, et l'empêchent d'exécuter tout autre mouvement. Cette aiguille, qu'on appelle aiguille d'inclinaison, quand elle est placée dans le plan du méridien magnétique, tourne jusqu'à ce que son axe de figure se confonde avec la direction des Ibrces résultantes aR, tR' du couple terrestre, son pôle austral abaissé au-dessous de l'horizon.
Force directrice de la terre. En raison des faibles dimensions du barreau aimanté et de l'éloignement des pôles magnétiques de la terre, la direction des composantes a R, bW du couple terrestre est évidemment indépendante de l'orientation du barreau ; quelle que soit la position de ce barreau autou"' de son centre de gravité, ces deux composantes égales et parallèles sont contenues dans un plan parallèle au méridien magnétique dans lequel elles tendent à ramener l'aimant. Chacune de ces composantes aR, 6R' peut être décomposée en une force verticale et une force horizontale parallèle au méridien magnétique. Les deux forces verticales résultant de cette décomposition sont égales, tendent à faire tourner le barreau, dans un plan vertical, autour de son centre de gravité; leur action est évidemment annulée par le mode de suspension. Le barreau ainsi porté sur une chape n'est donc en réalité soumis qu'à l'action d'un couple de deux forces horizontales, égales, parallèles au méridien magnétique, dont la direction fait en général un aiigle aigu vers l'axe du barreau, et dont ïintensité est, dans un lieu déterminé, indépendante de la position du barreau.
Ce couple de deux forces horizontales généralement inclinées sur l'axe du barreau peut lui-même être décomposé en deux autres couples situés dans un plan horizontal : un premier couple de deux forces égales, de sois contraires, agissant suivant le prolongement de l'axe et dont, par cela même, l'action se neutralise ; un second couple de deux forces horizontales, égales, de sens contraires, perpendiculaires à l'axe et seules efficaces pour faire tourner le barreau sur son centre de gravité et le ramener dans le plan du méridien magnétique. Ce dernier couple de forces horizontales ei perpendiculaires à l'axe du barreau représente la force directrice du globe; son intensité varie évidemment avec la position du barreau par rapport au méridien magnétique. Les lois de la décomposition des lorces indiquent, en effet, que cette force directrice horizontale et perpendicu-
laireà l'axe du barreau, variable avec l'angle compris entre cet axe et le mL-ritlii'U magnétique, est proportionnelle au sinus de cet angle d'écartement. Couloaib, dans ses belles reclierches sur les lois des attractions magnétiques, a vérifié expénmentalement l'exactitude de cette loi, au moyeu de la balance magnétique.
La balance magnétique (fig. 16) est construite d'après les mêmes principes que la balance de torsion décrite dans l'article consacré à l'histoire de l'électricité statique. Le fil métallique suspeuseur porte, à son extrémité inférieure, une cliape m de cuivre Irès-mince, à laquelle est attaché un volant n du même métal. Ce
Fig. 17.
Fiçr. 16.
volant plonge dans l'eau, sert à amortir les oscillations et iuite le moment où l'aiguille prend sa position d'équilibre. Sur la chape on place une aigudle ainuntée. Quand l'aiguille est dans le méridien magnétique, son axe doit être compris dans le plan vertical passant par le zéro de la graduation de la balance, et le fil suspeuseur ne doit éprouver aucune torsion. Si, alors, l'on tourne le tambour supérieur de manière à tordre le fil suspeuseur, l'aiguille est déviée de sa position primitive. Quel que soit le degré d'écartement de l'aiguille, quand elle est fixée dans une nouvelle position d'équilibre, la force de torsion du fil est égale et directement opposée à la force qui tend à ramener l'aiguille dans le méridien magnétique. Cette force de torsion qui, dans ce cas, sert de mesure à la force directrice de la terre, est elle-même proportionnelle à l'angle de torsion du fil ou au déplacement angulaire imprimé au tambour. On opère de manière à imprimer à l'aiguille des déviations finales successivement croissantes; en comparant les résultats fournis par l'observation de diverses positions de l'aiguille, on constate que les angles de torsion du fil suspenseur et, par conséquent, les intensités de la force directrice de la terre, croissent dans le même rapport que les sinus des angles d'écartement. Ces observations nous conduisent aux conclusions suivantes :
1° Quand l'axe de l'aiguille est perpendiculaire au méridien magnétique, la force directrice de la terre atteint sa valeur maximum.
1° Quand l'axe de l'aiguille est parallèle au méridien magnétique, la force directrice de la terre descend à sa valeur minimum, elle est nulle.
Lois de la distribution de Vintensité magnétique dans les aimants. Dans la balance de lorsion et dans le plan du méridien magnétique, Coulomb avait fixé une règle de bois verticale et extrêmement mince RR' (fig. 17). L'aiguille borizontale mobile, quand le fil suspenseur était sans torsion, venait appliquer son extrémité australe a contre cette règle, sans la presser. Derrière la règle, en face du pôle de l'aiguille mobile, il plaçait un barreau aimanté vertical a' h' dans une direction convenable pour qu'il y eut répulsion. Ce barreau a' h' , de très-petit diamètre, était introduit par une douille /'corresi ondant à fextrémité su| érieure de la règle de bois RI'/. Il tordait ensuite le fil suspenseur jusqu'à ce que l'aiguille a h fût ramenée dans sa position primitive, touchant la règle sans la presser. La forsJOM du fil mesu-
Fig. 18.
rait évidemment l'acfw/z rejoM/si'ye exercée par le barreau sur l'aiguille. Dans ces expériences, l'aiguille et le barreau n'étaient séparés que par f épaisseur très-faible delà règle et se coupaient à angle droit ; enlin les barreaux employés par Coulomb étaient des fils d'acier très-minces et très-longs (5 millimètres de diamètre, 650 millimètres de longueur). Par conséquent on peut admettre, avec cet éminent physicien, que l'aiguille était seulement induencée par la section du barreau contenue dans son plan horizontal, et que la répulsion obseriée représentait l'intensité magnétique de cette section. En faisant glisser le barreau le long de la rècle de manière à amener successivement chacune de ses sections dans le plan horizontal de l'aiguille, et en déterminant chaque fois l'angle de torsion nécessaire pour ramener l'aiguille dans le plan du méridien magnétique, Coulomb mesurait l'intensité magnétique des diverses tranches du barreau perpendiculaires à son axe.
Coulomb a aussi appliqué la méthode des oscillations à la recherche de la dietribution de l'intensité magnétique, dans un aimant. Pour représenter les résultats concordants fournis par cette double méthode, il élevait des perpendiculaires sur l'axe de l'aimant à droite et à gauche de son milieu M (fig. 18), et donnait à ces ordowiees des longueurs proportionnelles aux intensités magnétiques des tranches correspondantes ; il appelait courbe des intensités la ligne menée par les extrémités de ces ordonnées. De ses recherches on peut tirer les conclusions suivantes :
1" Pour un même aimant la courbe des intensités est la même dans la moitié boréale et dans la moitié australe.
2° Aux environs de la pariic médiane de l'aimant, la courbe des intensités se confond avec l'axe. Ce résultat indique que, dans une certaine étendue, à droite et à gauche de la ligne neutre, \' intensité magnétique est nulle ou du moins assez aiblc pour ne pas produire d'efiet appréciable.
5" A partir du point où elle se sépare de Taxe, la courbe des intensités s'élève rapidement jusqu'aux ordonnées P?z, P'«' correspondantes aux extrémités de l'aimant. Les sections successives d'un barreau ont donc une intensité magnétique d'autant plus grande qu'elles sont elles-mêmes plus rapprochées de ses extrémités.
Si l'on détermnie le centre de gravité de l'aire comprise entre l'axe du barreau, l'ordonnée Pn élevée à l'une de ses extrémités et la courbe des intensités, le pied de la perpendiculaire abaissée de ce ponit sur l'axe du barreau sera le centre d'action magnétique on le pôle de la moitié correspondante de l'aimant. Coulomb est amsi parvenu à des résultats Irès-importants relativement à la situation des pôles des aimants de formes diverses.
Dans les fils minces, de même diamètre et dont les longueurs très-différentes sont toujours supérieures à 20 centimètres, les pôles sont à la même distance des extrémités. Il en est de même des lames prismatiques de dimensions transversales égales et très-petites, et dont les longueui-s dépassent 20 centimètres. Dans tous ces cas, les pôles sont à 4 centimètres des extrémités.
