On a posé une fois à Richard Feynman une question très similaire; pourquoi les aimants attirent-ils? (Aimants Richard Feynman) Sa réponse est fascinante, expliquant les nombreuses couches de cette question. Il y a déjà de très belles réponses à cette question, alors j’aimerais offrir un peu de sauce épicée supplémentaire aux réponses déjà excellentes.
Les aimants semblent fasciner continuellement les gens parce que les forces expérimentées semblent agir à distance. Nous sommes habitués à appliquer la force en touchant quelque chose et nous avons une compréhension innée de ce que signifie toucher. En revanche, les forces exposées par les aimants semblent être dues à une chose invisible qui défie apparemment la compréhension. Pas étonnant que le magnétisme et les aimants en particulier soient souvent associés à des technologies fausses et même frauduleuses.
D’un point de vue historique, les aimants naturels ont été découverts pour la première fois par les anciens et utilisés pour fabriquer des boussoles destinées à la navigation. Il a été découvert plus tard qu’un fil porteur de courant produisait un champ qui provoquait la réorientation d’une aiguille de boussole, et il a donc été découvert qu’il y avait un champ magnétique associé au courant dans un fil. On savait également que la charge produisait un autre champ, qui est le champ électrique. Le champ électrique lui-même n’a eu aucun effet sur une aiguille de boussole, et peut donc sembler être un champ différent. Cependant, ils ont rapidement été découverts comme étant les différents aspects du même domaine. Cela peut être vu en utilisant le principe de relativité, car une charge statique peut être considérée comme un changement en mouvement dans un cadre de référence en mouvement. Ainsi, le champ associé à un repère où il n’y a que des charges statiques doit avoir le même effet (ou donner lieu à la même force) que le champ associé à un repère mobile où la charge n’est pas statique, mais mobile et donc produisant un champ magnétique. Ainsi, le principe de relativité unifie à la fois les champs électriques et magnétiques en un seul champ électromagnétique. Cela sous-tend notre compréhension classique de l’électricité et du magnétisme.
Cependant le boîtier n’est pas encore fermé, car les aimants ne sont pas chargés mais produisent un champ associé à deux pôles, que l’on désigne les pôles nord et sud. Les autres réponses vont dans de très beaux détails sur les domaines magnétiques alignés et même le principe atomique sous-jacent impliqué.
Nous appelons le champ magnétique dipolaire, car il a deux pôles. Classiquement, un courant circulaire génère un champ dipolaire. Nous utilisons cet effet pour fabriquer des électroaimants.
Si nous devions considérer le modèle de Bohr de l’atome, les électrons ont des orbites circulaires et devraient donc générer un champ magnétique dipolaire. Cependant, nous savons que ce n’est pas le cas car les atomes sont des objets quantiques et en tant que tels ne peuvent pas être associés à des orbites classiques bien définies. Néanmoins, les atomes individuels d’un aimant ont un champ magnétique associé et le champ externe que nous observons est une manifestation de l’alignement de tous ces champs.
Il est tentant de considérer un atome comme un aimant individuel qui se comportera à peu près de la même manière qu’une aiguille de boussole lorsqu’elle est placée dans un champ magnétique externe. Cependant, ce n’est pas le cas. Les atomes sont des objets quantiques et leurs propriétés magnétiques sont en fait des propriétés d’état quantiques. Il se trouve que le moment angulaire est associé à un nombre quantique bien défini qui ne peut prendre que des demi-entiers discrets. Le moment magnétique d’un atome est directement proportionnel au moment cinétique total de l’atome. Ainsi toute mesure du moment magnétique d’un atome est en fait une mesure du moment cinétique des atomes et n’aura que certaines valeurs discrètes, et plus intéressant encore, que des orientations discrètes ! Il s’agit manifestement d’un comportement quantique, pas d’un comportement classique. Pour un dipôle classique, son orientation spatiale peut prendre n’importe quelle valeur associée au pointage dans n’importe quelle direction aléatoire dans l’espace. Cela permet de distinguer directement un objet quantique d’un objet classique. Cela a été mis au point pour la première fois dans l’expérience Stern Gerlach.
L’expérience de Stern Gerlach a fonctionné en envoyant des atomes neutres à travers un champ magnétique non uniforme. Le gradient de champ magnétique introduit un potentiel variable pour l’alignement du dipôle magnétique, ce qui entraînera une force dépendante de l’alignement qui déviera le trajet de l’atome à travers le champ. Si chaque atome se comportait comme un aimant dipolaire classique, son orientation aléatoire dans l’espace entraînerait une distribution uniforme des forces entraînant un étirement du nuage atomique le long de la direction du gradient de champ. Cependant, l’appareil effectue en fait une mesure d’orientation du moment magnétique de l’atome, qui est quantifié, et le motif observé réel consiste donc à séparer le nuage atomique en différentes parcelles discrètes. C’était (et c’est toujours) une démonstration étonnante de la nature quantique des atomes.
Par conséquent, l’humble aimant est beaucoup plus merveilleux qu’il n’y paraît au premier abord. Il représente l’alignement d’un nombre incalculable d’objets quantiques individuels pour donner ce matériau familier que nous utilisons pour coller des messages et des images à notre réfrigérateur.
Allons un peu plus loin. Un champ magnétique est associé à une charge électrique. Il existe une curieuse propriété quantique appelée spin, qui est associée au moment magnétique des particules individuelles qui composent les atomes. Ici, nous ne pouvons même pas imaginer un électron en orbite autour d’un noyau, car chaque composant de l’atome a également un spin associé: Électrons, protons et neutrons. Il est tentant de penser que ces particules tournent réellement autour de leur axe dipolaire, mais ce n’est pas correct. Au niveau des particules fondamentales, on ne peut rien dire de plus qu’elles ont un moment magnétique. Cela peut en fait être démontré dans un appareil similaire à celui de l’expérience de Stern Gerlach. Pour les particules fondamentales, le spin est de moitié et il n’y a que deux orientations possibles, correspondant à haut ou bas.
Dans tous les cas, un moment magnétique intrinsèque est associé à une particule possédant à la fois une charge et un spin. À partir des propriétés classiques, il a été montré que le champ magnétique n’est qu’une autre manifestation du champ électrique, ce qui nécessite la présence de charges. En fait, seules les particules chargées avec spin devaient avoir un moment magnétique. Cependant, il a été possible de mesurer directement le moment magnétique du neutron, qui n’a pas de charge nette. Cette découverte remarquable est une indication directe que le neutron n’est pas une particule fondamentale, mais est lui-même un objet quantique composé. Il a fallu 20 ans avant que cela ne soit réellement résolu avec le modèle quark. C’est donc le magnétisme mystérieux qui a conduit au développement du modèle quark de la physique des particules. Je pense que c’est assez incroyable!