CHAPITRE m

§ I. — Magnétimie,

Aimants. — Les puissants courants dont on se sert pour réciairage, sont rarement obtenus au moyen de piles; ils sont presque exclusivement dus à des transformations d'énergie dynamique s'opérant sous Tinfluence d'actions magnétiques.

L'étude des courants électriques se trouve ainsi liée à celle des aimants ou, tout au moins, à la connaissance des quelques phénomènes magnétiques que nous allons exposer sommairement.

L'oxyde de fer (3 équivalents de fer et 4 équivalents d'oxygène), appelé /?i>rred'tfima;//, jouit de la propriété d'attirer à lui la limaille de fer, et du pouvoir de transmettre cette propriété à certains métaux appelés, pour cette raison, corps magnétiques.

Le plus souvent on se sert, pour l'élude du magnétisme, de barreaux d'acier appelés aimant». Les aimants sont tantôt droits, tantôt disposés en fer à cheval ou recourbés en demi-cercle, tantôt taillés en losanges, en forme de doubles flèches, etc., etc.; mais, quelles que soient leurs formes et leurs dimensions, ils ont tous certaines régions — ordinairement deux — où leur propriété d'attraction est plus développée, et des points intermédiaires où cette propriété est nulle. Les régions d'activité sont généralement aux extrémités de l'aimant et se nomment les/?^/^«; la partie non active est au milieu et se nomme zone neutre ou ligne neutre.

Quand il existe plus de deux régions actives, on conserve le

Dom de pôles pour celles qui sont aux extrémités de Faimant, et on appelle points conséquents les autres régions actives.

Hypothèse d'Ampère. — En étudiant les aimants, Ampère a été amené à considérer chaque molécule d'un corps magnétique comme un véritable aimant, ayant deux pôles et une orientation particulière, le tout constitué de manière que la somme des actions sur un point extérieur soit nulle. Sous l'influence d'une action extérieure, les molécules prennent une orientation spéciale, orientation qui persiste dans l'acier et dans les autres corps doués de force coercitive, et qui cesse dans le fer doux avec la cause qui l'a produite. L'origine de l'aimantation des molécules résulterait de courants permanents circulant autour de chacune d'elles.

Théorie de Hughes. — Le professeur Hughes, quia beaucoup étudié la structure moléculaire et les propriétés magnétiques de l'acier, a fait une théorie complète de l'action magnétique, dans laquelle il démontre :

1** Que chaque molécule d'une pièce d'acier, de fer ou de tout autre métal magnétique est un aimant distinct et indépendant, ayant deux pôles et dans lequel le magnétisme est distribué comme dans un barreau aimanté ;

2** Que chaque molécule ou sa polarité peut tourner ou changer dans un sens ou dans l'autre, sous un effort mécanique ou sous l'influence d'actions physiques telles que celles du magnétisme et de l'électricité;

3"" Que la polarité ou le magnétisme inhérent à chaque molécule est une quantité constante, comme la gravité, qu'on ne peut ni augmenter ni diminuer ;

4** Que, quand on a une neutralité extérieure, c'est-à-dire quand il n'existe que peu de magnétisme sensible ou apparent, les molécules ou leurs polarités se disposent de manière à satisfaire à leur attraction mutuelle par le chemin le plus court et en constituant ainsi un circuit fermé ;

5^ Que, quand le magnétisme se manifeste, les molécules ou

leurs polarités ont tourné symétriquement dans un sens donné, en produisant un pôle Nord si la rotation a lieu par rapport à la pièce d'acier, ou un pôle Sud si la rotation a lieu en sens contraire.

Dans le magnétisme sensible ou apparent, on a encore une disposition symétrique mais dans laquelle le cycle d'attraction n'est pas complet, sauf quand une armature extérieure relie les deux pôles.

Méridien magnétique. — Lorsqu'un petit barreau d'acier est suspendu par son centre de gravité, il est en équilibre indifférent; mais, si on l'aimante, il prend une position déterminée, à laquelle il revient toujours lorsqu'on l'en a écarté. La direction de ce barreau est le méridien magnétique \ elle diffère peu de celle du méridien terrestre. L'extrémité du barreau qui se dirige vers le Nord se nomme pôle nord on pôle austral-, l'autre extrémité, qui se dirige vers le Sud, se nomme pôle sud ou pôle boréal.