Dans les aiguilles cvlindriques de même longueur, les distances des pôles aux extrémités paraissent varier sensiblement dans le même rapport que leurs diamètres. Dans les aiman4:s très-courts, la distance des pôles aux extrémités est sensiblement égale au sixième de leur longueur. Dans les aiguilles taillées en losanqe, les pôles se rapprochent du centre de figure.
Moment magnétique d'une aiguille aimantée. On donne, depuis Coulomb, le nom de moment magnétique à la force nécessaire pour maintenir une aiguille en équilibre à une distance angulaire donnée du méridreu magnétique Celte force est évidemment proportionnelle au produit de la force directrice de la terre par Yintensité magnétique de l'aiguille et par la distance de chacun des pôles de l'aiguille à son centre de suspension. Si donc on place successivement diverses aiguilles dans la balance magnétique (fig, 16), les torsions du fil suspenseur nécessaires pour obtenir un même écartement angulaire de ces aiguilles seront les mesures de leurs moments magnétiques. D'ailleurs, dans un lieu déterminé du globe et pour une déviation donnée, la force directrice de l'aimant terrestre est constante, et les moments mag^iétiques des aiguilles mesures par les torsions du fil suspenseur pour obtenir un même écartement angulaire, sont nécessairement propurtionnels aux produits des intensités magnétiques de ces aiguilles par la distance de chacun de leurs pôles au centre de suspension. Coulomb a mesuré, par cette méthode, les moments magnétiques d'aiguilles trèsdiverses, aimantées à saturation ; ses résultats s'accordent très-bien avec ce que nous avons dit plus haut de l'inducace de la forme et des dimensions des aiguilles sur la distribution du magnétisme et sur la position des pôles.
Ouand les aiguilles soumises à l'expérience précédente sont de même lou- <^ue\ir et de morne diamètre, la distance des pôles au centre de suspension reste îa même; par suite leurs moments magnétiques sont proportionnels à l:urs intensités inagnétiques, et les torsions nécessaires pour les maintenir à la même distance angulaire du méridien magnétique peuvent servir à mesurer ces intensités magnétiques.
Pour comparer les intensités maqnétiques de deux aiguilles de même longueur et de même diamètre, on peut encore les faire osciller, dans le même lieu, sous l'influence de la terre, h'après les lois connues des mouvements pendulaires, les intensités magnétiques cherchées sont dans le rapport des carrés des nombres des oscillations exécutées par les aiguilles dans un temps donné.
Lois des attractions et des répulsions magnétiques. Pour déterminer ces lois, comme dans la recherche de la distribution de l'intensité magnétique, Coulomb s'est servi de la balance magnétique (Gg. 16-17) ; il a aussi eu recours à la méthode des oscillations. 11 a ainsi établi expérimentalement que :
Les attractions et les répulsions magnétiques varient en raison inverse des carrés des distances auxquelles elles s'exercent.
Procédés d"aimant.\tio^. Pour communiquer une aimantation permanente aux barreaux et aux aiguilles d'acier trempé, on peut employer divers procédés dont l'expérience a tait connaître l'efficacité.
Simple touche. Pour aimanter une aiguille légère, il suffit de la faire glisser suivant sa longueur sur l'extrémité d'nn puissant aimant. Quand on a ainsi exécuté sur les deux faces plusieurs frictions de la même manière et dans le même sens, l'aiguille est aimantée. On peut employer le même procédé pour aimanter un petit barreau.
Touche séparée. Duhamel a fait connaître un excellent procédé pour aimanter régiilièiement les aiguilles des boussoles et les lames dont l'épaisseur ne dépasse pas A ou 5 millimètres.
^ L'aiguille ab (fig. 19) est placée
horizontalement; sa partie centrale repose sur une pièce de bois L, tandis que, par ses extrémités, elle empiète sur deux forts aimants fives, M, M'. Sur le milieu de l'aiguille on applique les extrémités de deux barreaux N, N' inclinés à 25° ou 50° sur son axe. Le pôles des aimants fixes et des aimants mobiles sont disposés comme l'indique la ligure. Alors on lait glisser les aimants N, N' dans le sens des flèches ; chacun d'eux parcourt ainsi une moitié de l'aiguille. Quand les barreaux glissants sont arrivés aux
extrémités de l'aiguille, on \e> H enlève à la fois et on les reporte
au milieu. Après plusieurs frictions de ce genre sur ses deux faces, l'aiguille est aimantée. Il
Fig. 20,
est évident que les actions d'influence des barreanx glissants et des barreaux fixes sont concordantes et qu'elles tendent toutes à décomposer le fluide naturel de l'aiguille pour polariser ses molécules de la même manière. Les fluides austral et boréal rendus libres dans cette opération sont maintenus séparés par la force coercitive de l'acier, et la position des pôles magnétiques de l'aiguille est inverse de celle des pôles des aimants fixes et des barreaux mobiles.
Double touche. Ce procédé (fig. 20), dû à .Ëprisns, est employé pour aimanter les forts barreaux d'acier. Tout étant disposé comme dans la ligure précédente, les barreaux glissants ne sont inclinés qu'à 15° ou 20° SJr l'axe du bar-
reau soumis à leur influence. En partant du milieu on ipromène ensemble les deux aimants N, N' jusqu'à une extrémité du barreau, puis de celte extrémité à l'autre. On exécute plusieurs fois de suite ce mouvement de friction dans toute la longueur du barreau; on arrête l'opération quand les deux aimants mobiles ont repris leur position médiane, en revenant de l'extrémité opposée à celle par laquelle on n'a pas commencé. Il est évident que l'ensemble des deux aimants mobiles N, IN' a ainsi glissé un même nombre de fois sur les deux moitiés du barreau soumis à leur influence.
Ce procédé développe plus de magnétisme que celui de Duhamel ; mais il a l'inconvénient de donner toujours des pôles de force inégale et de développer souvent des points conséquents dans l'étendue du barreau.
Aimantation par Vinfluence du globe terrestre. La terre agissant comme un vaste aimant, il suffit de placer une barre de fer doux dans le plan du méridien magnétique et dans la direction de l'aigudle d'inclinaison pour en fiire un aimant temporaire dont le pôle central est toujours situé vers l'extrémité infe'rieure, et le pôle boréal vers l'extrémité supérieure. Quand on retourne la barre et qu'on change ses extrémités de place, les pôles conservent toujours la même position, Yaustral en bas, le boréal en haut. Cette observation démontre que le fer doux est privé de force coei citive, et que la séparation des deux fluides esl uniquement àae à l'influence terrestre.
Quand une barre de fer doux est placée parallèlement à l'aiguille d'inclinaison et qu'on frappe fortement ses extrémités avec un marteau, elle s'aimante plus énergiquement; mais, en outre, elle acquiert un certain degré de force coercitive et reste aimantée d'une manière permanente. La torsion et le passage à la filière suffisent aussi pour donner de la /brce coercitive aux fils de fer. On peut donc les transformer en aimants permanents, en leur faisant subir une de ces deux opérations pendant qu'on les maintient dans une position parallèle à celle de l'aiiiuille d'inclinaison. On comprend ainsi pourquoi, dans les ateliers de serrurerie, presque tous les outils et les morceaux de fer travaillés présentent des traces plus ou moins fortes d'aimantation.
Une barre d'acier trempé, maintenue dans une position parallèle à celle de l'aiguille d'inclinaison, éprouve aussi l'influence du globe terrestre. On peut faciliter la séparation des deux fluides et augmenter son aimantation permanente, en la frottant, suivant sa longueur, avec une barre verticale de fer doux.
En général , l'influence de la terre s'exerce sur les corps magnétiques, quelle que soit leur direction dans l'espace. Cette action atteint son maximum auand ces corps sont parallèles à l'aiguille d'inclinaison; elle ne devient nulle que lorsqu'ils sont placés perpendiculairement au méridien magnétique.
Influence de la chaleur sur le degré d'ainianlation. Quelle que soit sa puissance, un aimant naturel ou artificiel chauffé au rouge blanc ne possède plus, après le refroidissement, aucune trace appréciable de polarité magnétique. Dans les barreaux d'acier, la force coercitive a complètement disparu, ou du moins est considérablement affaiblie ; pour rendre à ces barreaux leur force première, il suffit de les aimanter de nouveau à saturation après les avoir soumis à une nouvelle trempe. Les aimants naturels perdent, dans cette épreuve, une partie de leur force coercitive; on peut les aimanter de nouveau; mais il est impossible de leur rendre leur force coercitive et leur intensité magnétique primitives.
