CHAPITRE II Le Magnétisme

§. 1. - LES AIMANTS ET LE CHAMP MAfiNÊTIQUE

S'il est vrai que dans les sciences déduclives, comme les mathématiques, l'esprit humain a suivi, dans les grandes lignes au moins, une marche qui Ta mené du simple au composé, si Ton est parti de quelques idées élémentaires, pour en tirer des notions de plus en plus compliquées, il n'en a pas été de même en ce qui concerne les progrès accomplis sur le terrain des sciences de la nature.

On peut dire, au contraire, que Ton a, en général, rencontré au début des faits complexes, ceux que nos sens imparfaits nous présentaient le plus facilement, sous des apparences d'ailleurs peu conformes à la réalité objective ; ces faits semblaient tout d'abord isolés les uns des autres, puis, à force de patientes investigations, de laborieuses recherches, suivies d'inductions hardies, Ton est parvenu à les réunir dans une de ces grandes synthèses qui dominent aujourd'hui nos connaissances et^ alors, ces

faits, jusque là mal compris et classés dans un ordre arbitraire, sont apparus, au point de vue du plus ou moins de simplicité qu'ils présentent, dans une hiérarchie très différente de celle qu'on leur avait précédemment attribuée.

C'est ainsi que les phénomènes magnétiques et les phénomènes électriques parurent, jusqu'à la célèbre expérience d'Oersted et jusqu'aux immortelles recherches d'Ampère et d'Arago, n'avoir entre eux aucune relation.

On avait bien observé que la foudre paraissait capable d'aimanter le fer; Gassendi, par exemple, avait signalé ce fait qu'à la suite d'un orage, la tige qui soutenait la croix du clocher de Saint- Jean d'Aix-en-Provence, avait acquis des propriétés magnétiques ; on avait même constaté qu'un morceau de fer, tel qu'un clou, acquiert par la décharge d'une bouteille de' Leyde, un magnétisme dont l'effet est très sensible. Mais ces remarques isolées, faites d'ailleurs à une époque relativement récente, avaient passé assez inaperçues et, même au début du siècle dernier, lorsque Ton commença à soupçonner certaines analogies entre le magnétisme et l'électricité, on continua à considérer l'aimant, dont quelques propriétés essentielles étaient connues depuis beaucoup plus longtemps, comme un ensemble singulièrement plus simple que la pile électrique de Volta, par exemple.

Ce n'est qu'à la suite des admirables travaux d'Ampère que l'idée prévalut que le phénomène fondamental est le phénomène électrique et que

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toutes les manifestations du magnétisme sont ducs à des courants électriques.

S'il en était bien ain?;, dans une exposition méthodiquement enchainéo, Tétudedes courants devrait précéder celle des aimants ; nous ne nous astreindrons pas cependant à suivre un ordre qui ne s'imposerait d'ailleurs qu'au cas où l'on admettrait les conceptions d'Ampère ou d'autres hypothèses équivalentes ; nous n'avons, en aucune façon^ la prétention de présenter ici un traité didactique conforme aux exigences d'une rigoureuse logique. Aussi bien, pour les physiciens qui adoptent la manière de voir de Maxwell et de Hertz, la seule chose certaine est que les deux champs, électrique et magnétique, qui existent en un point de l'espace, sont dans une dépendance mutuelle très étroite, et que la variatioii de celui-ci entraîne nécessairement la variation de celui-là et réciproquement ; mais, à cause de cette réciprocité même, il n'y aura aucune raison valable pour considérer comme primordial l'un de ces champs plutôt que l'autre.

Dans les machines industrielles, le rôle particulier que joue l'aimantation du fer est d'ailleurs celui qui attire tout d'abord l'attention, et c'est certainement une chose très digne de remarque que ce métal, dont la découverte fut peut-être la cause des premiers progrès de l'humanité dans la voie de la civilisation, se trouve être, aujourd'hui encore, le protagoniste nécessaire dans l'admirable spectacle que nous présente l'industrie électrique contemporaine.

