CHAPITRE PREMIER
Cerlains minerais appelés pierres d'aimant ou aimants naturelsy constitués par Toxyde de fer magnétique Fe'O*, jouissent de la propriété d'attirer le fer. C'est Thaïes de Milet qui les découvrit àMagnésia dans rAsîe~ Mineure, d*où leur vient le noicn de maynétite. Certains barreaux d'acier frottés avec ces pierres d'aimant acquièrent la même propriété et forment des aimants artificiels.
Les phénomènes ainsi manifestés par les aimants naturels et artificiels sont dits phénomènes magnétiques y et leur étude constitue le magnétisme,
51. Pôles d'un aimant. — Jusqu'à 1600, on ne connaissait que la propriété des aimants u
d'attirer le fer. A cette époque, Gilbert reconnut que dans un aimant il existe toujours deux régions opposées où l'attraction est plus grande^ll nomma ces régions pôles de l'aimant. ^
On montre expérimentale- *''«• "a^n^^S. ''*'""* ment l'existence des régions polaires d'un aimant en le roulant dans de la limaille de fer : cette limaille s'accumule vers les extrémités et y forme deux houppes caractéristiques (fig. 11).
52. Fantômes ou spectres magnétiques. — Si, après avoir placé un aimant sous une feuille de carton ou une lame de verre, on projette de la limaille de fer à Taide d'un tamis,
ÉNERGIE ÉLECTHIQI:E.
on voit la limaille se disposer suivant des lignes réguUèrôs (4 Former une image à laqucllo Gilbert a donné te nom <lo spectre ou fantôme inaynètiqiie. Ces lignes régulières constij lucnt des lignes de force sur les propriétés desquelles oi aurons souvent à revenir. On peut conserver et fixer les il tomes ainsi obtenus de plusieurs façons :
De Haldal conservait les Fantùmes en appliquant au-desi une feuille de papier enduite de colle d'amidon sur laquelle
do
isti^i'
- Kiialion di^s fauldoics i
limaille s'attache et adhfere; M. Mayer forme le fantAme i une lame de verre vernie à la cire d'Espagne chauffée ensuj par dessous; M. SUvanvs Thompson gomme préalablement « lame de verre ou une feuille de papier; après avoir produîtl fantôme sur une surface sfechc de verre ou do papier, il pfT jette de la vapeur d'eau ou de l'eau pulvérisée : la gomma I redissout et fixe la limaille lorsqu'elle sèche de nouveau (fig. IS On peut enfin employer le papier de fcrro-cyanurc de poU sium sur lequel on forme le fantôme dans l'obscurité et qu'd expose ensuite au soleil pendant le temps nécessaire. Après tf vago, le fantôme se déinche très netlemciil en blanc sur fond blea
MOTIONS CÉSÉflALES DE MAGNÉTISME. 30
. figure 13 montre le F&nldnic magnéliquc iruii barreau t posé à plat.
f - ti t( aie t ]U <lu a H l I >lt.
" 63. Direction d'un aimant par la terre. — Prenons une petite aiiriiillo niniimli'e et suspondons-la par soii centre de gravili^' en [a laissant libre de so. mouvoir, en la supportant
It un étrier, un pivot, ou un bouchon flottant sur un liquide, lis renfarqiions que l'un des pAles de l'aiguille se dirige à t prés vers lo nord de la terre, et l'autre vers le sud. Dn appelle p/iles de m^me nom tous ceux qui, ainsi abaniinés à eux-mêmes, se dirigent du même cûlé. et paies de ms contmire-i ceux qui se dirip;ent en sens contraires. 54. Attractions et répulsions magnétiques. Noms des pâles. — Lorsqu'on appruclie ces pôles les uns des autres, % observe entre eux des allntclions ou des répulsions et l'on tslalc expérimentalement que :
^tespâles de même nom se repoussent, lespiiles de noms coii-
s'attirent.