Sans pousser aussi loin l'action de la chaleur, il est facile de prouver que toute
élévation de température a pour effet d'affaiblir, d'une manière permanente, l'intensité magnétique. On fait osciller un barreau sous l'influence du globe, puis on le soumet à diverses températures successivement croissantes et, à chaque épreuve, on le fait osciller de nouveau après le refroidissement. On constate ainsi que l'intensité magnétique du barreau représentée dans chaque expérience par le carré du nombre des oscillations exécutées dans un temps donné, varie en sens inverse de la température à laquelle il a été soumis.
M. Feuillet a particulièrement insisté sur un autre effet de la chaleur qui mérite une très-sérieuse attention. Au rouge cerise, l'acier et le fer perdent toutes leurs propriétés magnétiques ; tant quils sont maintenus à cette température, ils restent insensibles à l'influence des aimants les plus puissants, et n'exercent, aucune action sur l'aiguille aimantée. M. Pouillet a démontré que pour tous les corps simples ma(/ne?/</Hes, il existe une température au-dessus de laquelle ils cessent d'être influencés par les aimants. Cette température, qu'il appelle la limite magnétique varie beaucoup d'un corps à l'autre, il résvdte de ses recherches que :
l°Pour le manganèse, la limite magnétique est à 20** ou 25" au-dessus de zéro.
2" Pour le nickel, la limite magnétique est vers 350", à peu près à la température de fusion de zinc.
5" Pour le chrome, la limite magnétique est ini peu au-dessus du rouge sombre.
4" Pour le fer, la limite magnétique est à la température du rouge cerise ; 5° Pour le cobalt, la limite magnétique est à une température supérieure à tîelle du rouge blanc le plus éclatant.
Armures des aimants. Indépendamment des variations de température dont nous avons déjà parlé, beaucoup d'autres circonstances peuvent déterminer, dans les aimants, des affaiblissements notables d'intensité. Lorsqu'un barreau reste longtemps dans une position telle, que son axe est fortement écarté de la direction que le couple terrestre tend à lui donner, les fluides libres se combinent dans une proportion plus ou moins considérable sous l'influence de l'action continue de la terre, et ses pôles magnétiques s'affaiblissent. Ainsi, par exemple, un barreau aimanté ne pourrait pas, dans nos climats, être maintenu dans une position verticale, le pôle boréal en bas, sans éprouver un affaiblissement très-marqué ; il suffirait, dans cette position, de lui donner quelques coups de marteau pour lui faire perdre presque toute son intensité magnétique, et même pour renverser ses pôles. Lorsque plusieurs barreaux aimantés sont placés, sans ordre, dans le voisinage les uns des autres, ils s'influencent mutuellement, et s'affaiblissent d'autant plus vite qu'ils sont plus exposés à des chocs violents et à des causes quelconques d'ébranlement. Pour contre-balancer les effets de ces actions destructives, on
place, dans le voisinage des barreaux aimantés, des [ ièces de fer doux, ou armures., qui s'opposent à la recomposition des fluides hbres.
Soient (fig. 21) N, N', deux barreaux aimantés de même longueur; plaçons-les dans une boîte, parallèlement l'un à l'autre, en ayant soin de tourner leurs pôles de noms contraires de même côté; appuyons contre leurs extrémités 'deux pièces de fer doux. Ces barreaux
sont armes, et les pièces de fer doux sont leurs armures. Le rôle de ces armures est facile à comprendre; chacune d'elles, dans cette position, devient un aimant temporaire qui réagit à son tour sur les barreaux, et maintient leurs fluides séparés. Entre les extrémités des barreaux N iN', on place deux pièces de bois qui les empêchent de se déplacer.
Quant aux barreaux et aux aiguilles qui font partie des appareils d'observation, ils ne peuvent évidemment pas être armés; mais, par cela seul que ces aimants sont libres d'obéir à l'action du couple terrestre, ils ne sont pas exposés aux causes d'affaiblissement mentionnées plus haut et n'ont pas besoin d'armures prolectrices.
Pour armer un aimant naturel E (tig. 22), on commence par déterminer la position de ses deux centres d'action magnétique, puis on taille, dans l'aimant, deux faces planes perpendiculaires à la ligne des pôles. Contre ces faces, on applique deux lames de fer doux P,P', maintenues par des collets de cuivre et terminées inférieurement par deux p'os talons A, B de fer doux. Chacune de ces plaques de ter doux devient un aimant ; les deux laloiis A, B représentent les deux pôles de noms contraires du système. L'aimant, aindarmé, est suspendu h un crampon; on applique, contre les talons des armures, une pièce de ier doux G qui soutient un sceau V rempli de balles de plomb.
Le magnétisme, développé dans les armures P, P' et dans la pièce de fer doux C réagit sur celui de l'aimant naturel qui acquiert plus de force. Eu ajoutant successivement de nouvelles balles de plomb dans le sceau V, on peut nourrir l'aimant naturel, c'est-à-dire augmenter graduellement son intensité et l'amener à supporter un poids double de la charge qu'il était primitivement capable de soutenir. Mais si, par l'effet d'une surcharge, le contact C se détache spontanément, l'aimant éprouve un affaibhssement considérable. On peut cependant, dans ce cas, lui rendre de la force, en lui donnant à supporter une faible charge qu'on a soin d'augmenter graduellement.
Les aimants naturels qui ne sont pas armés et suffisamment chargés, perden leur magnétisme avec le temps.
Électp.o-MaGiNÉtisme. En 1820, Œrsted découvrit une nouvelle et bien remarquable relation entre le magnétisme et l'électricité; il démontra qu'un courant électrique exerce une action mécanique sur une aiguille aimantée placée dans son voisinafTe, et la dévie de sa position d'équilibre dans le plan du méridien magnétique. Cette belle expérience est une de celles qui ont le plus puissamment contribué aux progrès de la science.
Action du courant électrique sîir les barreaux aimantés. Pour simplifier l'exposition des fails, nous représenterons, à l'exemple d'Ampère, le courant électrique, par un homme couché sur le fil conducteur dans une position telle, que ses pieds soient tournés vers le pôle positif et sa tète vers
MCT. ENc. '2' s. m. ^(î
Fis
le pôle négatif. Nous supposerons, en outre, que cet nomme a constamment sa lace tournée vers l'axe du barreau aimanté, et nous prendrons la droite et la gauche de cet liomme pour la droite et la gauche du courant qui pénètre dans son corps par les pieds et en sort par la tête.
Ces conventions étant adoptées, l'expérience démontre que :
Lorsqu'un courant rectiligne passe dans le voisinage d'une aiguille aimantée, l'aiguille est déviée de sa position d'équilibre, tourne autour de son centre de suspension et tend à se mettre en croix avec le courant, le pôle austral à gauche.
Faisons passer (fig. 23) un courant électrique dans un fil horizontal XY, situé dans le plan du méridien magnétique, au-dessus d'une aiguille de déclinaison.
Lorsque l'électricité marche, dans le fil, de X en Y, du sud au nord, la gauche du courant est à \ ouest ; l'aiguille tourne dans un plan horizontal, le pôle austral se meut dans le sens de la flèche F, et vient se fixer à V ouest, ou à la gauche du courant.
Lorsque l'électricité marche, dans le fil, de Y en X, du nord au sud, la gauche du courant est à Vest ; l'aiguille tourne dans un plan horizontal, le pôle austral se meut dans le sens de la flècheF', et vient se fixer à Vest ou à la gauche du courant.
Fi-. 23. Fig. 24.
Laissons toujours le iil XY dans le plan du méridien magnétique, mais plaçonsle (fig. 24) au-dessous de l'aiguille de déclinaison.
Quand l'électricité marche, dans le fil, de X en Y, du sud au 7iord, h gauche du courant est à l'est; l'aiguille toui'iie dans un plan horizontal, le \w\e austral se meut dans le sens de la (lèche F et vient se fixer à Vest, ou à la gauche du courant.
Quand l'électricité marche, dans lo fil, de Yen X, du nord au sud, \dL gauche A\\ courant est à V ouest; l'aiguille tourne dans un plan horizoulal, le pôle austral se meut dans le sens de la flèche F' et vient se fixer à Vouest, ou à la gauche tlu courant.
Si le fil conducteur du courant est vertical, et si on le présente successivement au pôle austral et au pôle boréal de l'aiguille de déclinaison, l'aiguille tourne toujours dans un plan horizontal, et se fixe dans une position telle que son pôle austral soit à la gauche du courant.
Ces expériences peuvent être répétées avec une aiguille d'inclinaison ; tantôt le fd conducteur du courant est placé parallèlement à la direction de l'aiguille, tantôt le lil conducteur est placé perpendiculairement au méridien magnétique et successivement rapproché de chacun des pôles de l'aiguille. Dans tous ces cas, î'aiguillc d'inclinaison tourne dans un plan vertical, et se fixe dans une position telle, que son pôle austral soit à la gauche du courant.
