I. Assimilation des alnants à des soIeMMes

1741. Dans cette même année 1820, où il découvrit les actions des courants les uns sur les autres et l'action de la terre sur les courants, Ampère posait les bases d'une nouvelle théorie, dans laquelle, rejetant les deux fluides de Coulomb, il ramène tous les phénomènes magnétiques à des effets de courants. Cette

1 Bibliothèque universelle de Genève (Archives des sciences), t. XXIV, p. 375. 4 Bibliothèque universelle' de Genève (Arcb. des se.), t. XI, p. 37 et 299.

THÉORIE DU MAGNÉTISME. 657

théorie lui vint à l'esprit pendant qu'il vérifiait les premiers phénomènes de l'électro-magnélisme, et c'est pour la contrôler qu'il entreprit ses recherches sur les actions mutuelles des courants.

Dans cette nouvelle théorie, que les découvertes subséquentes n'ont fait que confirmer de plus en plus, on suppose que : 1° les particules des aimants sont entourées de petits courants circulaires perpendiculaires à l'axe de l'aimant, et tous dirigés dans le même sens ; 2° ces petits courants, désignés sous lenom de courants <£ Ampère , existent aussi dans les substances simplement magnétiques, mais leurs plans n'ont aucune direction constante, de manière que les actions qu'ils tendent à produire s'entre-détruisent. L'aimantation a pour effet de leur donner les directions qu'ils possèdent dans les aimants. On conçoit facilement , du reste, que tous les petits courants moléculaires placés dans une même section transversale d'un aimant, produiront le même effet qu'un courant unique de même sens et d'intensité convenable qui suivrait le contour de la section, comme en S (fig. 1267).

Celte nouvelle explication du magnétisme, Fig. 4 267.

qui constitue l'une des plus belles créations

scientifiques de notre siècle, rend compte avec la plus grande facilité de tous les phénomènes du magnétisme et de l'électromagnétisme; nous allons les passer successivement en revue.

1742. Explication des différente phénomènes magnétiques et électro-magnétiques. — On voit tout d'abord pourquoi chaque portion d'un aimant brisé présente les mêmes propriétés que l'ensemble, tout étant disposé de la même manière dans les fragments et dans l'aimant entier.

Action directrice de la terre. — Le courant terrestre a pour effet de diriger un courant fermé, perpendiculairement au méridien magnétique, de manière que dans la partie inférieure le courant marche de l'Est à l'Ouest (1705) ; il en sera de même de tous les courants élémentaires de l'aimant, dont l'axe devra alors se placer dans le méridien magnétique. Une fois dans cette position les courants élémentaires marchant, dans leur partie inférieure, de l'Est à l'Ouest, on pourra marquer sur la surface de l'aimant, la direction du courant enveloppant qui peut les remplacer. Si l'on regarde la base de l'aimant qui se trouve du côté du Sud, S (fig. 4267), ce qui suppose que l'on se tourne vers le Nord, ce courant marchera de l'Est à l'Ouest à la partie inférieure. Pour se rappeler ce résultat, il suffit de remarquer, avec H. Faraday , que ce sens est celui du mouvement des aiguilles d'une montre. Il sera donc toujours facile de trouver le sens des courants dans un aimant dont on connaîtra les pôles.

Action des courants sur les aimants. — Un courant rectiligne tourne un aimant transversalement à sa direction, le pôle Nord à sa gauche; c'est

que, dans cette position, les courants d'Ampère sont parallèles au courant rectiligne, et de même sens dans la partie la plus voisine ( 1692).

Si l'aimant, ayant son pôle Nord à gauche du courant, est mobile dans le sens de sa longueur, il se déplacera jusqu'à ce que sa ligne neutre soit en face du courant; les courants d'Ampère, attirés par leur partie la plus rapprochée du courant fixe, étant alors en môme nombre de part et d'autre. Dans toute autre position il y aura mouvement, et il est facile de voir que l'équilibre sera stable ; il serait instable si le pôle Nord était à gauche du courant, comme M. Boisgiraud Ta constaté par l'expérience (1662).