Champ magnétique d'un aimant. — Un barreau aimanté exerce autour de lui une action toute particulière : lorsqu'on approche de lui une aiguille en acier ou en fer, suspendue à un fil ou disposée sur un pivot de façon à pouvoir se déplacer librement autour d'un axe vertical, cette aiguille prend une position bien déterminée, suivant qu'elle est plus ou moins distante des pôles ou de la zone neutre. Les oscillations qui animent cette aiguille, avant qu'elle ait pris cette position d'équilibre, indiquent la grandeur de l'attraction en chaque point : lorsqu'elles sont courtes et rapides, la force est intense ; lorsqu'elles sont longues et lentes, la force est faible.

On nomme cliamp magnétique l'espace soumis aux influences magnétiques d'un aimant; tant que l'aiguille dont nous parlons ne se trouve pas en équilibre indifférent, elle est dans le champ magnétique de l'aimant.

Pour étudier les propriétés d'un aimant ou barreau aimanté, il suffit de placer cet aimant à plat, de manière à ce que les 2 pôles agissent, ou de bout, pour qu'un seul pôle soit en

action, sur une feuille de carton ou de verre qu'on saupoudre de limaille de fer au moyen d'un tamis. Dans leur chute, les particules de fer se disposent suivant des directions très caractéristiques, et en masses d'autant plus serrées qu'elles se rapprochent davantage des pôles. Les dessins résultant de cet arrangement de la limaille se nomment fantômes magnétiques ou spectres magnétiqurs.

La figure 3 représente le fantôme magnétique d'un barreau

Fig. 3. — Fantôme magnétique d*un barreau aimanté placé horizontalement.

aimanté placé horizontalement, et la figure A, celui d'un aimant placé verticalement sur la feuille de carton.

Lignes de force. — En examinant les fantômes magnétiques ci-contre, on remarque que les grains de limaille se disposent suivant des lignes déterminées, et que ces lignes sont beaucoup plus nombreuses aux pôles, c'est-à-dire là où l'intensité magnétique est plus grande. Ces lignes sont désignées sous le nom de lignes de force. Elles servent à apprécier le sens, la direction et la grandeur de la force agissant en un point donné d'un champ, ou la valeur totale d'un champ magnétique.

On admet, dans les calculs, que le nombre des lignes qui s'échappent d'un pôle est proportionnel à l'intensité du pôle.

L'expression flux de force remplace quelquefois celle de nombre de lignes de force.

L'examen de la figure théorique 5, qui représente le champ magnétique d'un aimant droit, montre que les lignes de force sont des courbes allant d'un pôle à l'autre. On admet qu'elles sont dirigées extérieurement du pôle Nord vers le pôle Sud, et qu'elles

Fig. 4. — Fantôme magnétique d'un aimant placé verticalement.

se ferment du pôle Sud au pôle Nord à travers l'aimant. Une aiguille aimantée N S, promenée le long d'une ligne de force, se place toujours tangentiellement à la courbe, et de telle manière que la ligne de force entre dans l'aiguille par le pôle Sud et en sorte par le pôle Nord.

Lois de Faraday. — Faraday a démontré :

i? Que toute ligne de force tend toujours à être aussi courte que possible ;

2** Que deux lignes de force parallèles et de même sens se repomsent ;

3« Que le nombre des lignes de force qui passent en chaque point est proportionnel à la grandeur de la force magnétique en ce points

Conformément à ces lois, quand deux aimants sont près Tun de i*autre, leurs lignes de force exercent les unes sur les autres des actions qui en changent les directions et en modifient la distribution.

Champ magnétique uniforme. — Un champ magnétique dans lequel toutes les lignes de force sont des droites parallèles et équidistantes est dit uniforme. Le magnétisme terrestre, par exemple, possède un champ qu*on peut considérer comme uniforme, car, si Ton considère un espace peu étendu, les méri-

Fig. 5. — Lignes de force.

diens magnétiques forment des lignes très approximativement parallèles et équidistantes.