L'action du courant électrique sur le barreau aimanté est donc, comme celle de la terre, une action directrice ; elle tend à mettre l'axe du barreau en croix avec la direction du courant, Xùpôle austral à gauche.
L'expérience démontre qu'un barreau de fer doux, dans lequel les deux fluides
MAGNÉTISME. 72i>
magnétiques ne sont pas séparés, n'est pas dirigé par un courant électrique parallèle à son axe. Ce lait prouve que le courant exerce sur les deux fluides magnétiques des actions égales 3* de sens contraires. Il en résulte évidemment que l'action exercée sur un barreau aimanté pai' un courant rectiligne, parallèle à son axe, est représentée par un couple de deux forces égales et de sens contraires appliquées, l'une au pôle austral, l'autre au pôle boréal du barreau. L'action d'un tel couple ne peut être que directrice et ne peut, en aucune façon, déplacer dans l'espace, le centre de gravité du barreau.
M. Colladon a démontré, le premier, que les flux électriques, fournis par les appareils d'électricité statique, influenceut l'aiguille aimantée de la même manière que les courants voltaijues. Ce fait s'accorde avec beaucoup d'autres, pour démontrer que les propriétés des courants électriques sont complètement indépendantes de leur origine.
Lois de Vaclion du courant sur Vaiguille aimantée. MM. Biot et Savart ont déterminé expérimentalement les lois de l'action du courant électrique sur l'aiguille aimantée. A cet effet, ils ont pris (flg. 25) un aimant prismatique très-LOurt M, suspendu borizontalemeut à un fil de soie sans J torsion, et rendu asiatique, ou indinéreut à l'action de la terre, par uu fort barreau aimanté, placé convenablement dans son voisinage. L'aimant étant placé dans une cage de verre, on approcbait un fil vertical N, de 5 à 4 mètres de longueur; quand le courant passait dans le fil, l'aimant était c^irigfe et se fixait dans une position telle, que son axe était perpendiculaire à la plus courte distance du fil m conducteur N au centre de suspension de l'aimant. En raison de la loncfueur du fil N et des petites dimensions de l'aimant M, le courant vertical pou\ait, sans erreur sensible, être considéré comme indéfini. Quand l'aimant était écarté de sa nouvelle position d'équilibre, il oscillait, comme un pendule, autour de son centre de F'S-'i^suspension; le nombre de ses oscillations isocbrones, exécutées dans un temps donné, dépendait de l'intensité de l'action directrice du courant. En tenant compte, dans chaque expérience, du nombre des oscillations exécutées dans un temps donné, et de la distance du fil N au centre de suspension de l'aimant ; en s'aupuvant, d'aill-urs, sur le principe de la proportionalité des forces accélératrices et des carrés des nombres des oscillations, ces deux physiciens trouvèrent que :
Pour des distances comprises entre 15 et 120 millimètres, l'action d'un courant indéfini sur un aimant est en raison inverse de la simple distance.
IVA. Biot et Savart substituèrent au conducteur rectiligne un conducteur plié en angle (fi-. 2G). L'aimant fut disposé, en face de l'angle A, de manière que sou centre se trouvât sur l'horizontale qui coupait cet angle en deux pai'ties égales. Opérant comme dans le cas précédent, ils trouvèrent que :
L'action d'un courant indéfini sur uu aimant est proportionnelle à la tangente de la moitié de l'angle a que fait le courant avec cette bissectrice horizontale.
Laplace, appliquant le calcul aux deux lois expérimentales de MM. Biot et Savart, démontra que : . • m zr cin\
L'action d'un élément de courant ab sur une particule m^gnehqne M (fig. 21), ou sur un pôle magnétique M, est une force perpendiculaire au plan qui passe par M et par ab, inversement proportionnelle au carré de la distance Me du pomt M 'au milieu c de l'élément a&, et directement proportiomielle au sinus de l'angle Mca,
V2l MAC>;ÉÏISME. •
compris entre la direction du courant et la ligne Me qui joint la particule magnôtique M au centre de l'élément ab.
C'est la loi de l'action élémentaire d'un courant sur un aimant ; il est facile d'en vériiier l'exactitude en démontrant qu'elle conduit aux deux lois expérimentales de MM. Biot et Savart, relatives à l'action totale d'un courant indéfini.
Il résulte de cette discussion que, si un courant rectiligne indéfini et un aimant sont en présence, chaque pôle de l'aimant est sollicité par une force pei-
Fis- 20.
Fis. 27.
pendiculaire au plan qui passe par le pôle et parla direction du courant, et dou l'intensité est inversement proportionnelle à la simple distance. Ces forces, d'ailleurs, sont dirigées de telle façon que le pôle austral est poussé vers \\\ gauche, et le pôle boréal vers la droite du courant rectiligne.
Cette dernière définition del'action d'un courant rediligne sur un aimr,nt permet de prévoir les mouvements de rotation que doit exécuter et les positions d'équilibre que doit prendre une aiguille aimantée, sous l'influence d'un courant rectiligne. Elle fournit aussi une explication complète des attractions et des répulsions que, dans certaines positions, les courants exercent sur les aiguills. Quelles que soient leurs complications et leurs irrégularités apparentes, ces derniers phénomènes, observés par MM. Pouillet, Boisgiraud, ne sont que les conséquences directes des lois expérimentales de MM. Biot et Savart ; ils peuvent facilement être déduits de la définition de l'action totale d'un courant indéfini sur un barreau aimanté.
Comparaison du solénoide et du barreau aimanté. Lorsqu'un solénoïde, mobile autour d'un axe vertical passant par son centre de gravité, est soumis à l'influence d'un courant rectiligne indéfini fixe [voij. Courants électriques, paragraphe Électro-dynamique), le solénoïde est dirigé comme un barreau aimanté, et son axe se place perpendiculairement à la direction du courant. Dans cette position, les courants circulaires, pris dans la portion du solénoïde la plus rapprochée du courant fixe extérieur, et ce dernier courant lui-même sonl parallèles el de même sens. Dans le solénoïde sinistrorsum, c'est l'extrémité par laquelle entre le courant qui joue le rôle de pôle austral du barreau aimanté el se place à la ^a^/cZ/e du courant extérieur ; dans le solénoïde dextrorsum, c'est, au contraire, l'extrémité par laquelle sort le courant qui se porte à gauche et joue le rôle du pôle austral de l'aimant.
Aux extrémités d'un solénoïde, librement suspendu, présentons les extrémités d'un second solénoïde de même espèce, il y auia répulsion, si les deux extrémités
MàGÎSËTISME.
rapprochées sont celles par lesquelles le courant entre, ou celles par lesquelles il sort; il y aura, au contraire, attraction si l'une des extrémités en présence est celle par laquelle le courant entre, et l'autre celle par laquelle il sort.
A chacune des extrémités d'un solénoïde sinistrorsuni librement suspendu, présentons successivement les pôles d'un aimant. Le pôle austral du barreau attire l'extrémité du soiénoïde par laquelle le courant sort, et repousse celle par laquelle il entre. Le pjle boréal du barreau attire l'extrémité du solénoïde par laquelle le courant entre, et repousse celle par laquelle il sort.
Présentons de même successivement les deux pôles d'un aimant à chacune des e\trémités d'un solénoïde dextrorsum hbrement suspendu. Le pôle austral du barreau altire l'extrcmité du solénoïde par laquelle le courant entre, et repousse celle par laquelle il sort. Le pôle boréal du barreau attire l'extrémité du solénoïde par laquelle le courant sort, et repousse celle par laquelle il entre.
Abandonnons à l'action de la terre un solénoïde libre de tourner autour d'un axe vertical passant par son centre de gravité; l'appareil tourne autour du point de suspension, et son axe se place dans le plan du méridien magnétique. Dans cette position d'équilibre stable, le solénoïde sinistrorsuin tourne vers le nord celle de ses extrémités par laquelle le courant entre; le solénoïde dextrorsum, celle de ses extrémités par laquelle le courant sort.
Entin, plongeons les extrémités d'un solénoïde dans de la limaille de fer; les particules métalliques restent adhérentes aux extrémités du solénoïde tant que le courant passe, et se détachent au moment où le courant est interrompu.
Indépendamment de toute idée théorique, ces résultats de l'expérience montrent qu'en toute circonstance, un solénoïde se conduit comme un aimant, et que les extrémités du cylindre électro-dynamique jouent le rôle des pôles d'un barreau. Le pôle austral du solénoïde sinistrorswn est l'extrémité par laquelle le courant entre ; le pôle austral du solénoïde dextrorsum est l'extrémité par laquelle le courant sort.