Actions mutuelles des aimants. — Si l'on met en présence deux pôles de nom contraire, les courants iront dans le môme sens dans ces pôles, puisque les aimants auxquels ils appartiennent sont disposés comme deux portions d'un môme aimant coupé en deux à l'endroit des pôles qui se touchent ; il y aura donc attraction. Si l'on retourne bout à bout l'un des aimants, les courants y seront de sens contraire à ceux de l'autre aimant, et les pôles en présence se repousseront. Si les aimants, au lieu d'être sur le prolongement l'un de l'autre, sont l'un à côté de l'autre (fig. 1267), on voit qu'ils devront s'attirer, si les pôles contraires sont du môme côté ; car les parties les plus rapprochées seront alors de môme sens ; et se repousser, si les pôles en présence sont de même nom. Aimantation. — Dans les substances magnétiques, les courants élémentaires ont des directions quelconques ; pour les aimanter, il suffît de donner à ces courants une même direction. C'est ce que l'on peut faire avec un courant, qui tourne les courants élémentaires les moins éloignés, parallèlement à sa direction, de manière qu'ils aillent dans le même sens que lui dans les parties les plus rapprochées. Ces courants ainsi orientés, agissent ensuite sur les autres, de manière que l'action s'étend de proche en proche jusqu'aux extrémités. Les hélices, en agissant tout autour du barreau et sur un grand nombre de sections, produisent une aimantation plus intense.

Un aimant agit de la môme manière que l'hélice, par les courants élémentaires, tous dirigés dans le môme sens, qu'il contient. S'il y a de la force coërcitive, les courants élémentaires exigent, pour être dirigés, que cette force soit vaincue ; mais alors la position qui leur est donnée persiste, et l'aimantation est permanente ; tandis que, sans la ftrfce coërcitive, ces courants retomberaient dans leur confusion primitive.

Il résulte de là que l'aimantation doit avoir un maximum, qui a lieu quand tous les courants sont complètement orientés. Or, c'est ce que nous avons vn pour les électro-aimants (1670). Il semble résulter aussi, des mouvements particulaires qui ont lieu pendant l'aimantation (1677), que les courants élémentaires sont fixés aux particules , et que ce sont celles-ci qui changent de position pendant l'orientation des premières ; et alors la force coërcitive n'est autre chose que la résistance des molécules au déplacement, résistance d'autant plus grande que le corps est moins ductile.

Un courant fermé prend deux positions d'équilibre, par rapport à un courant

THEORIE DU MAGNETISME

Fig. 4 268.

indéfini parallèle à son plan; mais une de ces positions est instable. Cela explique l'existence des points conséquents des aimants; l'équilibre instable étant maintenu par la résistance que les courants élémentaires éprouvent , en vertu de la force coërcitive, à se retourner de 180°. 1913. soléxoùes. — Ampère désigne sous le nom de solénoïde ou cylindre électrodynamique , un système de courants circulaires infiniment petits, infiniment rapprochés, de même sens, et tous normaux à une même ligne, droite ou courbe. Il résulte de là qu'un aimant doit être considéré comme un faisceau de solénoïdcs. Pour confirmer sa théorie du magnétisme, Ampère a construit des systèmes de courants circulaires imitant la disposition des solénoïdes , et il a cherché à reproduire avec eux tous les phénomènes que produisent les aimants. La fig. 1263 représente un de ces solénoïdes artificiels : un fil de cuivre est plié de manière à former des cercles parallèles rr..., communiquant les uns avec les autres par de petites portions rectilignes aa.... perpendiculaires à leur plan , et dont les actions sont neutralisées par des parties rectilignes dirigées suivant Taxe du système, et qui se relèvent ensuite en f, f et se terminent par des crochets c , c' servant à suspendre le système d'une manière très mobile. Les flèches indiquent le sens du courant dans ses différentes parties, quand le pôle positif de la pile communique avec la coupe c.

Un fil enroulé en hélice , et dont les extrémités reviennent suivant l'axe, comme on le voit en AB ( fig. 1 269 ), produira les mêmes effets ; car, d'après le principe de la décomposition des courants , chaque spire peut être remplacée par ses deux projections, l'une, circulaire, sur un plan perpendiculaire à l'axe ; l'autre , rectiligne , sur une droite parallèle à l'axe , et cette dernière est neutralisée par les parties rectilignes du courant, qui reviennent suivant l'axe. Pour donner une grande énergie à un solénoïde, on le forme d'un fil fin recouvert de soie et faisant un grand nombre de tours juxta-posés sur un cylindre de carton, comme ab(ftg. 1270).

