Connue.
L'intérêt
que présentent ces objets réside dans la comparaison que l'on peut faire
avec les aimants modernes. Ceux-ci peuvent être courts, massifs, de formes
quelconques et se bien conserver tout en étant puissants (aimants de
fermetures magnétiques de portes, aimants de haut-parleur etc...).
Lorsque
les aimants, comme ceux-ci, étaient en acier, à faible champ coercitif, ils
n'étaient permanents et aussi « forts »
que possible qu'à la condition d'être beaucoup plus longs que larges afin de
réduire, à l'intérieur, le « champ
démagnétisant ».
De
plus, pour mieux les conserver, quand on ne s'en servait pas, on supprimait
presque le champ démagnétisant interne en constituant un « circuit
magnétique fermé ». Pour cela deux barreaux aimantés étaient
placés « tête-bêche », c'est à dire en position « anti-parallèle »,
à savoir pôle Nord (respectivement Sud) de l'un, près du pôle Sud
(respectivement Nord) de l'autre. Puis le circuit magnétique était « fermé » à l'aide de deux petits barreaux de fer doux
(armatures) appliquées sur les paires de pôles (ouvrir la boîte pour le
constater).
Voir
la « Boussole de déclinaison »
(objet « eld 2 - 3 »)
Les
progrès qui ont permis la réalisation d'aimants courts et massifs résultent
de la découverte de nouveaux alliages : aciers au tungstène, au
cobalt, alliages fer-nickel-aluminiun, alliages fer-cobalt-nickel etc.....
Les
progrès technologiques concernant les aimants résultent surtout des études théoriques sur le ferromagnétisme où se sont, entre
autres, illustrés : Pierre Weiss (1865-1940) qui introduisit les notions
de champ moléculaire, Louis Néel (né en 1904, Académie des Sciences en
1953, Prix Nobel de physique en 1970) qui découvrit l'antiferromagnétisme,
le ferrimagnétisme.... (application : aimants en ferrites), Lev Landau
(1908-1968) qui introduisit, indépendamment de Néel, la même hypothèse que
lui du champ moléculaire négatif et fit avec Lifshitz la théorie de la résonance
de moments magnétiques....
La
démagnétisation d'un aimant résulte du « basculement
des domaines de Weiss ». Pour cette démagnétisation, il faut
bloquer le basculement en introduisant certains atomes (alliages) ou en
isolant les domaines de Weiss dans une matrice de polymère.
Mesures
d'un champ magnétique, d’un moment magnétique.
Un
petit aimant de moment magnétique M, est suspendu à un fil de cocon traité
pour ne pas exercer de couple de torsion. Ce petit barreau est horizontal car
une petite surcharge équilibre le couple exercé par la composante verticale
du champ magnétique terrestre. Un petit miroir lié à l'aimant permet de
suivre sa rotation (méthode de Poggendorff. L'ensemble est protégé des
mouvements d'air par une enceinte de verre.
On
peut effectuer diverses mesures magnétiques à l’aide de ce dispositif.
1.
Exploration d'un champ magnétique, mesures relatives (de B, de M)
Si
l'aimant du magnétomètre est suffisamment petit, il « connaîtra »
un champ B sensiblement uniforme et
indiquera, dans son état d'équilibre stable, la direction de ce champ. Ecarté
de sa position d'équilibre, il oscille avec une période
.
(J
est le moment d'inertie de l'équipage mobile par rapport à l'axe de
rotation).
En
mesurant les périodes T1 et T2
en deux lieux distincts, où les intensités du champ sont
B1 et B2, on en déduit le rapport :
Il
s’agit alors de mesures relatives de champ magnétique.
On peut, de même, comparer, en un même
lieu, les moments magnétiques de deux aimants.
2.
Mesures absolues
Elles
résultent des mesures du produit MB et
du rapport M/B.