Le pôle austral d'un solénoïde quelconque est l'extrémité qui, regardée en face, présente un courant circulaire dont la partie descendante est à la gauche, la partie ascendante à la droite, et dont la partie inférieure est dirigée de la gauche à la droite de l'observateur.
Pour épuiser la comparaison entre le solénoïde et le barreau aimanté, il n'y a plus qu'à chercher quelle est l'action d'un élément courant sur les extrémités d'un solénoïde, et quelle est l'action réciproque de deux solénoïdes en présence. Ampère a abordé et résolu celte double question dans son admirable travail sur la théorie des phénomènes électro-dynamiques ; il résulte de ses recherches que :
[" L'action d'un élément courant sur un solénoïde se réduit à deux forces perpendiculaires aux plans qui passent par Vêlement et les extrémités du solénoïde; ces forces sont inversement proportionnelles aux carrés des distances et directement proportionnelles aux sinus des angles d'inclinaison de l'élément sur les liâmes qui joignent le centre de cet élément aux extrémités du solénoïde. C'est rigoureusament la loi de Laplace pour l'action d'un élément courant sur les pôles
d'un aimant.
2" L'action réciproque totale de deux solénoïdes placés à des distances qui ne sont pas très-petites se réduit à un système de quatre forces, deux attractions, deux répulsions, agissant dans la direction des lignes qui joignent leurs extrémités deux à deux ; ces forces sont inversement proportionnelles aux carrés des distances. C'est encore la loi de l'action mutuelle totale de deux aimants.
726 ÎIAGNÉTISWE.
Théorie ampérienne de magnétisme. Avant ae pousser plus loin cette étude des phénomènes électro-magnétiques, il nous paraît nécessaire d'exposer les idées émises par Ampère sur la constitution des aimants. La théorie nouvelle du magnétisme proposée par ce grand physicien peut être considérée comme une conséquence des faits précédents ; elle ne donne pas seulement une explication simple et facile de tous les phénomènes connus, elle a encore le grand avantage de faire rentrer les actions des aimants naturels et artiliciels et même celles de l'ai, mant terrestre dans les lois de l'électricité dynamique.
Pour Ampère, les fluides magnétirpics n'existent pas, les propriétés des aimants sont dues à des courants électriques qui circulent autour de leurs dernières particules. Ces courants existent dans tous les corps susceptibles d'obéir à l'action des aimants. Dans les corps magnétiques à ïétat neutre, les courants particellaires n'ont pas tous la même orientation ; dirigés au hasard dans tous les azimuts, ils se neutralisent mutuellement et ne peuvent révéler leur présence par aucun effet extérieur appréciable. Pour qu'un corps magnétique soit aimanté, il faut et il sulfit que, sous une influence quelconque, les courants particellaires soient ramenés à marcher dans le mêtne sens et dans des plans parallèles.
Dans un barreau aimanté, chaque série linéaire de molécules représente un petit solénoïde dont l'axe est parallèle à celui du barreau; le barreau tout entier est un faisceau de solénoïdes parallèles. Mais, dans chaque section transversale du barreau, les courants particellaires agissent comme un seul courant égal à leur résultante et perpendiculaire à l'axe. L'ensemble de toutes ces résultantes constitue une série de courants circulaires, parallèles et de mê7ne sens; le barreau aimanté est donc un véritable solénoïde.
Cependant il existe une différence importante entre un solénoïde et un aimant. Dans le solénoïde, les pôles sont situés aux extrémités du cylindre; dans l'aimant, au contraire, les pôles sont toujours situés dans son intérieur et à une certaine distance des extrémités. Ampère explique cette différence en disant que, dans le barreau aimanté, les courants particellaires réagissent les uns sur les autres; par suite de cette action réciproque, les plans des courants d'un même fiimant ne restent pas perpendiculaires à son axe, mais prennent une position d'autant plus inclinée sur cet axe qu'ils en sont plus éloignés et qu'ils s'écartent davantage de son milieu. Les conséquences de cette obliquité des courants particellaires sont évidentes : d'abord, lés centres d'action on pôles ne peuvent plus être situé.s aux extrémités de l'aimant et doivent se rapprocher du centre, d'une fraction de sa longueur d'autant plus grande que les courants inclinés sont plus nombreux et que leur inclinaison est plus forte; eu second lieu, conformément aux résultats de l'expérience, plus l'épaisseur de l'aimant est considérable par rapport à sa longueur, plus ses pôles doivent se rapprocher de son centre. Dans un solénoïde, au contraire, par le fait de son mode de construction, les courants restent tous parallèles et perpendiculaires à l'axe ; par suite, les pôles ou centres d'action doivent être situés exactement aux extrémités.
L'hypothèse d'Ampère conduit nécessairement à la conclusion suivante :
Un corps magnétique, cylindrique ou prismatique, devient nécessairement un aimant au moment où son axe prend une direction perpendiculaire à celle d'un courant électrique fixe.
Aimantation par courants. Arago a constaté, le premier, qu'il suffit de plonger dans de la limaille de fer un fil métallique de nature quelconque traversé par un courant électrique, pour que les petits fragments métalliques restent
îidbérents au fil et donnent des signes d'aimantation tant que le courant passe. Aussitôt que le courant cesse, la limaille se détache et ne conserve plus aucune trace d'aimantation. Ses observations ont aussi prouvé que des aiguilles de fer doux, placées en croix avec un fil métallique, sont aimantées tant que le courant passe et retombent à l'état neutre au moment oîi le courant est interrompu. Des aiguilles d'acier trempé, placées dans les mêmes circonstances, s'aimantent et leur aimantation persiste après l'interruption du courant. Cette différence entre le fer doux et l'acier est un effet delà force coercitive. Sous l'influence d'un courant électrique extérieur, les courants particellaires du fer doux sont orientés ; mais, quand la force directrice extérieure cesse d'agir, rien ne retient pins ces courants intérieurs dans une position déterminée, leur orientation disparaît et avec elle toute trace d'aimantation. Dans l'acier trempé, au contraire, du moment que les courants particellaires ont été ramenés au parallélisme, la force coercitive les maintient dans cette position et l'aimantation persiste même après que le courant extérieur a cessé de passer. Ajoutons d'ailleurs que, dans tous ces cas de magnétisme développé par un courant, le pôle austral est situé à la gauche dn courant extérieur. Dans le même travail, Arago montra qu'une aiguille n est jamais magnétisée qiiand elle est maintenue parallèle à un fil bien droit traversé par un courant électrique. La polarité de l'aiguille ne commence à se prononcer que quand son axe est incliné sur la direction du courant.
Pour rendre plus énergique l'action magnétisante du courant sur l'aiguille,
FiR. 28.
Arago conseilla de la placer dans l'axe d'un cylindre creux de verre, autour duquel un til métallique, traversé par un courant, est enroulé en hélice. Alors, en effet, chaque tour de l'hélice représente un courant perpendiculaire à l'axe de l'aiguille, et les actions de tous ces courants extérieurs sont concordantes pour rame-
Fii:. 29.
ner au parallélisme les courants particellaires de l'aiguille. D'ailleurs, si l'hélice est sinistrorsum (Gg- 28), le pôle austral da l'aimant mtérieur est à l'extrémité par laquelle le courant entre, c'est-à-dire à la gauche du courant extérieur dans chaque tour de l'héhce. Quand, au contraire, l'hélice est dextrorsum (fig. 29),
le pôle austral de l'aimant intérieur est à l'extrémité par laquelle le courant
sort
Dès lors il est facile de comprendre ce qui arrive lorsqu'un fil métallique étant contourné lur lui-même de manière à représenter (fig. 50) une série d'hélices
728 MÂGNÉTISMI':.
alteniativeiiient sinistrorsum et dextrorsum, une longue aiguille d'acier trompé est placée dans l'axe commun de ces hélices. Après l'interruption du conrant, on trouve que chaque hélice a aimanté la portion correspondante de l'aiguille comme si elle avait agi seule ; en sorte que l'aiguille est composée d'une série d'aimants partiels, placés bout à bout, se regardant par leurs pôles de même nom. Tous ces faits, découverts par Ârago, sont autant de confirmations des vues d'Ampère sur la nature du magnétisme.