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Que Ton réfléchisse à tout ce dont nous serions actuellement privés, si le fer n'entrait pas assez abondamment dans la composition de la terre, et Ton sentira combien noire vie matérielle et morale est dans Télroite dépendance du sol auquel nous sommes attachés.

A quoi tient celte propriété parliculiôre, que possède le fer, de prendre une aimanlalion beaucoup plus considérable que tous les autres corps ? On ne saurait encore le dire ; la question semble n'avoir pas même beaucoup préoccupé les anciens physiciens.

Durant de longs siècles, la pierre d'aimant naturelle qui attirait .la limaille, ou les morceaux de fer plus ou moins purs auxquels on communiquait une propriété analogue, semblaient des espèces de jouets qui ne piquaient guère la curiosité scientifique et même, longtemps après que remploi de la boussole fut devenu d'un usage courant, aucune théorie sérieuse du magnétisme ne fut proposée.

Il faut arriver au temps dé Descartes pour trouver un ensemble d'idées un peu cohérent sur la question. On imaginait alors, pour expliquer les phénomènes d'attraction des corps aimantés, qu'il sortait d'un aimant une sorte d'effluve de matière magnétique, dont les molécules s'accrochaient les unes aux autres ou prenaient un mouvement de recul, guivant lîi manière dont les effluves de deux aimants se rencontraient. On supposait qu'il y avait, dans le fer quelque chose d'analogue à des valvules qui perniettaient au fluide de passer dans un sens et lui refusaient au contraire le passage quand il sç pré-» sentait dans le sens opposé.

Une si vague conception ne pouvait aboutir à des résultats précis ; rien n'était saisissable par le calcul, parce que l'on ne connaissait aucune donnée numérique exacte.

Aepinus est le premier qui, pour expliquer les phénomènes du magnétisme, aitçmployé de simples forces soumises au calcul, mais la base nécessaire faisait défaut parce que Ton ignorait encore la loi de variation des actions magnétiques suivant la distance. Cette question semble bien avoir préoccupé Newton, mais il avait conclu, des expériences fort grossières faites à son époque, que les aimants agissent l'un sur Tautre en raison inverse du cube des distances, ce qui d'ailleurs peut être exact si Ton observe, dans certaines conditions, la résultante des actions des deux pôles d'un aimant mais ce qui n'est pas l'expression de la véritable loi élémentaire.

On sait comment Coulomb, à l'aide de la balance de torsion, réussit, en employant des aimants longs et minces,aimantés avec soin, à établir la loi de la force qui agit entre deux pôles magnétiques et à montrer que la répulsion qui s'exerce entre deux pôles de même nom varie en raison inverse du carré de leur distance.

Il résulte de cette loi fondamentale le moyen de parler, dans un sens précis et correct, de là quantité de magnétisme possédée par un pôle d'aimant, parce que cette quantité apparaît comme susceptible de mesure et que Ton peut définir en toute rigueur Tégalité et Taddition de deux quantités de magnétisme.

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Du fait que Ton accorde ainsi au magnétisme le titre de quantité physique, il ne faudrait pas conclure, d'une façon hâtive, que cette quantité est, ou qu'elle n'est pas, une substance, ou qu*elle appartient à quelqu'une des espèces connues des quantités physiques. Peut-être le succès de Thypothèse des deux fluides magnétiques a-t-il fait naître certaines erreurs sur ce sujet dans l'esprit de quelques physiciens.

On peut très bien considérer que la matière magnétique n'a, pour ainsi dire, qu'un sens purement mathématique, mais, quel que soit le nom que l'on donne à celte matière, elle ne peut manquer d'expliquer tous les phénomènes, surtout si on lui attribue, par défmition, les propriétés nécessaires pour teuir compte des faits observés, tels, par exemple, que ceux que révèle la classique expérience de Taimant brisé.