Moment magnétique d'un barreau. — On appelle moment magnétique d'un barreau aimanté le produit de l'intensité magnétique de Tun des pôles par la distance des deux pôles.

En désignant par h Fintensité d'un champ uniforme ou la grandeur de la force qui agit sur l'unité de pôle ; par / la distance des pôles; par + P l'intensité du pôle Nord de l'aimant; par — p l'intensité du pôle Sud; et par M le moment magnétique, nous aurons pour les deux forces égales qui sollicitent les pôles : ph et — ph.

Ces forces forment un couple qui tend à orienter le barreau, dont le moment magnétique est :

Actions réciproques des courants et des aimants. — Lois d*Ampère :

1" Un courant électrique agissant sur une aiguille aimantée tend toujours à la placer dans une position perpendiculaire à la sienne, de manière que Je pâle Nord de l'aiguille soit à la gauche du courant ;

(La gauche du courant est définie par la position d'un observateur supposé placé suivant la direction même du courant et

¥ïg. 6. — Champ magnétique d*uD courant. (Le fil conducteur tu de bout.)

ayant la face tournée vers l'aiguille, de telle sorte que ses pieds soient du côté du pôle positif et sa tète du côté négatif; en d'autres termes, de telle sorte que le courant entre par ses pieds et sorte par sa tête.)

2® Lorsqu'un courant et un aimant sont en présence, Faction exercée entre un des pôles de V aimant et une portion infiniment petite du conducteur a une direction perpendiculaire au plan qui passe par le pôle et Vêlement de courant. Cette action varie en raison inverse du carré de la distance du pôle à P élément; elle est proportionnelle à Vintensité du courant^ à la quantité de magnétisme du

pâle et au $inu$ de Vanyle que fait la direction de l'élément avec la droite qui le joint im pôle.

Actions magnétiques des courants sur les courants. — Lois d'Ampère :

1® Deux courants parallèles et de même sens $' attirent;

^ Deux courants parallèles et de sens contraires se repoussent ;

13** Deux courants angulaires s'attirent s'ils s'approchent ou s'éloignent tous les deux à la fois de leur point de croisement; ils se repoussent si Fun s'approche de ce point tandis que Vautre s'en éloigne;

h^ L'action qui s'exerce entre deux courants est proportionnelle au produit des intensités de ces courants par leur longueur ; elle varie en raison inverse du carré de leur distance;

5^ Deux éléments constitutifs d'un même courant se repoussent.

Champ magnétique d'un courant. — Si on perce un trou dans une feuille de carton et qu'on * fasse passer dans ce trou un conducteur tra-

I versé par un courant, on observe que ce cou-

rant a un champ magnétique bien caractérisé.

"miéTIqu^exï^" » ^^^^' ^^^ ^^^^ ^^116 obsepvalion, de

autour d'an fil par- saupoudrcr la cartc avec de la limaille de fer ;

ront"éiwtriqmî.*^" ^^ ^oit alors (Fig. 6) Ics graius de limaille se

disposer en cercles concentriques suivant des.

lignes de force entourant complètement le fil.

Le conducteur tout entier est ainsi enveloppé d'une sorte de tourbillon magnétique dont la figure 7 donne une idée suffisamment exacte.

Solénoïde. — On appelle solénoide une suite AB de petits courants circulaires de même sens, dont les plans sont perpendiculaires à la ligne qui joint leurs centres (Fig. 8).

En pratique, le solénoïde est formé d'un conducteur unique

recouvert d'une substance isolante et enroulé en hélice sur un mandrin cylindrique de façon que les spires soient très rapprochées Tune de l'autre.

Les solénoïdes se comportent exactement comme des aimants : leurs extrémités s'attirent ou se repoussent ; ils agissent sur l'aiguille aimantée,' et s'orientent suivant le méridien magnétique, lorsqu'ils sont libres de se mouvoir autour d'un axe vertical, etc.

Pour reconnaître la nature des pôles d'un solénoïde, on suppose un homme couché sur le fil, de façon qu'il regarde l'axe et que le courant entre par ses pieds et sorte par sa tête ; le pôle Nord ou austral est à sa gauche, et le pôle Sud ou boréal est à sa droite (Fig. 9). Le courant va ainsi de m en «.