Avec les décharges des appareils à électricité statique, Arago parvint à produire tous les phénomènes d'aimantation qu'il avait obtenus en utilisant l'action des courants voltaïques. Le flux électrique formé par une machine à rotation suffit pour aimanter une aiguille perpendiculaire au fil conducteur, surtout quand la décharge se fait par une série de petites étincelles. Une aiguille d'acier s'aimante quand on la place dans l'axe d'une hélice qui, par ses extrémités, établit une communication entre les conducteurs et les coussinets d'une machine électrique, ou entre les armures d'une bouteille de i^eyde. 11 résulte d'un beau travail de Savary sur ce sujet que, dans les cas oii l'on agit avec une décharge d'éleclricité statique, la longueur et le diamètre du fil conducteur, la force coercitive des aiguilles et leur Opaisseur, la distance du lil conducteur aux aiguilles, sont autant de conditions qui exercent, sur l'intensité et même sur le sens de l'aimantation communiquée, des influences dont les lois ne sont pas encore bien connues.
La partie la plus intéressante du travail de Savary est celle dans laquelle il a cherché à apprécier l'influence d'enveloppes diverses placées entre les aiguilles d'acier et les courants, soit voltaïques, soit de décharge. Les enveloppes de bois, de verre ou de foute matière isolante, n'exercent aucune action sur l'aimantation communiquée ; il n'en est pas de même des enveloppes conductrices. Un cylindre de enivre assez épais, placé entre l'aiguille et l'hélice, peut arrêter complétemeut l'action du courant ; il suffit de diminuer l'épaisseur du cylindre pour que l'aimantation devienne sensible; pour une épaisseur peu considérable de l'enveloppe conductrice, l'aiguille peut être aimantée plus fortement qne si l'enveloppe n'y était pas. Le fer, l'argent, l'étain et le mercure exercent des influences analogues. Des couches coucentriques et alternatives de substances métalliques et de substances isolantes agissent comme si les premières étaient seules. Les enveloppes formées avec des couches épaisses de limaille fine de cuivre ou de fer n'exercent aucune influence sur l'aimantation communiquée. Gomme nous le verrons plus tard, dans l'article Induction électrique, tous ces faits trouvent leur explication naturelle dans Yaclion inductrice que la décharge électrique exerce, au moment de son passage, sur les diverses enveloppes employées.
Electro-aimants. L'influence du courant électrique sur le fer doux a été mise à profit pour construire des aimants temporaires, connus sous le nom d'electroaimants. La figure 31 représente un de ces électro-aimants, dans lequel le barreau de fer doux est disposé en fer à cheval.
C'est un gros barreau cylindrique de fer doux, fixé à un bâti de bois au moyen d'un colher de cuivre. Autour des extrémités du barreau, ou enroule un très-grand nombre de fois un fil de cuivre très-long et recouvert d'une enveloppe isolante de soie. Dans la figure 31, les deux bobines qui garnissent les bouts du barreau, si elles étaient superposées par leurs extrémités supérieures, formeraient une hélice sinistrorsum continue. Par conséquent, si le bout X du fil est mis en communication avec le pôle positif, et le bout Y avec le pôle néfiatif d'une
3IAGNÉTIS3JE. 729
pile tant que le courant passe, Fextrémité A du barreau est un pôle auslral etlextrernUeB nnpôle horeal. Il suffît, d'aHleurs, dn.te.Ton.prf le corn"; pour que le fer doux retombe immédiatement à l'état neutre ^ K est une grosse pièce de fer doux qui adhère fortement aux extrémités du fer a cheval quand e courant passe, et qui s'en détache aussitôt que le courant est iiiferrrompu. A la pièce de fer |lv on peut suspendre un plajteau de bois M, sur lequel on ■place des poids connus. La charge que l'électro aimant peut ainsi soutenir, ou sa puissance, dépend de la grosseur du barreau de fer doux, de la longueur et de la grosseur du fil enroulé autour de ses extrémités, et du nombre de couples de la pile qui fournit le courant.
Pour les besoins de l'industrie, on a construit des électro-aimants très-puissants, capables de soûle \er des poids très-considérables, doués d'une très-grande force d'adhérence.
L'organe priiiciiial du frein électrique de M. Achard est un électro-aimant dont chaque pôle peut supporter une traction de 350 kilogrammes. La puissance d'un tel aimant temporaire est très-supérieure à celle de tous les aimants permanents, naturels ou artificiels, connus
Soit AB {(ig. 52) un barreau de fer doux placé dans l'axe d'une bobine C. L'intensité du courant est la même dans chacun des tours de spire du fil de la bobine, et chacun de ces tours de spire exerce la même action magnétisante sur le barreau. Il en résulte que la force magnétisante totale de la bobine est égale au produit du nombre de tours de spire de la bobine par l'intensité du courant.
MM. Lenz et Jacobi avaient déduit de leurs travaux la loi suivante très-simple :
L'intensité magnétique développée dans le barreau de fer doux est directement proportionnelle à la force magnétisante de la bobine, c'est-à-dire au produit du nombre des tours de spire du fil de la bobine par l'intensité du courant.
M. Muller a démontré que cette loi n'est vraie que pour les courants faibles et pour les baiTeaux dont le diamètre n'est pas très-petit par rapport à leur longueur. Ce dernier physicien a trouvé, en ellet, qu'il existe, pour chaque barreau,
Fi g. ûl.
Fis. 32.
"ÎSO MAGNÉTISME.
lin maximum d'aimantation que rien ne peut faire dépasser ; ce maximum d'âimaïUation dépend du diamètre du barreau.
Étant donnes deux barreaux de diamètres différents, M. Miiller a établi que leurs maxima d'aimantation sont dans le rapport des carrés de leurs diamètres.
11 résulle des travaux de M. Mûller que, dans tous les cas ou le courant de la bobine est faible et où le diamètre du barreau n'est pas trop petit par rapport à sa longueur :
1° Dans un barreau de diamètre invariable, V intensité magnétique développée est directement proportionnelle au produit du nombre des tours de spire du fil de la bobine par l'intensité du courant qui le traverse : c'est la loi de MM. Lenz et Jacobi.
2" Dans des barreaux de diamètres différents soumis aï action d'une 7nême bobine traversée par un même courant, les intensités magnétiques développées sont directement proportionnelles aux racines carrées des diamètres des barreaux.
M. le professeur Nicklès a publié une belle série de recherches sur l'aimantation par courants. Nous nous contenterons d'extraire de ses travaux les résultats relatifs aux propriétés des électro-aimants rectiligiies et des électro-aimants en fer à cheval.
Pour les éiectro-aimants rectilignes, toutes les autres conditions restant les mêmes, l'intensité magnétique développée augmente avec l'allongement du barreau de fer doux. M. Nicklès explique cette influence de l'allongement par l'écartement des deux pôles de noms contraires qui diminue les effets de neutralisation iécipioque. Cependant cette influence de l'allongement a une limite au delà de laquelle l'intensité magnétique décroît à mesure qu'on donne plus de longueur
au barreau. D'ailleurs, la limite de l'allongement efficace est d'autant plus reculée que l'intensité du courant de la bobine est plus considérable.
Les électro-aimants en fer à cheval (fig. 55) sont munis de deux bobines, une pour chaque barreau de fer doux. Nous avons ici deux cas à considérer :
"' ' 1" Les bobines sont indépendantes et de
même sens. L'appareil se compose évidemment alors de deux électro-aimants rectilignes, parallèles, dont les pôles sont distribués de la même manière, rehés par une pièce de fer doux en contact par ses extrémités avec des pôles de mêtne nom. Les extrémités hbres des barreaux ont évidemment aussi la même polarité. Dans ce cas, l'expérience démontre que l'allongement des barreaux a pour effet d'augmenter l'intensité magnétique développée.
2° Pour les électro-aimants en fer à cheval ordinaires, dont les bobines sont de sens inverses et dont les barreaux ont des polarités contraires à leurs extrémités libres, l'allongement des barreaux n'exerce aucune influence sur lintensité magnétique développée; mais il n'en est pas de même de leur écartement, qui a pour résultat évident d'éloigner les pôles de noms contraires et de diminuer les effets de leur neutralisation réciproque.
M. Nicklès a démontré, en effet, que, dans ces dernières circonstances, l'in-tensité magnétique développée augmente avec l'écartement des barreaux de fer doux, jusqu'à une certaine limite au delà de laquelle l'influence de l'écai'teraent change de signe et diminue la puissance de l'électro-ainiant.
MAr,>'ÉTlSME.
L'écarlement correspondaiit au maximum d'aimantation augmente avec l'intensité du courant de la bobine.
