Des spectres magnétiques instantanés

Une plaque à alvéoles contenant des petits barreaux de fer doux ou un peu de limaille de fer enfermée dans une pochette transparente contenant de l’huile, il n’en faut pas plus pour faire apparaître les lignes de champ magnétique de quelques aimants usuels.

Fiche d’accompagnement de l’expérience: 

Matériel
  • une plaque à alvéoles en plastique transparent contenant dans chacune de ses alvéoles un petit barreau de fer doux de 8 mm de long.

  • une table lumineuse ou un rétroprojecteur

ou à défaut :

  • une pochette plastique transparente (taille A5) ;

  • un liquide transparent de viscosité moyenne, par exemple de l’huile de table ou de la glycérine ;

  • de la limaille de fer ;

  • un aimant ;

  • accessoires : un fer à souder et une plaque résistant au feu ou un appareil pour sceller les sacs plastiques.

Montage et réalisation

Cas d’une plaque à alvéoles en plastique transparent.

Approcher un aimant droit : les différents barreaux de fer s’orientent en fonction du champ magnétique auquel ils sont soumis.

Placer cette plaque sur une table lumineuse pour visualiser sur un écran les phénomènes magnétiques.

Placer tout d’abord un aimant droit et observer l’orientation des barreaux.

Ceux-ci se placent tangentiellement aux lignes de champ magnétique de l’aimant, qui décrivent des courbes reliant ses deux pôles, le pôle Nord (repéré en rouge) au pôle Sud (repéré en noir).

Repérer quelques lignes de champ et quelques vecteurs champs magnétiques.

Placer maintenant sur la plaque un aimant en U.

Observer encore les lignes de champ qui relient les deux pôles à l’autre.

Remarquer qu’entre les branches de l’aimant en U les lignes de champ sont quasiment parallèles.

Tracer quelques lignes de champ et observer le champ quasi uniforme entre les branches de l’aimant en U.

Cas de la pochette plastique transparente remplie d’huile

Si l’on ne dispose pas de cette plaque à alvéoles on peut réaliser des spectres magnétiques rapidement et sans aucune difficulté en utilisant une pochette en plastique transparente scellée contenant de l’huile et de la limaille de fer.

Pour ce faire :

Remplir une pochette plastique avec la quantité d’huile de table permettant d’obtenir à plat une couche homogène de 2 mm d’épaisseur.

Ajouter quelques grammes de limaille de fer puis sceller le côté ouvert de la pochette.

On peut souder le sac plastique en déplaçant la pointe chaude d’un fer à souder à environ 5 mm du bord (tenir le sac verticalement et appuyer la pochette sur une plaque inclinée résistant au feu).

Eviter d’emprisonner de l’air lors de cette opération.

Nous vous recommandons de vous exercer auparavant sur une pochette vide. La soudure sera encore plus facile si vous utilisez un appareil spécial pour souder les sacs en plastique.

Homogénéiser le contenu de la pochette en l’étalant avec la main.

« Effacer » le spectre précédent en lissant le contenu avec la main avant de faire un nouveau spectre.

Placer la pochette sur la vitre d’un rétroprojecteur ou d’une table lumineuse

Reproduisons les expériences précédentes.

Tout d’abord avec l’aimant droit…

0bserver de même les lignes de champ magnétiques dessinées par les grains de limaille de fer.

Puis placer l’aimant en U.

Observer encore des lignes de champ parallèles entre les branches de l’aimant en U.

Lorsqu’on applique un champ magnétique au voisinage de la pochette les grains de limaille s’aimantent et forment des dipôles magnétiques qui s’attirent mutuellement et s’alignent le long des lignes de champ.

Les grains de limailles jouent ainsi le même rôle que les petits barreaux précédents.

Explications

Si on examine au microscope un échantillon de matériau ferromagnétique, on constate qu’il s’organise en petits domaines dits « domaines de Weis » de dimension inférieure au mm..

Chaque domaine possède nativement une aimantation dont l’orientation est aléatoire.

Ainsi l’aimantation globale de l’échantillon est nulle

Quand l’échantillon est soumis à un champ magnétique extérieur, les aimantation de ces micro domaines s’orientent progressivement suivant la direction du champ magnétique extérieur.

Lorsque le champ magnétique appliqué est suffisant, tous les domaines de Weis ont leur aimantation alignée suivant le champ extérieur appliqué.

La technique qui consiste à visualiser un spectre à l’aide de limaille de fer consiste à orienter les domaines de Weiss du fer suivant le champ magnétique appliqué, il en résulte alors une aimantation des grains de limaille.

Les dipôles magnétiques formés s’attirent mutuellement et s’alignent le long des lignes de champ.

Remarques

Pour faire un spectre magnétique on place habituellement une plaque de Plexiglas au-dessus de l’aimant et on la saupoudre de limaille de fer. Il faut parfois tapoter légèrement la plaque pour permettre à la limaille de former le spectre, surtout lorsque le champ magnétique est peu intense.

Les avantages de la méthode que nous présentons sont évidents : elle permet de se dispenser des opérations de saupoudrage, de récupération et de rangement de la limaille de fer. Les grains de limaille immergés dans le liquide peuvent s’orienter même sous l’action de champs magnétiques faibles. Autre avantage : on évite ainsi tout contact direct entre la limaille et l’aimant (ceux qui ont déjà eu le « plaisir » de récupérer de la limaille sur un aimant sauront apprécier ce détail). Mais l’avantage principal tient à la rapidité et à la simplicité de la mise en œuvre : on peut ainsi répondre aux questions des élèves ou à leurs propositions de modifications en réalisant l’expérience « sur le champ ».

Une fois qu’on a préparé une pochette de visualisation des spectres il ne faut surtout pas manquer d’examiner le champ magnétique formé par deux aimants qui interagissent (par exemple le champ entre deux pôles de même nom ou de noms différents). Mais attention, si vous aimez expérimenter vous verrez que c’est un jouet accaparant qui peut vous occuper tout un après-midi sans que vous voyiez passer le temps !

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