Comme nous l'avons déjà mentionné, le magnétisme des aimants permanents est connu et utilisé depuis la plus Haute Antiquité et les applications des aimants permanents font aujourd'hui partie de la vie courante. Rappelons cependant leurs principales propriétés :

- les aimants permanents peuvent attirer certains métaux, dont le plus courant est le fer : une expérience classique consiste à approcher un aimant permanent de la limaille de fer et de montrer que celle dernière est attirée par les extrémités de l'aimant. Cette action se fait à distance, sans contact, ce qui impose l'existence d'une force nouvelle, la force magnétique, dont il est facile de montrer qu'elle dépend de la distance entre les corps en interaction (si l'aimant est suffisamment loin de la limaille, celle-ci n'est pas attirée). Des mesures précises en laboratoire montrent que la décroissance de l'intensité de la force magnétique avec la distance des corps en interaction est semblable à celle de la force électrique entre deux corps chargés.

Cette force magnétique est largement utilisée dans les applications, depuis la fabrication de gadgets jusqu'à la fermeture des portes. Elle pourrait même jouer un rôle sécurisant dans la recherche d'une aiguille dans une meule de foin !

- dans l'expérience précédente, rien ne parait distinguer les deux extrémités de l'aimant, que l'on appelle ses pôles. En effet, que l'on approche une extrémité ou l'autre, la limaille est attirée pareillement. Mieux encore, si l'on scinde l'aimant en deux parties, les extrémités de chacune des parties se comportent comme les pôles de l'aimant avant la cassure (expérience de l'aimant brisé). Emporté par notre soif de savoir, on coupe encore chacun des morceaux en leur milieu : même résultat et on pourrait recommencer cette opération jusqu'à des volumes microscopiques sans modifier la force magnétique et son action sur la limaille de fer.

Identité des pôles ? Non, et il est facile de le montrer. Si on s'arrange pour laisser un fragment de l'aimant libre de s'orienter, par exemple en le plaçant sur un pivot vertical, ou en le suspendant par son milieu à un fil de laine, il s'oriente toujours dans la même direction et dans le même sens : c'est toujours la même pointe du fragment qui s'orientera vers le nord. L'action terrestre, en particulier, différencie les pôles et c'est, historiquement, la première observation de cette différence : il était donc naturel d'appeler pôle nord et pôle sud les deux extrémités de l'aimant. Dans d'autres circonstances, on les aurait sans doute appelés positif et négatif, par comparaison avec les charges avec lesquelles ils ont des ressemblances mais aussi une différence fondamentale : un pôle ne peut pas apparaitre seul, un pôle nord par exemple est toujours accompagné d'un pôle sud, l'expérience de l'aimant brisé en est une preuve. On peut dire que tous les corps sont nécessairement magnétiquement neutres , alors qu'ils peuvent être électriquement chargés. Globalement, un aimant permanent ne peut pas provoquer d'action à distance, mais les extrémités d'un barreau aimanté sont séparées par une certaine distance, et l'un des pôles, le pôle nord par exemple, est plus près de la limaille que le pôle sud.

- Si nous disposons de deux aimants permanents, il est facile de constater que deux pôles de même nom se repoussent alors que deux pôles de nom contraire s'attirent, propriété qui est analogue à celle des charges électriques.

La Terre se comporte comme si elle était aimantée, ce qui ne signifie pas comme on pourrait le croire, que les pôles recélent des gisements de matériaux magnétiques : en tout état de cause, ces matériaux seraient globalement magnétiquement neutres et ne pourraient pas exercer une action à grande distance. La cause du magnétisme terrestre est plus complexe et met en jeu des phénomènes électromagnétiques.

Sans en chercher la cause, retenons que la Terre se comporte comme un aimant dont le pôle sud magnétique est sensiblement situé au pôle nord géographique, et inversement : en effet, le pôle nord géographique attire le pôle nord magnétique de la boussole, il se comporte donc comme le pôle sud magnétique d'un aimant. Des mesures très précises ont permis de tracer une carte magnétique de notre planète, dont il ressort que :

1) le nord géographique ne coïncide pas exactement avec la direction du nord magnétique donné par la boussole; ces deux directions font entre elles un petit angle, que l'on appelle la déclinaison , qui dépend du lieu de la mesure;

2) de même, si l'aiguille aimantée est mobile dans un plan vertical, on peut vérifier que le champ magnétique terrestre n'est pas dans un plan horizontal, mais fait avec ce plan un angle que l'on appelle l'inclinaison;

3) enfin, on doit rappeler que les cartes magnétiques présentent souvent des anomalies locales, en particulier au voisinage des mines de fer (ce procédé peut être employé dans les méthodes de prospection).