Du courant terrestre. L'hypothèse d'Ampère sur la constiliition des aimants conduit naturellement ;i cette conséquence que la terre est parcourue, à sa surlace ou dans son intérieur, par des courants parallèles ù l'équateur magnétique et qui lui communiquent la propriété de se conduire comme un vaste solénoide, ou comme un vaste aimant. ï)ans chaque slation, laction du globe sur l'aiguille aimantée serait celle de la résultante de tous ces courants, ou d'un courant moyen placé de manière à produire le même effet que l'ensemble de ces courants circidaires. Or, des lois qui régissent la position d'éijuilibre d'un barreau aimanté librement suspendu et soumis à l'action d'un courant fixe indéfini, il résulte nécessairement que, dans chaque station choisie à la surface de notre hémisphère boréal, ce courant terrestre moyen est dirigé de Vest à l'ouest dans un plan perpendiculaire à la direction de l'aiguille d'inclinaison, et passe au-dessous de l'axe de suspension de cette aiguille. Ampère a imaginé et e.xéculé une expérience très-simple qui permet de vérifier l'exactitude de ces prévisions théoriques.
Fig. Zi.
Avec un gros fil de cuivre (fig. ni), faisons un rectangle abcdej bien équilibré autour de l'axe de rotation ad dont les extrémités reposent sur deux colonnes métalliques H, H'. Les fils sont bien isolés les uns des autres en a et en d, où ils se croisent.' Orientons le système de manière que, le plan du rectangle étant perpendiculaire au méridien magnétique du lien, la colonne H soit à Yest et la colonne H' à Vouest du centre défigure de l'appareil. Cela fait, mettons la colonne H en communication avec le pôle positif et la colonne H' avec le pôle négatif d'une pile. Dès que le circuit est fermé, le rectangle tourne sur son axe ; il se place, ainsi que l'indique la figure, dans un plan perpendiculaire à la direction de l'aiguille d'inclinaison. Or, dans cette situation d'équilibre stable, le courant descendant fh est à Yest et le courant ascendant ce cà Youest du centre de figure du rectangle ; de plus, le courant inférieur horizontal hc est dirigé de Yest à Youest. Si! à l'aide des notions fournies par Lélectro-dynamique, nous cherchons à déterminer la position et la direction d'un courant électrique fixe capable d'amener et de retenir le rectangle dans la position d'équilibre qu'il prend sous l'influence de la terre, nous sommes conduits à la conclusion suivante :
732 MAGNÉTISiME.
Conformément aux indications de la théorie d'Ampère, l'action du globe terrestre, en chaque lieu pris à la surl'acc de noire hémisphère boréal, est la morne que celle d'un courant, moyen dirii^é de Xest à Vouest dans un plan perpendiculaire à la direction de l'aiguille d'inclinaison, et passant au-dessous et an sud de l'axe de suspension de cette aiguille.
Béaction de la terre et des aimants sur les courants. Une fois connue l'action directrice exercée par un aimant five sur une aiguille aimantée mobile, la réaction de la terre considérée comme un vaste aimant et d'un barreau aimanté fixe sur un courant mobile est facile à prévoir ; cette réaction est une conséquence nécessaire et directe de ce principe fondamental de mécanique que toujours Yaction et la réaction sont deux forces égales et de sens contraires. Il est encore plus simple de considérer l'aimant comme uu solénoïde et de rapporter les propriétés magnétiques du globe terrestre à l'esistencs d'un vaste courant terrestre dirigé de l'est à l'ouest; rexj.érience démontre que tous les jjhénomènes de réaction de la terre et des barreaux aimantés sont conformes aux indications de l'électro-dynamique (lo?/. Coubants électriques). Nous nous contenterons de rapporter ici sommairement les principaux phénomènes produits par ces réactions. Sous l'influence de la tei're, un courajit vertical descendant, mobile |:arallè]ement iÀ lui-même, est entraîné vers \'est; un courant vertical ascendant est entraîné vers Vouest. Un courant horizontal, mobile autour de son centre de figure, est dirigé et se place finalement dans une position telle, que, dans le fd conducteur, il marche de Vest à Vouest. Un courant ferme\ rectangulaire ou circulaire, mohile autour d'un axe vertical passant par son centre de figure, est
dirige; dans la position d'équilibre stable où il s'arrête, le courant descendant est à Vest et le courant ascendant à Vouest de l'axe de rotation; dans la partie du système la plus rapprochée de la terre le courant marche de Vest Vouest.
M. de la Rive a imaginé des appareils très-simples ettrès-élégants pour mettre en évidence cette action directrice ({\ie la terre exerce sur un courant fermé.
A travers un flotteur de bége très-léger (fig. 35), on fait passer deux lames métalliques : l'une de zinc Z, l'autre de cuivre C Ces deux lames sont réunies, par leur bout supérieur, au moyen d'un gros fil de cuivre contourné en cercle. On plac3 le flotteur sur de l'eau aiguisée d'acide sulfurique. Ces petits appareils sont de véritables piles flottantes; abandonnés à l'action de la terre, ils tournent autour d'un axe vertical L ; après plusieurs oscillations, ils se fixent dans un plan perpendiculaire au méridien magnétique, le zinc Z à Vest, le cuivre C à Vouest. Dans cette position les courants verticaux et horizontaux sont orientés comme nous l'avons dit plus haut ; toutes les conditions sont remphes pour que ces piles soient dans un équilibre stable.
Faraday a imaginé un appareil très-simple pour mettre en évidence l'action des pôles d'un aimant sur uu courant vertical. DD (tîg. 36 et ô7) est une cuvette de zinc remplie d'eau aiguisée avec de l'acide sr.lturique; cib est un fil de cuivre mobile autour de la colonne métallique verticale H. Par le fait de l'action de
Fiff.
l'acide sulfurique sur le zinc, il se développe un courant qui monte le long des deux fils c, b, et redescend par la colonne métallique H. Au moment où l'on introduit le pôle austral d'un barreau K entre les fils c et b, l'équipage entre en mouvement et tourne autour de II dans le sens indiqué par les flèches appliquées aux extrémités inférieures des fils c, b. La figure 58 est la section transversale du pôle austral du barreau; les flèches indiquent le sens du courant circulaire qui représente ce pôle dans la théorie d'Ampère; il est évident, d'après les principes de l'élcctro-dynamique, que les courants verticaux doivent être entrahiés autour
Fig. 56.
du pôle de l'aimant dans le sens même du courant polaire. L'équipage mobile serait entraîné en sens contraire si on remplaçait le pôle austral par le pôle
feoreaZ de l'aimant.
Avec des courants descendants, les rotations de l'équipage sont inverses des précédentes On peut réaliser cette expérience en remplaçant, dans l'appareil de Faraday la cuvette de zinc DD par une cuvette de cuivre, et en réunissant les extrémités inférieures des fils c, b par un cercle de zinc. Le courant, dans ce cas monte par la colonne H et redescend par les fils c, b.
Lorsqu'on place un fort barreau aimanté horizontalement au-dessus ou au-dessous d'un courant fermé, rectangulaire ou circulaire, mobile autour d'un axe vertical valsant par h centre de figure, le courant mobile est dirigé et se fixe dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'aimant. D'ailleurs, le pôle austral de l'aimant est toujours à gauche du courant mobile, dans la partie du circuit volt^r a lus Wp-hée de l'aimant. Les piles flottantes de M. de la Rive fiT35) sont très-commodes pour répéter cette expérience. Cette action directrice de l'aimant sur le courant fermé, est évidemment d'accord avec le sens des courants circulaires auxquels la théorie d'Ampère rapporte les propr.étés des
barreaux aimantés. , i r v
Magnétisme tfup.estp.e. Position du coude terrestre dans l espace, ^ous
JIAG.NÉÏISME.
avons vu (p. 715) que l'action de la terre sur un barreau aimanté est celle d'un couple de deux forces égales, contraires, situéc'S dans le plan du méridien magnétique et dans une diret-.tion généralement iiicliuée sur l'horizon. Pour connaître, dans un lieu déterminé, la position du couple teri'estre dans l'espace, il suffit donc de délerminer : d'une p^'.rt Ja déclinaison du lieu qui fixe l'orientatiou du méridien magnétiLjue, d'autre part Y inclinaison du lieu qui indique la direction des composantes du couple terrestre dans le méridien magnétique. Xous avons montré ailleurs {voy. Boussole) comment se fait cette double détermination. Dans une même station, la position du couple terrestre dans l'espace éprouve des changements accusés par les variations des aiguilles de déclinaison et d'inclinaison.
Intensité du couple terrestre. L'action du globe terrestre sur un barreau aimanté peut servir à mesurer 1 intensité du couple terrestre, ou du moins à déterminer les rapports suivant lesquels elle varie d'un lieu ù un autre.