Pour distinguer les pûles entre eux, on appelle, par con- ^ion, pâ/c nord d'un aimant celui qui se dirige vers le nord (la terre, et pôle sud celui qui se dirige «ers le sud ('). On ^ quelquefois une marque au pôle se dirigeant vers le nord
g 11 but ivilPr nvee le plus grand soin d'oiiiplojTr !'■» aiiciiMines déaigMii- ■ de p6le autiral et pille boréal, qui prf tc^iit k i^ourusiuii.
et on rappelle pôle marqué^ le pôle sud étant alors, par opposition, le pôle non marqué,
66. Corps magnétiques et diamagnétiques. — Le fer n*est pas le seul métal jouissant des propriétés magnétiques, le nickel, le cobalt, le chrome, le cérium, le manganèse jouissent des mêmes propriétés, bien qu'à des degrés très différents.
On appelle ferro-magnétiques, parcmiagnétiqueSj ou simplement magnétiques tous les corps attirés par Taimant.
Certains corps sont au contraire repoussés par l'aimant. Brugmann a reconnu cette propriété pour le bismuth en 1778. Faraday Ta étudiée et montré qu'elle était sensible, quoique très faible, avec l'antimome, le phosphore, le cuivre, etc., et il a appelé diamagnétiques ]cs corps repoussés par les aimants. Le diamagnétisme n'est qu'un cas particulier du magnétisme, comme nous l'établirons plus tard.
66. Forces magnétiques. Pôles d'un aimant. — Les attractions et les répulsions exercées entre les aimants s'appellent forces magnétiques. Si Ton considère deux barreaux aimantes, il s'exerce entre eux quatre actions et l'effet total est la résultante de ces quatre actions : deux attractions entre les pôles de noms contraires, deux répulsions entre les pôles de même nom. Si nous allongeons indéfiniment les deux barreaux en diminuant en même temps leurs dimensions transversales, les régions que nous avons appelées jusqu'ici pôles deviendront de plus en plus petites, se localiseront et tendront vers doux points géométriques, où seront concentrées toutes les actions magnétiques. Les pôles d'un aimant sont les points d'application des résultantes des actions magnétiques exercées par le barreau tout entier à une distance suffisante pour que les forces exercées puissent être considérées comme parallèles.
67. Lois de Coulomb. — En faisant agir entre eux les pôles de deux aimants très longs à des distances assez faibles et dans des positions telles que l'on puisse négliger les actions des deux autres pôles. Coulomb a établi expérimentalement, à Taide de sa balance, la loi suivante (*) :
(<) Nous renvoyons aux traités de physique pour la démonstration expérimentale de ces lois et la description de la balance.
Les actions aliraciives ou répulsives entre dettx pôles nwgné-tiques sont en raison inverse du carré de leur distance.
Les forces exercées entre différents pôles d'aimants placés à des distances égales n*étant pas égales, on est conduit à considérer des pôles plus ou moins intenses, présentant des masses magnétiques plus ou moins grandes, et à prendre pour mesure de ces masses magnétiques ou intensités de pôle les forces mêmes qu^elles exercent.
En appelant m et m' les masses magnétiques ou intensités des pôles en présence, d leur distance, /' la force qui s\>xerce entre eux, la loi de Coulomb complète s*écrit alors :
^ j mm
k est une constante dépendant du milieu dans lequel s'exercent les actions magnétiques. On simplifie la formule en considérant A* comme une constante et en lui donnant la valeur 1. C'est là riiypothèse fondamentale qui sert de base au système des quantités, grandeurs et unités G. G. S. magnétiques, et qu'on appelle, pour cette raison, système magnétique C. G. 5.
58. Système magnétique G. G. S. — Dans ce système, la formule de Coulomb, simplifiée par l'hypothèse A: = i , devient :
.. mm'
La force f est attractive on répulsive, suivant que m et m' sont de noms contraires ou de même nom. En convenant de donner le signe -|- au pôle nord, et le signe — au pôle sud, le signe de la force indique celui de la répulsion, une répulsion négative correspondant à une attraction.
C'est en partant de la loi de Coulomb que s'établissent, par définitions successives, les relations entre les quantités magnétiques, ainsi que les unités G.G.S. correspondantes.
59. Intensité de pôle (m). — Deux pôles dont les intensités sont m et m' placés à une distance d exercent entre eux une force donnée par la loi de Coulomb.
-^ mm'
En faisant m=zm', on en tire : Frf*=m* et m=d^V. Les dimensions de Tintensité du pôle magnétique sont :
Vunité C.G.S. (Tintemité de pôle magnétique est l'intensité du pôle qui repousse un pôle semblable placé à une distance de I centimètre avec une force égale à i dyne. Cette unité n*a pas reçu de nom spécial.