- Il n'y a pas d'interaction entre un corps électriquement chargé et une aiguille aimantée, comme on peut le montrer dans des expériences simples. On comprend alors pourquoi l'électrostatique et le magnétisme sont restés pendant des siècles des sciences cloisonnées, pourquoi on distinguait entre la force électrique et la force magnétique : pour faire le lien entre ces deux disciplines, le déplacement continu des charges est nécessaire et ce déplacement ne sera obtenu qu'après la découverte du premier générateur, de la pile Volta.

C'est , en effet, quelques années après la découverte de Volta, en 1819, que le physicien danois Oersted montra que le passage du courant dans un fil conducteur produit la déviation d'une aiguille aimantée placée au voisinage de ce fil, l'aiguille tendant à s'orienter perpendiculairement au fil. Cette expérience est aujourd'hui classique et se répète journellement. Mais à l'époque, elle causa un grand étonnement et jeta un pont entre deux disciplines jusqu'alors distinctes et acceptées universellement comme telles.

Lors, la voie du progrès est ouverte, et en très peu de temps, en quelques années, voire en quelques mois, Ampère apportait à cette discipline nouvelle son support théorique et sa justification, Faraday en déduisait les lois de l'induction électrique, base du premier générateur industriel, la dynamo, Maxwell batissait sa théorie électromagnétique de la lumière, qui étend à l'optique les lois des phénomènes électriques et de leur propagation. Ainsi, de proche en proche, l'action des charges en mouvement devenait la base des phénomènes magnétiques, optiques, permettait de comprendre beaucoup d'aspects de la physique de la matière et de réaliser des applications qui pèsent sur notre vie, comme la transmission des ondes électromagnétiques, radio et télévision.

Mais n'anticipons pas et tirons de l'expérience d'Oersted les conclusions qui s'imposent.

- Le circuit parcouru par le courant électrique crée une force magnétique, plus exactement un couple de forces, sur l'aiguille aimantée. On dit qu'il crée un champ magnétique en tous points de l'espace.

Il se comporte donc comme un aimant naturel, comme la pierre de Magnésie des Anciens. A ce titre, il doit lui-même subir une force magnétique de la part d'un autre aimant et cette force peut être une force de répulsion ou d'attraction suivant les pôles que l'on met en présence.

Mais quel est le pôle magnétique d'un circuit électrique ? Pour concrétiser cette notion aussi simplement que possible, imaginons un circuit enroulé réguliérement sur un cylindre à section circulaire; on appelle un tel circuit un solénoïde et ses propriétés lui font jouer un role important en physique des courants alternatifs. Les extrémités circulaires sont les pôles de l'aimant équivalent ; pour déterminer le pôle nord par exemple, on peut s'adresser à l'expérience, faire agir le pôle sud d'un aimant permanent ou étudier l'orientation de la bobine dans le champ terrestre, mais on peut aussi prévoir le comportement de la bobine en appliquant des "formules" que nous oublions ici. Par contre, il est clair que la nature du pôle va dépendre du sens du courant. Imaginons alors que l'on puisse changer ce sens plusieurs fois par seconde, par exemple en imposant au circuit une tension alternative. Le solénoïde va subir successivement des forces de répulsion et d'attraction de la part de l'aimant permanent, l'énergie électrique fournie par

- Le circuit parcouru par le courant électrique crée une force magnétique, plus exactement un couple de forces, sur l'aiguille aimantée. On dit qu'il crée un champ magnétique en tous points de l'espace.

Il se comporte donc comme un aimant naturel, comme la pierre de Magnésie des Anciens. A ce titre, il doit lui-même subir une force magnétique de la part d'un autre aimant et cette force peut être une force de répulsion ou d'attraction suivant les pôles que l'on met en présence.

Mais quel est le pôle magnétique d'un circuit électrique ? Pour concrétiser cette notion aussi simplement que possible, imaginons un circuit enroulé réguliérement sur un cylindre à section circulaire; on appelle un tel circuit un solénoïde et ses propriétés lui font jouer un role important en physique des courants alternatifs. Les extrémités circulaires sont les pôles de l'aimant équivalent ; pour déterminer le pôle nord par exemple, on peut s'adresser à l'expérience, faire agir le pôle sud d'un aimant permanent ou étudier l'orientation de la bobine dans le champ terrestre, mais on peut aussi prévoir le comportement de la bobine en appliquant des "formules" que nous oublions ici. Par contre, il est clair que la nature du pôle va dépendre du sens du courant. Imaginons alors que l'on puisse changer ce sens plusieurs fois par seconde, par exemple en imposant au circuit une tension alternative. Le solénoïde va subir successivement des forces de répulsion et d'attraction de la part de l'aimant permanent, l'énergie électrique fournie par le générateur est transformée en énergie mécanique: c'est un schéma , simplifié jusqu'à la caricature, d'un type de moteur électrique .