Sur une chape de papier suspendue à un fil de soie sans torsion, plaçons (fig. 59) un barreau aimanté ab, de manière que sou centre de gravité se trouve sur le prolongement du lil suspenseur. Ce barreau peut se mouvoir, autour de son centre de gravité, dans un plan horizontal. Soit NS l'intersection de ce plan
horizontal avec le plan du méridien magnétique du lieu. Si le barreau est écarté de sa position d'équilibre stable NS, chacun de ses (.ôles est attiré par une des composantes du couple terrestre qui tend à ramener son axe dans le plan du méridien magnétique. Sous l'influence de ces deux actions concordantes, , S chacune des moitiés du barreau exécute des oscillations à droite et à gauche de la li^ne .\S et se conduit comme un pendule dont le point fixe est le centre de gravité du barreau, et dont la longueur est égale à la distance de ce centre de gravité au pôle correspondant. Soit ar la force qui agit sur le pôle austral; sa direction est, évidemment et dans toutes les positions du barreau, parallèle au plan du méridien magnétique. Cette force peut être décomposée en deux : l'yne ap verticale, l'autre at horizontale et parallèle à NS. La composante ap est évidemment détruite par le mode de suspension ; la composante horizontale at est donc seule efficace pour faire tourner le barreau sur son centre de gravité et le ramener dans la position XS. Or, d'après les lois de la décomposition des forces, nous avons :
at^ ar. cos. tar.
Mais l'angle tar est l'angle d'inclinaison du lieu où l'on fait l'observation. Si donc nous a[ipelons i l'angle d'inclinison tar et m Y intensité ar du couple terrestre, variables l'un et l'autre avec le lieu d'observation, la composante horizontale at qui tend à ramener le barreau dans le plan du méridien magnétique, sera :
at = m. cos. i.
Dans une station déterminée, m et i étant constants, ai est une force constante dans son intensité et dans sa direction, et le mouvement oscillatoire du barreau autour de la ligne NS s'accomplit suivant la loi des oscillations pendulaires.
Fi?. 39,
MÂGÎsETISME. 755
Cela posé, ii est facile de comprendre que, les nombres des oscillations exécutées dans un temps donné et dans deux stations quelconques i^ant déterminés, ces données expérimentales suffisent pour calculer le rapport des intensités du couple terrestre dans ces deux localités.
Eu eflet, faisons osciller un même barreau, dont l'aimantation reste constante , dans deu^ stations choisies à la surface du globe, et comptons les nombres des oscillations qu'il exécute dans un temps donné, soit :
Pour la première station, m l'intensité du couple terrestre, i l'angle d'inclinaison connu, n le nombre des ojcillations exécutées parle barreau dans un temps donné;
Pour la seconde station, ?n' l'intensité du couple terrestre, i' l'angle d'inclinaison connu, n' le nombre des oscillations exécutées par le barreau dans le mêïne temps.
D'après les lois connues des oscillations pendulaires, nous aurons, entre ces six quantités, les relations suivantes :
m. COS. i 71-
d'où :
m'. COS. i' n'^
m 11?. COS. i'
m' n'-. COS. i
Les angles d'inclinaison et les nombres d'oscillations étant directement déterminés, cette relation fournit le rapport des intensités du couple terrestre dans les deux stations choisies. Ces intensités sont directement \>ropovlionnd\es aux canes des nombres d'oscillations et inversement proportionnelles aux cosinus des angles d'inclinaison.
Comme réchauffement du barreau diminue sa force magnétique, les observations, pour rester comparables, doivent être faites à des températures sensiblement égales. Quand cette condition n'est pas remplie, il est nécessaire de corriger les résultats. On doit à M. Kuplferdes règles et des tables qui permettent d'effectuer
ces corrections.
M. de Ilumboldt, dans les Andes et les Cordillères, M. Kupffer, dans les montagnes du Caucase, ont fait, l'un et l'autre, de nombreuses déterminations d'intensité à diverses hauteurs au-dessus du niveau des mers; leurs observations s'accordent pour mettre hors de doute le fait de décroissement de l'intensité magnétique dans les lieux élevés. Des déterminations faites dans leur ascension aérostatique, Gay-Lussac et Biot avaient conclu que ce décroissement est insensible; il est probable que, sous l'influence des basses températures des régions élevées de l'atmosphère, le barreau employé par Gay-Lussacet Biot avait acquis un excès de magnétisme suffisant pour compenser sensiblement la diminution réelle de l'action
magnétique du globe. .
Equateur, méridiens, pôles magnétiques. En général, l'angle d niclniaison augmente avec la latitude du heu d'observation. On donne le nom d'Equateur magnétique à la ligne qui passe par les points de la surface du globe où le barreau aimanté librement suspendu par son centre de gravité, conserve une position horizontale. Dans ces points, les composantes du couple terrestre sont nécessairement horizontales aussi. Cette ligne, correspondant aux points géographiques à-inclinaison nulle, ne coïncide pas avec l'équateur terrestre ; elle est tres-smueuse et représente très-imparfaitement un grand cercle. D'après les déterminations de
M. Dupervey, l'équateur magnétique coupe en deux points l'équaleui- terrestre. Le premier de ces nœuds, ou points d'intersection, est situé près de l'île San- Tome par 30 — 20' de longitude orientale. A partir de ce point, qui représente son nœud atlantique, l'équateur magnétique, situé tout entier dans Ihémisplière austral, s'éloigne de l'équateur terrestre et atteint sou maximum d'excursion australe par 45"— 40' de latitude, entre Uixaset Guaybas, sur le continent américain; puis l'équateur magnétique se rapproche graduellement de l'équateur terrestre et reste confondu avec lui dans toute l'étendue des 17" 51', compris entre 175" — 44' de longitude orientale et 166" — 25' de longitude occidentale. Le second nœud, ou -nœud polynésien, serait donc situé au milieu de cet intervalle, c'est-àdire par 175° — 20' de longitude occidentale. Entre ce second nœud et le premier, l'équateur magnétique, tout entier situé dans l'hémisphère boréal, atteint son maximum d'excursion boréale par 11° — 40' de latitude, aux environs de l'île Socotora.
Supposons qu'on transporte une aiguille de déclinaison du nord au sud, de manière à suivre constamment la direction qu'elle indique. On chemine ainsi sm* une ligne, que M. Duperrey a appelée Méridien magnétique, et qui jouit de cette propriété qu'en chacun de ses points, elle est tangente à la direction de l'aiguille de déclinaison ou au méridien magnétique du lieu. Les méridiens magnétiques, ainsi tracés, ne sont pas des grands cercles de la sphère terrestre, ce sont des lignes à doubles courbes, dont l'irrégularité n'est cependant pas très-grande. A mesure que l'on s'éloigne de l'équateur, ces méridiens se rapprochent ; leurs points d'intersection sont les pôles magnétiques de la terre : ces pôles magnétiques où la déclmoison est nulle, et oii l'aiguille d'inclinaison est verticale, sont situés ainsi qu'il suit :
( 78° — 20' de longitude ouest Lun se trouve par l ^^ .., 1 , .-, 1 ^
^ ( 79° — H de latitude nord
101° — 40' de longitude est
l'autre se trouve par \ I,"* /." , " ". ° , , ^ I 79^^ — il de latitude sud.
M. Dupc-rrey l'ait observer que ces pôles magnétiques ne co'incident pas avec les extrémités de l'axe de l'équateur magnétique. ( ette circonstance est de nature à faire repousser l'hypothèse de deux centres d'action magnétique voisins du centre de la terre ; c'est, au contraire, une raison pour l'admettre, car il siilfit que ces centres d'action soient sur une corde parallèle à l'axe de l'équateur magnétique et voisine de cet axe, pour que la position relative des ])ôles magnétiques de la surface, et des pôles géométriques de l'équateur magnétique s'explique tout naturellement.
Lignes isodynamiques. L'intensité magnétique du globe va croissante mesure que la latitude du lieu d'observation augmente. 11 n'est pourtant pas permis de penser que la ligne des intensités minima co'incide avec l'équateur magnétique tel que nous l'avons délini, mais tout autorise à admettre que ces deux ligues sont peu écartées l'une de l'autre. M.\I. Hansteen et Duperrey se sont particulièrement occupés de la détermination des lignes isodynamiques cà la surface de la terre ; ces lignes sont très-irrégulières.
De Humboldt ayant constaté une intensité minimum sur l'équateur magnétique, dans le Pérou septentrional, on s'est accordé depuis à prendre po ir unité, l'intensité correspondante à ce point. En opérant ainsi, on trouve les nombres du tableau suivant ;