Les propriétés des solénoïdes sont les mêmes que celles des aimants. 1° Un solénoïde se dirige dans le méridien magnétique, de manière que, dans la partie inférieure de chaque spire, le courant marche de l'Est à l'Ouest. On doit donc y distinguer, comme dans les aimants, un pôle Nord et un pôle Sud

— 2° Si le solénoïde était mobile autour d'un axe perpendiculaire au méridien magnétique, son axe se dirigerait parallèlement à l'aiguille d'inclinaison, d'après ce que nous avons vu (1703). — 3° Un courant indéûni tourne an solénoïde en croix avec lui-même, de manière que son pôle Nord soit à sa gauche. — 4° Deux solénoïdes se repoussent par les extrémités de même nom, et s'attirent par les extrémités de nom contraire. — 5° Un aimant et un solénoïde agissent l'un sur l'autre comme deux solénoïdes ou comme deux aimants. Dans la fig. 1270, on voit un solénoïde mobile a6, avec lequel on peut faire ces différentes expériences avec facilité. Quand on fait agir deux solénoïdes l'un sur l'autre, on peut les faire traverser par un même courant , comme on le voit dans la figure.

1914. Résultats du calcul. — Ampère et Savary ont appliqué la formule qui donne les actions de deux éléments de courants (1698) , aux courants infiniment petits des solénoïdes ' . Il résulte de leurs calculs, que l'action d'an solénoïde d'un très petit diamètre aa' (fiy. 1271) sur un élément de courant mn, se réduit à deux forces r, r passant par les extrémités du solénoïde et perpendiculaires Fig. 4 274. à un plan passant par l'extrémité considérée et par l'élé-

ment de courant. Chacune de cet actions f varie en raison inverse du carré de la distance r, et proportionnellement au sinus de l'angle % que fait Vêlement avec la droite oa qui joint son milieu à l'extrémité a; de

sorte qu'on a f = — — — , formule qui coïncide avec celle qui exprime l'action

d'un aimant sur un élément de courant (1660) , et dans laquelle M est une constante qui dépend du solénoïde.

Il résulte de là que la forme d'un solénoïde n'a aucune influence sur les effets qu'il produit, et que tout dépend de la position de ses extrémités. Comme celles-ci agissent en sens opposé, il ne doit donc pas y avoir d'action quand elles se joignent de manière à former un anneau fermé. C'est, en effet, ce que l'expérience vérifie. Or, un aimant de forme annulaire donne les même résultats : MM. Gay-Lussac et Walter ayant aimanté un anneau d'acier en l'entourant d'une hélice réophore, reconnurent que cet anneau ne produisait aucun effet magnétique; cependant il était bien aimanté; car, l'ayant brisé, ils trouvèrent que chaque fragment constituait un aimant complet.

Le calcul montre encore que l'action exercée par l'extrémité d'un solénoïde indéfini sur un petit courant fermé, est la même que celle qu'exerce le pôle d'un aimant sur un élément magnétique. Tous les résultats donnés par l'analyse, tant pour les actions des aimants les uns sur les autres, que pour la distribution du magnétisme dans leur intérieur, se retrouveront donc quand on considérera les aimants comme des systèmes de solénoïdes.

* Mém. de VAc. des te, t. IV, 266 ; et àm. dech.ctdt j>h., *• série, t. XXIX, 381.

THEORIE DU MAGNETISME

Il y a cependant entre les aimants et les solénoïdes une différence, mais qui s'explique facilement; c'est que les pôles des aimants ne sont pas placés h leurs extrémités comme ceux des solénoïdes. Cela tient à ce que les aimants sont des faisceaux de solénoïdes, dont les petits courants fermés agissent les uns sur les autres.

Considérons, par exemple, un courant circulaire ac (fig. 1272) placé à gauche de l'axe AB, et prés de l'extrémité A ; les parties les plus rapprochées, a' , des couranls qui sont à droite de mn, repousseront la partie c et attireront la partie a, et comme il y a plus de courants au-dessous de ac qu'au-dessus, les actions résultantes sur a et sur c seront dirigées obliquement à AB. Les courants placés à la gauche de mn tendront à produire l'effet inverse , mais comme ils sont moins nombreux, le courant ac s'inclinera comme il est figuré, et d'autant plus qu'il sera plus éloigné de la ligne moyenne MM, et de l'axe AB. Les axes des solénoïdes formés par ces séries de petits courants, formeront donc des lignes convexes vers Taxe, dont les courbures seront d'autant plus prononcées qu'elles seront plus éloignées de cet axe, et que l'aimant sera plus gros. Les pôles de ces solénoïdes étant à leurs extrémités, le point d'application de la force résultante, c'est-à-dire le pôle de l'aimant sera h une certaine distance de son extrémité Aro. C'est sans doute en parlie à cette distribution des pôles des solénoïdes élémentaires que les aiguilles aimantées en forme de losange doivent d'être plus fortes que les aiguilles rectangulaires (1226).

