Lévitation à la maison

Lévitation à la maison
Par , le (édité le 13/01/2017)

Ce qu'il te faut

  • 4 aimants cubiques en néodyme extrêmement puissants
  • Feuilles de carbone pyrolitique
  • Un cutter
Adulte Réalise cette expérience en présence d'un adulte.

Introduction

Cette page explique comment réaliser une véritable expérience de lévitation magnétique chez soi. Pas besoin ici de matériaux supraconducteurs ni d'azote liquide. L'expérience utilise des aimants puissants et du carbone pyrolitique, un matériau qui a la propriété d'être fortement diamagnétique.

Lévitation de carbone pyrolitique
Lévitation d'un morceau de carbone pyrolitique au dessus d'aimants.

Quelques remarques avant de commencer

Pourquoi ne pas simplement utiliser deux aimants qui se repoussent?

Il n'est pas possible d'obtenir une lévitation stable en plaçant un aimant au dessus d'un autre de manière à ce qu'ils se repoussent: Ceux-ci vont toujours se réorienter de manière à s'attirer.

Pour observer de la lévitation magnétique stable, une possibilité est d'exploiter le diamagnétisme des matériaux.


Résumé des propriétés magnétiques des matériaux

Tous les matériaux interagissent avec un champ magnétique:

  • Certains comme le fer ou le nickel sont ferromagnétiques et sont fortement attirés par un aimant. Ils conservent une certaine aimantation si l'aimant est enlevé.

  • D'autres, comme l'aluminium ou l'oxygène liquide sont paramagnétiques. Ces matériaux sont faiblement attirés par un aimant (l'effet est généralement indécelable dans la vie courante). Ils perdent leur aimantation si l'aimant est éloigné.

  • Enfin, tous les matériaux sont diamagnétiques, y compris ceux mentionnés ci-dessus. Le diamagnétisme décrit une interaction répulsive par rapport à un champ magnétique, créé par exemple par un aimant. C'est un phénomène extrêmement faible, et lorsqu'un matériau est à la fois diamagnétique et ferromagnétique (ou diamagnétique et paramagnétique), l'effet du au ferromagnétisme (ou au paramagnétisme) masque l'effet diamagnétique.


Pourquoi du carbone pyrolitique?

Pour faire léviter un objet dans un champ magnétique, il faut évidemment une force répulsive. On va donc utiliser un matériau diamagnétique. L'eau, par exemple, est uniquement diamagnétique, comme le montre cette expérience. Mais pour faire léviter de l'eau, il faudrait des aimants d'une puissance immense, qui peut être obtenue en laboratoire, mais pas à la maison. La solution est donc d'utiliser un matériau beaucoup plus diamagnétique, comme du carbone pyrolitique qui est un un des matériaux les plus diamagnétiques existants. Il se présente sous la forme de feuilles de quelques millimètres d'épaisseur. C'est un matériau artificiel qui est obtenu par cristallisation (empilement) de graphène, qui est un arrangement bidimensionnel d'atomes de carbone.

Feuilles de carbone pyrolitique
Feuilles de carbone pyrolitique

Il n'est pas facile de trouver du carbone pyrolitique en petite quantité dans le commerce. Cependant, certains magasins en ligne de matériel d'expérience (comme Scitoys) en vendent spécialement pour faire l'expérience de lévitation.


Choix des aimants

Il faut des aimants très puissants pour cette expérience. Prends des aimants en néodyme fer bore (souvent appelés simplement "aimants en néodyme"). On en trouve facilement dans des magasins de bricolage. Il faut qu'ils soient assez gros. L'expérience marche bien avec des aimants cubiques d'au moins 1 cm de côté. Des aimants parallélépipédiques devraient également convenir.

Fais attention lorsque tu manipules ces aimants: En s'attirant, ils peuvent se coller violemment entre eux. Ceci peut les casser, ou même te pincer fortement si un de tes doigts se trouve sur leur chemin.