Le
moment d’inertie J n'étant pas
connu, on l’accroît d'une quantité connue J'
en surchargeant l'équipage avec des masselottes, et on mesure la nouvelle période T’ d'où le produit MB :
Il
faut ensuite accéder au rapport M/B. Un
magnétomètre donne la direction du méridien magnétique. On approche alors
l'aimant de moment magnétique M (celui qu'on utilisait précédemment) à une distance r
du magnétomètre grande par rapport aux dimensions des deux aimants. On a
alors interaction entre deux dipôles.
Dans
la première position de Gauss (figure ci-dessous) le champ BM créé
par M est perpendiculaire à B
(composante horizontale du champ terrestre) et vaut
. L'aimant du magnétomètre tourne de
tel que
.
Connaissant
ainsi MB et M/B on en déduit M et B.
HISTOIRE
Le magnétomètre a été imaginé et utilisé par Gauss (Carl
Friedrich 1777-1855), célèbre mathématicien et astronome allemand. En
physique il fit une théorie mathématique du magnétisme et ses travaux
furent exposés dans un ouvrage en six volumes qu'il publia avec Weber. Son
nom revient souvent dans divers domaines de la physique : lois de Gauss
et courbe de Gauss (probabilités), théorème de Gauss (dipôles électrique
et magnétiques), approximations de Gauss (optique géométrique) etc.. Ses œuvres
complètes furent publiées en sept volumes de 1863 à 1874. Il fut l'un des
premiers à signaler la possibilité de transmettre des signaux par courants
électriques.
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OBJET :
eld 2 - 3
Mesure
de l'angle que font le plan méridien magnétique et
le plan méridien géographique au lieu de l'appareil.
L'appareil
du musée est décrit (fig 412 p 529) dans le traité de physique de Ganot
(1862). Il comprend une boîte de cuivre (italien : bussola, petite boîte)
avec un pivot central sur lequel tourne une aiguille aimantée en forme de
losange. Le fond de la boîte porte des graduations pour la mesure de la
rotation de la boîte (mobile autour de son axe) par rapport à l'aiguille. La
rotation de la boîte, par rapport à son support (trépied à vis calantes)
peut se mesurer sur un cercle gradué qui entoure la
boîte (cercle azimutal) et qui appartient au support.
Deux
montants verticaux, fixés à la boîte, portent un axe horizontal sur lequel
est fixée une lunette. Cette lunette tourne dans un plan vertical d'une
rotation mesurable sur un arc porté par l'un des montants. Un niveau à
bulle, suspendu à un axe horizontal fixé aux deux montants, au dessus de la
boîte, permet les réglages préalables d'horizontalité (et verticalité)
pour deux positions orthogonales du niveau à bulle qui peut tourner avec
l'ensemble boîte-lunette).
Le
diamètre SN, gravé sur le fond de la boîte, se trouve, par construction,
dans le plan de rotation de l'axe de la lunette. Celle-ci permet des visées
astronomiques et le placement du diamètre SN du fond de la boîte dans le
plan méridien géographique. L'angle que fait cette direction avec l'axe magnétique
de l'aiguille aimantée, mesurable sur le fond de la boîte, est égal à
la déclinaison magnétique cherchée.
Remarque : l'axe de rotation de l'aiguille aimantée ne passe pas par
le centre de gravité afin d'annuler le couple dû à la composante verticale
du champ terrestre.
Les
chinois sont réputés connaître la boussole depuis la plus haute antiquité.
Yves Rocard raconte l'histoire d'une statue tournante qui aurait été
construite par Hoang Ti en -2637 ! Mais s'agissait-il de
l'utilisation du magnétisme terrestre ? Nous avons vu
un char portant une statue donnant une direction fixe, quelle que soit
la rotation du char, grâce à un astucieux mécanisme n'utilisant pas de
boussole ! Il est certain, par
contre, que les propriétés de la
boussole sont décrites dans un dictionnaire chinois terminé en plus de 120
ans et qu'aux
7ème et 8ème
siècles les navigateurs chinois utilisaient la boussole ; cet usage fut
connu des arabes qui le
transmirent aux européens. Les navigateurs européens du 15ème
siècles (Christophe Colomb ?) découvrirent la déclinaison en
constatant que la boussole n'indiquait pas exactement le Nord géographique.