60. Moment magnétique (911). — Le moment magnétique 9n d'un barreau est le produit de l'intensité de l'un de ses pôles m par leur distance /.
Les dimensions du moment magnétique sont: L^MâT"*.
h'imitc C.G.S. demoinent inagnétiqiie est le moment d'un barreau aimanté dont l'intensité du pôle est de i unité C.G.S. et la distance des pôles de i centimètre.
61. Intensité d'aimantation (3). — L*intensité d aimantation d'un barreau aimanté est le rapport de son moment magnétique 911 à son volume V.
Les dimensions de l'intensité d'aimantation sont: L">M»T"*. Dans un barreau long, on peut écrire, en appelant S la section du barreau et / sa longueur
L'intensité de pôle d'un barreau aimanté est égale à son intensité d'aimantation multipliée par la section du barreau.
Uttnité CG.S. d'intensité d'aimantation est celle d'un barreau de I centimètre cube et dont le moment magnétique est de I unité C.G.S.
62. Champ magnétique. — L'espace qui entoure un aimant et dans lequel s'exercent les actions magnétiques s'appelle champ magnétique.
Les fantômes magnétiques (52) mettent l'existence du champ
magnétique en évidence ; les lignes tracées par la limaille de fer ne sont pas autre chose qu'une représentation grossière de Tintensité et de la direction de la force magnétique en chaque point. Le champ magnétique serait entièrement déterminé si on connaissait en chaque point la direction, le sens et la grandeur de la force magnétique.
Supposons un pôle nord isolé, libre de se mouvoir dans le champ magnétique, il décrira une trajectoire qui est la ligne de force passant par le point de départ de ce pôle. La direction est donnée à chaque point par la tangente à la trajectoire que décrirait un pôle nord placé en ce point ; le sens est celui du mouvement du pôle, la grandeur de la force magnétique ou intensité du champ se mesure par la force exercée par le champ sur le pôle (63).
On traduit cette direction conventionnelle des lignes de force en disant que les lignes de force sortent du pôle nord et rentrent dans le pôle sud. La direction des lignes de force indiquant le sens de Taction magnétique, on comprend ainsi qu'un pôle nord soit repoussé par le pôle nord,
et attiré par le pôle sud d'un ^'>»- ^*- - Direction conventionnelle et . forme des lignes de force d'un barreau
aimant. ..
^ ^ aimante.
Une ligne de force est une ligne fermée allant du pôle nord au pôle sud à l'extérieur du barreau aimanté et du pôle sud au pôle nord à l'intérieur de ce barreau. La figure 14 représente grossièrement la direction :onventionnelle et la forme des lignes de force du champ magnétique produit par un barreau aimanté. Les lignes de force magnétique sortent du pôle nord et rentrent dans le pôle sud.
Champ magnétique uniforme. — Lorsque les lignes de force l'un champ sont parallèles et équidistantes, le champ est dit iniforme. Le champ magnétique^terrestre peut, dans un espace le faibles dimensions, être considéré comme rigoureusement iniforme. H en est de même du chfl ~iiiit par un aimant
placé à une grande distance '"*un petit
volume de ce champ.
63. Intensité de champ magnétique (H). — La force F exercée par un champ maglié tique sur un pôle d'intensité m est proportionnelle à l'intensité du pôle m et à l'intensité du champ. L'intensité du champ II est donc le rapport de la force F exercée par le champ sur un pôle m à l'intensité de ce pôle.
Les dimensions de l'intensité de champ sont: L'^M^T"'.
ISunité C.G.S. d'intensité de champ est celle d'un champ qui exerce une force de i dyne sur un pôle de i unité C.G.S d'intensité placé dans le champ.
64. Flux de force magnétique (^). — Considérons un champ magnétique uniforme et un plan perpendiculaire à la direction des lignes de force de ce champ. Si nous découpons dans le plan une surface 8, elle sera traversée par un certain nombre de lignes de force ou flux de force magnétique (') proportionnel à la surface S et à l'intensité du champ H.
Le flux de force magnétique, ou, par abréviation, /72/x de force, a donc pour expression HS. Ses dimensions sont: LîM"T~*.
h' unité C.G.S. de flux de force est le flux traversant une surface de I ccnlimètro carré lorsque Tintensité du champ est de I unité C.G.S.