La parfaite conformité des expériences avec la théorie ne sera donc qu'une nouvelle confirmation des lois de Coulomb, mais ne devra être, en aucune façon, invoquée comme une preuve de l'exactitude de l'hypothèse des fluides.

Il semble bien toutefois que Coulomb et ses successeurs attribuèrent aux mots, dont ils usaient pour traduire ici leur pensée, un sens concret et que, pour eux, Jes fluides eurent une existence réelle. Peu importe, d'ailleurs, la langue que l'on parlé si les idées exprimées sont claires et exactes.

Pour Coulomb, tous les corps magnétiques renferment, dans chacune de leurs molécules à l'état naturel, des quantités égales et très considérables de fluide austral et de fluide boréal. Ces fluides sont

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d'abord répartis uniformément, mais, sousTinflucnce d'une force extérieure, rélément se divise en deux régions opposées, dans chacune desquelles l'un des fluides devient prédominant. Appliquant le calcul h cette hypothèse, Poisson a montré qu'elle rend compte de toutes les particularités de Taction réciproque des aimants ou de l'action des aimants sur le fer doux.

Ampère préférait admettre que toutes les molécules constituent autant de petits aimants permanents, primitivement orientés dans des directions quelconques de sorte que leur action extérieure est d'abord nulle, mais pouvant tourner autour de leur centre de gravité sans éprouver de résistance, s'il s'agit d*un fragment de fer doux, en éprouvant au contraire dans l'acier.

Nous verrons que celte idée reprise par Weber, puis par Maxwell, popularisée, pour ainsi dire, par Ewing permet d'interpréter la plupart des phénomènes. D'ailleurs Lord Kelvin a donné à la théorie une forme qui la rend vraiment indépendante de ridée de fluide et, quel que soit le point de départ adopté, par le développement analytique, on parvient à des ensembles équivalents où viennent se grouper et se ranger, dans un ordre parfait, toutes les propriétés essentielles d'un aimant.

Les géomètres qui furent les premiers constructeurs de ces imposants édiOces, étudiaient surtout les aimants en eux-mêmes; à leurs yeux, dans l'espace environnant, existaient seulement des centres de force agissant à distance.

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A Faraday appartient incontestablement l'idée première de chcrciior l'origino des pliénomènes magnétiques dans des actions réelles s'exerçant dans le milieu qui sépare les aimants. Pendant longtemps les physiciens s'imaginèrent à tort qu'il y avait une sorte d'incompatibilité absolue entre l'idée que Faraday se faisait ainsi des phénomènes et la méthode qu'avaient suivie les mathématiciens pour établir leurs théories. Malgré tout le respect avec lequel on envisageait les spéculations de ce grand esprit, le plus original et le plus fécond peutêtre de tous ceux qui ont illustré les Sciences expérimentales au xix*" siècle, malgré la parfaite clarté que l'on se plaisait à admirer dans ses « Recherches expérimentales sur F électricité », on était un peu étonné, disons même choqué, par certaines façons d'exprimer les choses qui n'étaient pas entièrement d'accord avec la forme conventionnelle do symboles mathématiques.

Maxwell a beaucoup insisté sur ce fait qu'en traduisant sous forme rigoureusement mathématique les idées de Faraday, on est, en général, amené a des conclusions tout à fait semblables, et même à des calculs identiques à ceux qu'ont développé, en partant de l'idée de fluides qui agissent à distance, Laplace, Poisson, Green et Gauss ; il dit même avec raison que plusieurs des plus fécondes méthodes de recherches découvertes par ces mathématiciens peuvent recevoir, au moyen des idées de Faraday, une forme bien préférable à leur expression primitive.

Aujourd'hui, depuis les découvertes de Hertz, l'idée directrice de Faraday a d'ailleurs triomphé; il n'est

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guère plus possible de nier, dans la propagation des actions électriques et magnétiques, le rôle essentiel des milieux intermédiaires. Quand donc on considère un aimant placé quelque part, il devient naturel d'extérioriser, en quelque sorte, le phénomène et de dire que, dans tout Tespace environnant, la présence de l'aimant a apporté une modification impor^ tante, que cet aimant a créé un champ autour de lui.