FONCTION
"appareil
destiné à mesurer des courants intenses" (dixit : traité de
physique de Ganot).
Une
bobine circulaire de rayon R
faite de quelques spires (soit n) de gros fil peut être placée dans
un plan vertical (l'appareil est supporté par trois vis calantes). Cette
bobine peut tourner autour de son diamètre vertical, sa rotation
pouvant être mesurée avec précision (usage d'un vernier), sur un
cercle gradué fixe, situé au pied du support. Au centre de la bobine
circulaire une aiguille aimantée montée sur pivot peut tourner
dans un plan horizontal. Sa rotation
peut être mesurée sur un cercle
gradué horizontal. On peut accroître la précision
de cette mesure en utilisant une fine aiguille (amagnétique) solidaire
de l'aiguille aimantée (l'aiguille aimantée peut être supposée placée
dans un champ magnétique uniforme créé par
le courant à condition que
sa longueur, comparée au diamètre de la bobine ne soit pas trop grande).
L'axe de rotation de l'aiguille
aimantée ne passe pas exactement par son centre de
gravité afin que l'aiguille reste horizontale malgré l'action de la
composante verticale du champ magnétique terrestre. On supposera donc que
l'aiguille n'est soumise qu'à la composante horizontale B0 du
champ terrestre.
En
l'absence de courant dans la bobine, on la tourne de telle sorte que
l'aiguille aimantée soit dans son plan qui est donc plan méridien magnétique.
Cet état initial sera le même dans l'utilisation en boussole des tangentes
et dans l'utilisation en boussole
des sinus. Puis on fait passer le
courant d'intensité I lequel crée un champ magnétique, normal au plan de la
bobine, d'intensité B = GI.
1 -
Utilisation en boussole des tangentes
L'aiguille aimantée tourne d'un angle L que
l'on mesure. Alors (fig.1) l'axe
de l'aiguille se confond avec le
champ résultant et
2 -
Utilisation en boussole des sinus
Partant
de la position initiale décrite
plus haut, on tourne la bobine de telle
sorte que l'aiguille, parallèle à la résultante de B
et B0,
se retourne dans le plan de la bobine. Celle-ci a tourné d'un angle
(fig. 2) et
HISTOIRE
La
boussole des tangentes a été imaginé par Pouillet et perfectionnée par
Gaugain. Puis Pouillet a proposé
la boussole des sinus qui n'a guère été utilisée.
Pouillet
Claude Servais Mathias (1790-1868) fut élève de l'Ecole Normale Supérieure.
Professeur des enfants de Louis-Philippe en 1817. Sous-directeur (1829) puis
Directeur 1832) du Conservatoire des Arts et Métiers. Professeur à l'Ecole
Polytechnique (1831) Professeur à la Sorbonne (1834). Académie des Sciences
(1837) . On connaît « les lois de
Pouillet » en électro-cinétique. Il inventa le pyrohéliomètre
pour mesurer la chaleur reçue en provenance du Soleil.
Gaugain
Jean Mothée, né à Sully en 1810, mort à Saint Martin des entrées en
1880). Polytechnicien. Directeur d'usines. A partir de 1851, travaux sur la
propagation de l'électricité, la condensation électrique, les courants
thermoélectriques, les courants induits de
haute tension, le magnétisme. Perfectionnement de la boussole
des tangentes et des électrodynamomètres.
