Repousser de l'eau avec un aimant (diamagnétisme)

Repousser de l'eau avec un aimant (diamagnétisme)
Par , le (édité le 26/11/2014)

Ce qu'il te faut

  • Un ou plusieurs aimants puissants (en néodyme fer bore)
  • 2 bouteilles en plastique de 50 cL
  • 1 cintre entièrement en plastique
  • Un tournevis
  • Du fil à coudre
  • Une punaise
  • Du scotch
  • Des ciseaux

Introduction

Un aimant attire les matériaux ferromagnétiques tels que le fer. La plupart des autres matériaux semblent ne pas interagir avec un champ magnétique. Ceci n'est en fait qu'une apparence: Tous les matériaux (y compris ferromagnétiques) interagissent avec un champ magnétique par une propriété appelée diamagnétisme. Le diamagnétisme est un phénomène qui provient de la mécanique quantique et qui conduit à une force répulsive entre tout matériau et un aimant. Cette force est cependant très faible et difficilement observable dans la vie courante. De plus, pour les matériaux ferromagnétiques, l'effet ferromagnétique est beaucoup plus grand que l'effet diamagnétique ce qui donne une force d'interaction totale attractive.

Dans cette expérience, construis un pendule de torsion pour observer la force d'interaction très faible entre un aimant et de l'eau. Tu trouveras qu'un aimant repousse de l'eau ordinaire.

Pendule de torsion
Pendule de torsion permettant de détecter des forces très faibles. Des versions plus perfectionnées que celle-ci permettent de faire des mesures de force et sont alors appelées balances de torsion.

Choix des aimants

Comme l'effet diamagnétique est très faible, il faut utiliser des aimants très puissants. La plupart sont en ferrite (à base d'oxydes de fer) de couleur noire. Ceux-ci ne conviennent pas pour cette expérience.

Les magasins de bricolage vendent parfois des aimants plus puissants en néodyme. Ils sont généralement d'un aspect métallique brillant. Il en existe de toutes les tailles, et plus ils sont grands, plus ils sont puissants (en général). L'expérience marche bien avec un aimant de quelques centimètres de longueur et il est possible de combiner plusieurs petits aimants pour en faire un grand en les accrochant les uns aux autres. Typiquement, s'il est très difficile de séparer deux aimants avec ses deux mains, ceux-ci vont certainement convenir pour l'expérience.

Aimants en néodyme
Aimants en néodyme. Ceux-ci proviennent d'un disque dur de 3.5" et sont utilisés pour manipuler la tête de lecture du disque.

Expérience

Construction du pendule de torsion

Réalise l'appareil de détection avec le cintre en plastique et les bouteilles. Il faut éviter que le pendule contiennent des parties métalliques, car elles pourraient interagir avec l'aimant.

  • Fixe les deux bouteilles d'eau avec du scotch aux extrémités du cintre.

Une bouteille attachée au cintre
Une bouteille attachée au cintre
  • Trouve un endroit dégagé et sans courants d'air chez toi pour accrocher le pendule au bout d'un morceau de fil à coudre. La longueur du fil doit être d'au moins un mètre et il faut que le pendule puisse tourner librement sur lui-même sans heurter d'obstacle (avec le fil restant vertical, c'est-à-dire sans balancement). Le point d'attache du fil doit être massif et stable: plafond, poutre, mur, etc. Une fois accroché, le système doit ressembler à ceci:

Vue de dessous du pendule de torsion
Vue de dessous du pendule de torsion
  • Remplis les deux bouteilles jusqu'à un niveau d'environ 5 cm d'eau.

Le pendule devrait tourner sur lui-même pendant un certain temps (probablement au moins une heure) car le fil s'étire légèrement. Attends jusqu'à ce qu'il ne bouge plus.


Utilisation du pendule

Le pendule de torsion permet de détecter des forces entre un objet extérieur (comme un aimant) et ce qui est accroché à ses extrémités (ici, les bouteilles d'eau). L'idée est de détecter la force en observant la rotation du pendule par rapport à sa position d'équilibre lorsque l'objet extérieur est approché du pendule. Ceci est illustré par le schéma ci-dessous où le pendule est vu de dessus:

Principe de fonctionnement du pendule de torsion
Principe du pendule de torsion (vue de dessus). À gauche: Pendule immobile. À droite: Un aimant est approché vers un des côtés d'une des bouteilles. Si la force d'interaction est attractive, le pendule tourne de manière à ce que la bouteille se rapproche de l'aimant.

Pour observer l'interaction entre l'aimant et l'eau, il faut approcher l'aimant d'une des deux bouteilles.

  • Accroche le ou les aimants au tournevis:

Aimants au bout du tournevis
Aimants au bout du tournevis
  • Approche délicatement l'aimant d'une des bouteilles en le positionnant comme sur le schéma ci-dessus à quelques millimètres de l'eau de la bouteille. La bouteille commence à s'éloigner de l'aimant! Maintiens l'aimant proche de la paroi de la bouteille, sans la toucher. Le déplacement doit s'accélérer. Une force repousse donc la bouteille d'eau.

Aimant approché d'une des bouteilles
Aimant approché d'une des bouteilles
  • Pour être sûr que la force vient bien d'une interaction entre l'eau et l'aimant, approche l'aimant de la paroi de la bouteille à une hauteur telle que l'aimant soit bien au dessus du niveau de l'eau. Le pendule ne doit pas être dévié. La force observée précédemment était donc due au diamagnétisme de l'eau.

Pour aller plus loin, tu peux essayer d'insérer d'autres matériaux dans les bouteilles. Certains vont être repoussés (par diamagnétisme) et d'autres attirés par l'aimant. Pour les matériaux attirés, la force en jeu peut provenir d'un ferromagnétisme, mais aussi d'un possible paramagnétisme, qui conduit, comme le diamagnétisme, à une force assez faible et difficile à mesurer.


Lévitation

Le diamagnétisme permet de réaliser de la lévitation stable, si le champ magnétique est suffisamment élevé, ou si l'objet à léviter est suffisamment diamagnétique, comme dans cette expérience.