En quoi consiste celte modification? On ne saurait à l'heure présente le dire exactement. Aussi bien la question ne comporte peut-être pas de réponse.

Une chose seulement est certaine : le champ magnétique existe dans le vide, la modification atteint donc, tout d'abord, une substance idéale capable de remplir le vide lui-même et de pénétrer aussi les corps matériels. Il est, dès lors, assez naturel de supposer que cette substance ne doit être autre que î'éther lumineux et l'on sait que cette supposition conduit à des rapprochements remarquables entre les phénomènes de la lumière et ceux du magnétisme.

Mais on fait une hypothèse absolument gratuite lorsque l'on admet que cette modification, qui se produit ainsi dans I'éther, consiste en une modification mécanique, en une torsion par exemple. Rien ne prouve que le phénomène magnétique soit réductible à un phénomène mécanique et les images que l'on peut construire, lorsque Ton admet ce postulat, peuvent bien donner à l'esprit une apparence de satisfaction, fournir, pour ainsi dire, un support à nos pensées, mais elles sont sans doute condamnées à rester très éloignées de la réalité.

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Quelle que soit la nature intime du champ magnétique, il est d'ailleurs parfaitement défini par sa propriété essentielle. Si, en un point de ce champ, on plaçait Tunité de pôle magnétique, ce pôle serait soumis à une force dont l'intensité représente la valeur de ce champ et dont la direction est la direction même du champ à Tendroit considéré.

On peut encore dire que Ton reconnaîtra qu'un espace donné est un champ magnétique, lorsqu'on plaçant en un point de cet espace une petite aiguille aimantée, librement suspendue, cette aiguille s'orientera dans une direction fixe à laquelle elle reviendra si Ton vient à l'écarter de cette position d'équilibre, par une série d'oscillations isochrones. La direction de l'aiguille, définie parla droite qui joint ses deux pôles, détermine la direction du champ en ce point, le carré du nombre d'oscillations effectuées dans l'unité de temps donne une mesure relative de l'intensité de ce champ.

Tout le monde sait que l'on possède, grâce à l'expérience bien connue des fantômes magnétiques, un moyen très commode et très saisissant de peindre, en quelque sorte, la répartition des forces magnétiques dans une section plane quelconque. Cette expérience s'explique bien simplement, chaque grain de limaille, projeté aux environs de l'aimant qui crée le champ, s'aimante par influence et devient comparable à une petite aiguille pivotant sur une de ses aspérités, et comme, d'autre part, les attractions qui s'exercent sur la limaille, tandis qu'on la pro- 'ctte, ont accumulé les grains en plus grand nombre là où la force a plus d'intensité, on obtient en somme

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une ligure telle que les grains de limaille dessinent les lignes de force, c'cst-à-diro la ligne que suivrait dans le champ une particule magnéliquo (supposée privée d'inertie) et telle aussi que Tôpaisseur dos filaments donne une représentation assez approximative de rintensité relative de la force magnétique le long do ces lignes.

Ce modo de représentation est donc fort exact ; il rend dans l'enseignement d'incontestables services et son emploi a suggéré à plusieurs praticiens de véritables découvertes. 11 est utile, dans la pratique industrielle, de s'habituer à voir, pour ainsi dire, en imagination ces lignes idéales que le spectre magnétique rend tangibles, mais il ne faudrait pas donner à cette expérience une extension illégitime. Le flux magnétique qui traverse normalement une surface est le produit de cette surface par la valeur du champ ; il n'est, en rien, une émanatioa plus ou moins mystérieuse que produirait, d'une façon continue, l'aimant créateur du champ ; il nous donne seulement une sorte de mesure do la modification permanente apportée par l'aimant dans la région considérée.