FONCTION
Produire un champ magnétique intense dans un entrefer réglable
Description
ET fonctionnement
Deux bobines M et N (figure 1) sont montées chacune sur un noyau de fer doux,
fixé sur une équerre massive en fer doux qui peut glisser sur la partie
horizontale, d'un support de même métal formant avec les équerres un
circuit magnétique comportant l'entrefer O. Par glissement de l'une ou de
l'autre équerre, on règle l'écartement des pièces polaires et, par suite,
l'intensité du champ magnétique dans l'entrefer. Un support C (figure 2)
muni d'un crochet auquel on peut suspendre divers corps tels que bâton de
bismuth (diamagnétique), petit tube contenant un sel ferrique (paramagnétique),
un cube de cuivre dont on montre l'amortissement des oscillations par courants
de Foucault (cas de la figure 2).
Bien
d'autres expériences nécessitant un champ magnétique intense peuvent être
faites : par exemple on peut placer dans l'entrefer l'une des branches
d'un tube en U contenant soit une solution de sel ferrique, soit de l'eau pure
et de telle sorte que la surface libre soit un peu en dessous de l'axe des pièces
polaires. On projette sur un écran l'image de la surface libre du liquide de
cette branche : lorsqu'on établit le courant à l'aide de l'interrupteur
on voit le niveau monter dans le tube dans le premier cas (sel ferrique
paramagnétique) on le voit baisser dans le second cas (eau diamagnétique).
Ce sont de telles expériences que dut faire Michaël Faraday en 1845 quand il
découvrit l'existence du diamagnétisme. Un trou percé dans les pièces
polaires et selon leur axe lui permit également, la même année, de découvrir
la polarisation rotatoire magnétique (cas de la figure 1).
HISTOIRE
Histoire de l’objet :
On peut lire (page 394) dans le tome 1 de Jamin, publié en 1870 la phrase
suivante : « Faraday a étendu
la liste des corps magnétiques en opérant avec l'appareil suivant que
construit M. Ruhmkorff (fig. 1) ».
Or cette figure, que nous reproduisons (et utilisons) représente fort bien
notre électroaimant dont il y a lieu de penser qu'il sort des ateliers de M.
Ruhmkorff.
Pour
en savoir plus sur Faraday et sur Ruhmkorff, voir les notices qui citent des
physiciens.
Eléments d'histoire de l'électroaimant :
Il
convient de distinguer trois sortes d'électroaimant :
1.
les petits électroaimants qui attirent une armature et employés dans
les sonneries, relais etc.
2.
les électroaimants « porteurs »
3.
les électroaimants destinés à produire des champs magnétiques
intenses (notre appareil appartient à cette dernière catégorie).
Wheatstone
(1802-1875) est peut être l'inventeur de l'électroaimant du premier type,
sinon il en fut un grand utilisateur.
Pour
ce qui concerne les électroaimants de la deuxième catégorie, on peut dire
que Pouillet (Claude 1790-1868) a construit un électroaimant
porteur puissant en 1831 ; on lui doit aussi la redécouverte de
la loi d'Ohm, la boussole des tangentes (voir notice « eld 2 - 4 »),
une mesure (la première ?) de la constante solaire, des études sur la
compressibilité des gaz.
L'étude
des électroaimants de la troisième catégorie a été le fait de nombreux
physiciens. Ganot (1862) cite Lentz, Jacobi, Müller, Dub, Niklès.... mais il
faut dire que les phénomènes mis en jeu ne sont bien compris que depuis
Weiss, Langevin, Néel, Landau...
Les
règles de construction des électroaimants ont été établies par Aimé
Cotton et Pierre Weiss. Elles permirent la construction du gros électroaimant
de l'Académie des Sciences à Bellevue en 1928. On obtenait 70 000 Gauss dans
un entrefer cylindrique de 4 cm de diamètre et de 2 mm d'épaisseur, (46 400
Gauss pour une épaisseur de 4 cm) ; la puissance consommée était de
93 kW. Le circuit magnétique pesait 80 tonnes, les conducteurs creux (pour le
refroidissement par courant d'eau) pesaient 10 tonnes. Cet électroaimant
faisait 2 m de hauteur et 4,5 de
longueur. On a fait mieux depuis avec les aimants supraconducteurs !