Aimant cubique
Aimant cubique en néodyme

Expérience

  • Si les feuilles de carbone pyrolitique sont plus épaisses que 1 mm, découpe-en une au cutter selon la tranche pour réduire son épaisseur. Insérer le cutter est assez délicat, car le carbone pyrolitique est assez friable. Une fois inséré, il doit cependant être possible de séparer la feuille en deux feuillets proprement, car la feuille est constituée de nombreuses couches qui se décollent aisément.

  • Découpe la feuille de carbone pyrolitique en carré. La longueur du côté du carré doit être à peu près égale à la diagonale d'une face d'un des quatre aimants.

Morceau découpé de carbone pyrolitique
Morceau découpé de carbone pyrolitique
  • Pour chaque aimant, repère les pôles. Il ne s'agit pas de différencier le pôle nord du pôle sud, mais de déterminer quelles sont les deux faces opposées qui correspondent aux pôles. Une face correspondant à un pôle peut être reconnue de différentes manières:

    • Un objet en fer (la lame du cutter par exemple) est attiré plus fortement par un pôle que par une autre face.

    • Lorsqu'un objet en fer est approché d'une face portant un des deux pôles de l'aimant, l'objet est attiré vers le centre de la face. Pour une face qui ne porte pas un pôle, l'objet aura tendance à être dévier vers un des bords de la face.

Pôles d'un aimant cubique
Pôles d'un aimant cubique. Le champ magnétique est le plus puissant près des pôles nord et sud (faces unicolores du dessus et du dessous).
  • Assemble les aimants de manière à n'avoir que des pôles vers le haut. Les contraintes d'"attirance" des aimants font que la surface obtenue alternera des pôles nord et sud en "damier":

Assemblage des quatre aimants
Assemblage des quatre aimants à réaliser. Toutes les faces du haut sont soit un pôle nord, soit un pôle sud.
Quatre aimants collés entre-eux
Le plateau de lévitation est prêt!
  • Place le carré de carbone pyrolitique au-dessus des aimants: il se maintient en lévitation:

Lévitation de carbone pyrolitique (vue de côté)
Lévitation de carbone pyrolitique

Que faire si ça ne marche pas?

Si la lévitation n'a pas lieu, différentes causes sont possibles:

  • Si le carré de carbone reste posé sur les aimants:

    • Les aimants ne sont peut-être pas assez puissants. Change-les.

    • Le morceau de carbone pyrolitique est trop épais. Essaie de le découper pour réduire son épaisseur.

    • Les aimants ne sont pas assemblés de manière à avoir un de leurs pôles qui fait face à la plaque de carbone pyrolitique.

  • Si le morceau de carbone est bien repoussé par les aimants, mais tombe sur la table, il y a simplement un problème de stabilité:

    • Change la position initiale du morceau de carbone.

    • Vérifie que la table sur laquelle tu travailles est bien horizontale.

    • Essaie des carrés de carbone pyrolitique de différentes tailles.


Lévitation d'une grenouille

En utilisant des électro-aimants extrêmement puissants, il est possible de faire léviter des objets moins diamagnétiques que le carbone pyrolitique. Ceci a été démontré par Andre Geim et Michael Berry en 1997 avec une grenouille vivante, ce qui leur a valu de gagner le prix Ig-Nobel de physique en 2000.

Lévitation d'une grenouille
Lévitation d'une grenouille. La boite blanche contient un empilement de plaques de métal qui créent un champ magnétique lorsqu'elles sont traversées par un courant. La forme géométrique de l'appareil fait que le champ magnétique est très intense dans la cavité centrale (16 teslas). Crédit: Lijnis Nelemans, High Field Magnet Laboratory, Radboud University Nijmegen, CC-BY SA.
Vidéo de la lévitation d'une grenouille. © 2014 Radboud Universiteit Nijmegen, reproduit avec l'aimable autorisation d'Andre Geim (source)