Si l'on pouvait obtenir un aimant formé d'une file unique de molécule, ses pôles seraient exactement à ses extrémités. Nous avons vu, en effet, que les pôles des aimants se rapprochent d'autant plus des extrémités, que leur section est plus petite (1216). En outre, M. Savary a trouvé, par le calcul, qu'il y a identité complète entre les actions d'un filet magnétique, et celle d'un solenoïde, quand ce dernier agit à une distance assez grande pour que son diamètre soit négligeable ; et que le filet magnétique, comme le solénoïde, a ses pôles situés à ses extrémités.

191 S. Action d'un aimant sur le fer doux. — Il nous reste à expliquer dans la théorie d'Ampère, un point qu'on avait généralement laissé de côté et qui a été élucidé avec soin par M. Du Moncel '. Si l'on appuie un barreau de fer doux PP' (fig. 1273) sur le pôle d'un aimant , SN , d'après la théorie de Coulomb, le morceau de fer devienUin aimant ayant sa ligne neutre et ses deux pôles; d'après celle d'Ampère, le fer doux doit former un solénoïde formant la continuation de celui que représente l'aimant, et l'ensemble doit constituer un seul aimant dans lequel la position des pôles mathématiques et celle de la ligne

Fig 4272.

* Étude du magnétisme et de V électro-magnétisme , par M. Du Moncel, Paris, 4858.

neutre dépendra de la force relative et des dimensions des deux solénoïdes placés l'un à la suite de l'autre. Or, l'expérience du spectre magnétique (1494) a montré à M. Du Moncel, que la ligne neutre nn de l aimant se rapproche en effet du fer doux, et que celui-ci présente par toute sa surface l'attraction magnétique, sans partie neutre , . de manière à former « Y épanouissement • du pôle de

l'aimant. On reconnaît aussi au moyen

d'une petite aiguille aimantée, quêtons

les points de la surface sont de même

nom. Quand le fer doux est éloigné

de l'aimant, la partie la plus rapprochée

présente un pôle de nom contraire à

celui de l'aimant ; les actions mutuelles

Fig. 4273. des courants d'Ampère orientés dans le

fer, lui donnant alors une constitution

électro -magnétique , que la présence de l'aimant ne peut que modifier, et,

d'autant moins que la distance est plus grande.

Si l'on juxtapose deux aimants égaux bout-à-bout par les pôles contraires, ils devraient, d'après la théorie d'Ampère , n'en former qu'un ayant sa ligne neutre au point de jonction ; c'est en effet ce que montre le spectre magnétique, dont les courbes enveloppent ce point ; elles sont seulement un peu déformées, à cause de l'imperfection du contact.

II. Rotation dos courant* par los aimants, ot dos aimants par los courants.

1746. Rotation des courants par les aimants.

— Si les aimants peuvent être considérés comme des systèmes de courants circulaires, ils doivent produire sur les courants mobiles , les mouvements que produisent les courants circulaires. C'est , en effet , ce qu'a reconnu M. Faraday , au moyen d'un petit appareil qui a été perfectionné et modifié de diverses manières '.La fig. 1374 Fig. 4274. représente, à quelques détails prés, la disposition adoptée

par Ampère pour reproduire cette curieuse expérience. On voit que c'est l'appareil de la fig. 1243; seulement, le centre du vase est ouvert de manière qu'on puisse y introduire verticalement un aimant ns. Si n est le pôle Nord, et si le courant descend dans les fils a et fr, le système mobile tourne dans le sens de la flèche f> comme Pindique la théorie. On peut changer le sens du mouvement , soit en renversant le courant , soit en remplaçant le pôle Nord de l'aimant, par le pôle Sud. Un solénoïde mis à la place de l'aimant

* Annales de chimie et de physique, 2« série, t. XVIII, p. 329.