Approchez deux aimants l'un de l'autre et quelque chose d'invisible les tire l'un vers l'autre, ou les repousse. Les enfants le remarquent tout de suite, les adultes aussi. Alors comment fonctionnent les aimants, et pourquoi un jouet magnétique est-il si différent d'un jouet qui se referme simplement avec un clic ? Voici le magnétisme pour les enfants et les grands, en mots simples, avec les sources.
En bref
- Un aimant produit un champ magnétique invisible. Il a un pôle nord et un pôle sud : les pôles opposés s'attirent, les pôles identiques se repoussent.
- Dans le fer, le nickel et le cobalt, les minuscules effets magnétiques des électrons s'alignent à l'intérieur de petites régions appelées domaines. Alignez les domaines et la pièce devient un aimant permanent.
- L'attraction et la répulsion que vous sentez dans les jouets magnétiques, c'est cette physique, rien de plus mystérieux.
La réponse courte
Un aimant est, selon les mots de Wikipédia, « un matériau ou un objet qui produit un champ magnétique ». Le champ est invisible, mais c'est lui qui fait qu'un aimant attire le fer ou attire et repousse d'autres aimants. La NASA le dit simplement : un aimant a deux extrémités, appelées son pôle nord (N) et son pôle sud (S), et la région où l'on peut sentir son attraction et sa répulsion est appelée, de façon approximative, un champ magnétique.
Quels pôles attirent, et lesquels repoussent ?
La page éducative du Goddard de la NASA donne la règle en une phrase : l'extrémité N repousse l'extrémité N d'un autre aimant, S repousse S, et N et S s'attirent. N'importe quel pôle peut aussi attirer des objets en fer comme des épingles et des trombones.
| Ce que vous faites | Ce qui se passe |
|---|---|
| Approcher un pôle nord d'un pôle sud | Ils s'attirent. |
| Approcher un pôle nord d'un pôle nord (ou sud de sud) | Ils se repoussent. |
| Approcher l'un ou l'autre pôle d'une épingle ou d'un trombone | L'objet en fer est attiré. |
La page pour enfants de la NASA sur Mars Global Surveyor dit que les champs magnétiques sont, « en termes simples », les zones d'influence d'un aimant. Elle décrit aussi une expérience classique : saupoudrez de la limaille de fer sur un aimant en barre et elle forme des cercles qui montrent les lignes du champ magnétique.
Pourquoi seules certaines choses sont-elles magnétiques ?
Wikipédia cite les éléments fer, nickel et cobalt, et leurs alliages, parmi les matériaux qui peuvent être aimantés. La raison se trouve à l'intérieur des atomes. Le même article dit que de nombreux matériaux ont des spins d'électrons non appariés, et que lorsque ces spins s'alignent spontanément, le matériau est ferromagnétique.
HyperPhysics, de la Georgia State University, le décrit ainsi pour les matériaux ferromagnétiques : les spins d'électrons non appariés s'alignent parallèlement les uns aux autres dans une région appelée domaine. À l'intérieur d'un domaine, le champ est fort, mais les nombreux domaines sont orientés au hasard les uns par rapport aux autres.
Qu'est-ce qu'un domaine magnétique ?
Wikipédia définit un domaine magnétique comme « une région à l'intérieur d'un matériau magnétique dans laquelle l'aimantation a une direction uniforme ». Des domaines voisins peuvent pointer dans des directions différentes, si bien que dans un morceau de fer ordinaire leurs champs s'annulent en grande partie à l'extérieur du matériau.
L'aimantation change cela. Selon le même article, un champ magnétique extérieur fait croître les domaines orientés dans le sens du champ aux dépens des autres. Quand le champ est retiré, les domaines alignés demeurent, et la pièce reste magnétique. C'est ainsi qu'un morceau de matériau ferromagnétique devient un aimant permanent. L'article ajoute que chauffer ou frapper un aimant peut libérer les parois des domaines et le désaimanter.
Aimants permanents et électroaimants
Wikipédia distingue deux sortes. Un aimant permanent est fait d'un matériau aimanté qui crée son propre champ magnétique persistant. Un électroaimant est une bobine de fil qui se comporte comme un aimant tant qu'un courant électrique la traverse, et qui s'arrête quand le courant s'arrête. Des blocs qui tiennent ensemble sans rien brancher reposent sur le premier type.