Pierre
Weiss (1865-1940) fit la théorie du ferromagnétisme en 1907 par extension de
la théorie de Langevin pour le paramagnétisme. Ses travaux ont été
poursuivis par Louis Néel (1904-), prix Nobel, qui découvrit l'antiferromagnétisme,
le ferrimagnétisme et qui sut développer à Grenoble un important centre de
recherches sur le magnétisme.
Aimé
Cotton (1869-1915) fit, en 1896, une thèse sur le dichroïsme circulaire, il
étudia avec H. Mouton la biréfringence des liquides dans un champ magnétique
intense avec H. Mouton il mit au point l’ultra-microscope,avec P. Weiss il
étudia l’effet Zeeman et mesura e/m,
avec P. Weiss, il édicta les règles de construction des électroaimants.
Il
fut aussi l'inventeur de la « balance
de Cotton » pour la mesure du champ magnétique dans un entrefer.
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OBJET :
eld 3 - 2
Moteur
électrique
Une
batterie d'accumulateurs (6 volts suffisent) alimente alternativement deux électroaimants
et
d'axes verticaux, grâce à un commutateur synchrone mû par le moteur.
Lorsque
est parcouru par un courant il
attire une armature
qui s'abaisse, cependant que,
n'étant pas alimenté, son
armature
peut remonter, entraînée par le mécanisme.
Lorsque
est dans sa position la plus basse
(
dans sa position la plus haute) le courant est interrompu dans
, établi dans
qui attire
alors que
remonte. Lorsque
est dans sa position la plus basse
(
dans sa position la plus haute) le courant est coupé dans
établi dans
et un nouveau cycle peut être
parcouru.
Les
mouvements alternatifs des armatures
et
produisent, par un système de
bielles et manivelles, la rotation d'une roue dont l'inertie permet le
franchissement des « points morts ».
HISTOIRE
Ce
moteur daterait de 1852 .
Dans
un traité de physique de 1862, Ganot décrit un moteur, plus élaboré, formé
d'électroaimants fixes, répartis autour d'une roue qui porte des barres de fer
doux qui peuvent être attirées dans le même sens par les électroaimants. Le
courant est automatiquement distribué entre ceux-ci de telle sorte que leurs
actions ne se contrarient pas. Voici un savoureux extrait de Ganot :
« Monsieur Froment a, dans ses ateliers une machine électromotrice de la
force (sic) d'un cheval-vapeur. Mais
jusqu'ici ces machines n'ont pu être appliquées à l'industrie, la dépense
des acides et du zinc qu'elles consomment l'emportant de beaucoup sur celle du
combustible dans les machines à vapeur de même force ». Ce texte
montre que ces moteurs, curiosités de laboratoires, étaient alimentés par des
piles qui consommaient des acides et du
zinc.
Paul
Gustave Froment qui vécut de 1815
à 1865 était mécanicien . Ces dates qui encadrent la date de 1852 que nous
attribuons à notre moteur et le texte de Ganot accréditent l'hypothèse que
notre moteur ait pu être l’œuvre de Froment.
Froment
travailla sur diverses inventions : télégraphe
à signaux écrits et à clavier, métier à tisser, appareil d'imprimerie
Hughes etc..
Cependant
le socle de notre moteur porte en deux endroits la marque « Ducretet » !
Or Eugène Ducretet (1844-1915), industriel français à qui l’on doit le
premier appareil de TSF (ainsi appelait-on la « radio ») en 1897,
avait huit ans en 1852. Il en avait dix-huit lorsque parut le traité de Carnot
qui décrit un moteur à électro-aimants plus évolué. Il ne peut donc
s’agir d’une invention de Ducretet (ce qui ne pourrait être qu’une réinvention
tardive !). Nous n’avons aucun moyen de choisir entre les diverses hypothèses
que l’on pourrait formuler.
La photographie de droite est celle d'un électromoteur conservé au musée de
Mulhouse (Electropolis).
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