Lorsque le champ n'est pas uniforme, le flux élémentaire d*
est égal à 11 as. Pour une surface quelconque, son expression
générale est
Jll ds
expression dans laquelle 11 peut varier d*un point à un autre.
65. Flux de force total dû à un pôle magnétique d'intensité m. — A une distance / du pôle, le champ produit par le pôle a pour valeur, en vertu de la loi de Coulomb (57) :
Pour une surface as le flux de force est égal à — 73—.
(>) Nous préférous l'expression flux de force usit(^e en France à l'expression nombre de lignes de force employée en Angleterre, parce que la première, outre aa simplicité plus grande, implique une idée de continuité plus conforme à la réalité.
Et pour la sphère entière de rayon /dont la surface est égale h iizl^y le flux est égal à
Lorsqu'on considère un barreau aimanté très long, dont rintensité de pôle est m, le flux d'induction total est alors égal à i'::m h l'intérieur du barreau, et à ^7:m en dehors du barreau, en vertu de la conservation du flux, les lignes de force constituant des circuits fermés.
Tout corps ou substance magnétique placé dans un champ magnétique prend une certaine aimantation qui dépend de la nature du champ et de celle de la substance. Le phénomène porte le nom A'induction magnétique et l'aimantation ainsi développée s'appelle aimantation induite. Le champ magnétique est le champ inducteur.
L'aimantation induite par un champ magnétique sur un barreau est toujours produite dans la direction générale des lignes de force de ce champ. Un barreau de fer placé dans un champ uniforme, par exemple, présente un pôle sud à l'exlrémité par laquelle les lignes de force le pénètrent, et un pôle nord à l'extrémité par laquelle elles en sortent.
Lorsque le champ inducteur disparaît, Taimantation induite disparaît plus ou moins complètement. L'aimantation qui persiste après la disparition du champ inducteur est le magnétisme résiduel.
Avec de l'acier trempé, le magnétisme résiduel est grand, et Ton obtient un aimant permanent. On dit que l'acier possède une grande force coercitive. Avec du fer doux bien recuit, le magnétisme résiduel disparaît presque complètement avec le champ inducteur; la force coercitive du fer doux est faible (*).
66. Induction magnétique ((B). — Considérons un barreau long et mince placé parallèlement à la direction des lignes do force dans un champ magnétique (') d'intensité JC. Si S est la
(1) Sous réserve de phénomènes particuliers dont nous parlerons à propos de rélectromagnéUsme.
(S) Nous désignons par H un champ magnétia"* ^ *i. et par ^ un
champ magnétique inducteur.
section du barreau , il est traversé par un flux d'induction magnétique total proportionnel à sa section S et à un facteur (B, qu'on appelle induction magnétique. L'induction magnétique est le rapport du flux d'induction à la section du barreau, elle est donc homogène à une intensité de champ. Ce flux d'induction est, d'autre part, égal au flux dû au champ d€S, plus celui dû à l'aimant \T.m, Mais le barreau étant très long« on a (61)
„ ml m -^
d'où
L'induction magnétique est donc égale à l'intensité du champ inducteur, plus 4^ fois l'intensité d'aimantation.
67. Perméabilité magnétique ([x). — Lorsqu'un corps magnétique est placé dans un champ inducteur 5€, il s'y développe une induction magnétique d'autant plus grande que le corps est plus perméable au magnétisme. On appelle perméabilité magnétique {x du corps le rapport de l'induction magnétique (R au champ inducteur J€
{x est un coefficient numérique n'ayant pas de dimensions.
68. Susceptibilité magnétique (y.). — Lorsqu'un corps magnétique est placé dans un champ inducteur d'intensité X, il prend une intensité d'aimantation 3 d'autant plus grande que sa susceptibilité magnétique est plus grande.
On appelle susceptibilité magnétique ou coefficient d'aimantation induite le rapport x de son intensité d'aimantation 3 à l'intensité du champ inducteur J€
JC'
X est un coefficient numérique n'ayant pas de dimensions. Relation entre ^et y., — En tirant de (2) et (3) les valeurs de (B et de 3 et remplaçant dans (i) on trouve :