Pourquoi les jouets magnétiques sont si satisfaisants
Nous n'avons trouvé aucune étude qui mesure pourquoi les jouets magnétiques sont satisfaisants ; nous nous contentons donc de décrire ce que la physique permet de ressentir. Wikipédia note que l'intensité du champ d'un aimant diminue avec le cube de la distance à son centre. Concrètement, un aimant agit fortement de très près et faiblement un peu plus loin. L'attraction se ressent donc surtout quand deux pièces se rapprochent.
La règle des pôles fait le reste. Deux pièces qui se rencontrent du bon côté se tirent l'une vers l'autre jusqu'à se mettre en place. Retournez un aimant et les pôles qui se rencontraient sont maintenant identiques, ils se repoussent donc. Pas besoin de tenon, de prise ou de clic, seulement du bon côté dans le bon sens.
Wikipédia cite aussi les jouets d'enfants parmi les usages courants des aimants, et montre un jeu de construction fait de tiges magnétiques et de sphères métalliques.
Le magnétisme pour les enfants : quoi observer en jouant
- Quels côtés s'attirent, et lesquels se repoussent ?
- L'attraction ou la répulsion diminue-t-elle quand les pièces s'éloignent ?
- Un aimant attire-t-il tous les matériaux de la pièce, ou seulement certains ?
Ce sont les mêmes questions auxquelles répondent les sources ci-dessus, et un enfant peut les tester en une minute. Une remarque honnête : Wikipédia met en garde contre le fait que des aimants avalés peuvent être dangereux, surtout si deux ou plus sont avalés. Lisez d'abord les indications d'âge et de petites pièces de tout jouet magnétique.
Ce que nous choisirions
Pour construire, nos Pixel Magnetic Blocks (blocs magnétiques pixel) sont des cubes de 2 cm magnétiques sur toutes les faces. La page dit : deux blocs se touchent, ils s'encliquettent. Les aimants sont encapsulés dans le boîtier en ABS, et les coffrets existent en 100, 200 ou 400 cubes avec des figurines et un livret d'instructions. La page indique de petites pièces, pas pour les enfants de moins de 3 ans.
Pour conduire, le RC Magnetic Snake (serpent magnétique télécommandé) est un serpent télécommandé : on le pilote avec la télécommande, on disperse les blocs magnétiques et on regarde la queue s'allonger à chaque bouchée. Il émet des sons quand il avance, a une batterie rechargeable intégrée avec un câble USB, et la télécommande fonctionne avec 2 piles AA. La page indique l'âge de 6 ans et plus, dit qu'il est testé selon ASTM F963-23 et CPSIA, et dit que les aimants sont scellés dans les blocs et ont réussi le test des aimants ASTM F963. Un Single Snake est fourni avec 7 blocs magnétiques et un Battle Set comprend 2 serpents et 14 blocs.
Sources
- Magnet, Wikipédia : la définition, le champ, le fer, le nickel et le cobalt, aimants permanents et électroaimants, intensité du champ diminuant avec la distance, jouets parmi les usages courants, et la mise en garde sur les aimants avalés.
- Magnetic domain, Wikipédia : la définition d'un domaine, pourquoi un matériau non aimanté a peu de champ extérieur, comment l'aimantation aligne les domaines, et la désaimantation par chauffage ou martelage.
- Ferromagnetism, Wikipédia : les éléments ferromagnétiques courants et l'alignement des moments magnétiques des atomes voisins.
- Ferromagnetism, HyperPhysics, Georgia State University : spins d'électrons non appariés qui s'alignent dans un domaine, et domaines orientés au hasard.
- Magnetic Fields, pages éducatives du Goddard de la NASA : pôles nord et sud, la règle de répulsion et d'attraction, et les aimants qui attirent épingles et trombones.
- Mars Global Surveyor Magnetic Field Investigation, kids’ page, NASA : les champs magnétiques comme zones d'influence d'un aimant, et la limaille de fer qui montre le champ.