- Un circuit parcouru par un courant se comporte comme un aimant . Donc, si deux circuits sont voisins, ils vont interagir comme deux aimants permanents. Les forces d'interaction entre deux circuits portent le nom de forces de Laplace.

Nous n'avons pas l'intention ici de donner une formulation même approchée des forces de Laplace ; on se contentera de savoir qu'elles existent et que, naturellement, elles dépendent de la forme des circuits , de leur position relative et du sens du courant qui les parcourt. Comme dans le cas précédent, on peut imaginer qu'elles sont parcourues par un courant alternatif et que l'un des circuits soit mobile par rapport à l'autre : il est bien évident que cette disposition peut servir de schéma à un autre type de moteur électrique.

- La force magnétique dépend du milieu dans laquelle elle s'exerce . Elle est particuliérement intense dans les milieux qui contiennent du fer ou des éléments voisins du fer comme le nickel ou le cobalt : ces substances sont appelées ferromagnétiques et on utilise cette propriété pour la construction d'électroaimants qui crée des champs magnétiques localisés et d'intensité beaucoup plus importante que celle des aimants naturels.

Par ailleurs, ces matériaux ont une propriété importante, celle de garder la mémoire du traitement magnétique qu'elles ont subi : cette mémoire magnétique est à la base de nombreuses applications de la vie courante (magnétophone, magnétoscope).

En effet, si une substance ferromagnétique est soumise à un champ magnétique, par exemple si elle est placée à l'intérieur d'un solénoïde parcouru par un courant constant, la coupure du courant ne supprime pas entiérement l'action magnétique qu'elle peut créer : elle la diminue mais elle persiste, et on a formé un aimant permanent artificiel (dont le premier type est la pierre de Magnésie).Ce dernier gardera ces propriétés magnétiques tant qu'il n'est pas chauffé au-dessus d'une certaine température caractéristique de ce matériau. On sait d'ailleurs qu'une carte magnétique peut perdre sa mémoire si elle est exposée à une température trop élevée, par exemple dans une voiture stationnée au soleil.

- Rien de ce que réalise l'électricité moderne ne serait possible sans le phénomène d'induction, à la base des générateurs de puissance, à l'origine de la transformation industrielle de l'énergie mécanique en énergie électrique.

Lorsqu'on fait varier, par un procédé quelconque, le champ magnétique qui traverse un circuit, il y a création dans ce circuit d'une force électromotrice, que l'on appelle la force électromotrice d'induction. Deux cas sont alors envisageables :

1) le circuit n'est pas fermé sur lui-même : les particules mobiles (les électrons dans le cas des corps solides) se groupent aux extrémités du circuit, de telle sorte que le champ électrostatique que crée cette dissymétrie soit égal et opposé au champ électromoteur. En quelque sorte, le circuit est équivalent à une pile en circuit ouvert ;

2) le circuit est fermé sur lui-même : les particules mobiles vont se déplacer d'un mouvement d'ensemble sous l'action du gradient de potentiel et ce courant électrique durera tant que dure la modification du champ magnétique.

Ce phénomène d'induction est facile à mettre en évidence, au moins qualitativement, si on dispose de matériel de laboratoire, en particulier d'un détecteur de courant (galvanomètre par exemple). On peut conduire cette expérience de plusieurs façons :

1) le circuit est fixe, par exemple un solénoïde; on approche d'une de ses faces le pôle nord d'un aimant permanent, ce qui revient à faire varier le champ magnétique qui traverse le circuit. La déviation du galvanomètre pendant le déplacement de l'aimant confirme le passage du courant électrique. Lorsque l'aimant s'arrête, le courant cesse puis reprend, en sens inverse, lorsqu'on le retire.

L'expérience peut être reprise en approchant puis en éloignant le pôle sud de l'aimant permanent : les sens du courant induit sont opposées à ceux de l'expérience précédente.

2) le circuit est mobile, l'aimant permanent est fixe : les résultats sont identiques aux précédents ; seul le mouvement relatif des deux éléments en interaction doit être pris en compte ;

3) on suspend maintenant une bobine par un fil de laine de façon qu'elle puisse tourner librement autour de l'un de ses diamètres et on la place dans le champ d'un aimant permanent. Si on la fait touner autour du fil de suspension, on constate qu'un courant circule dans la bobine et qu'il change de sens chaque fois qu'elle effectue un demi-tour : cette bobine en rotation schématise un alternateur , le courant qui la parcourt le courant alternatif qui alimente nos installations ;

4) un circuit électrique de forme queconque, parcouru par un courant constant, est équivalent à un aimant permanent , avec ses pôles nord et sud; donc les expériences précédentes peuvent être reprises en remplaçant l'aimant permanent par un tel circuit. Il joue alors le rôle de circuit inducteur, le circuit dans lequel est créé le courant est le circuit induit.

Rien ne serait différent des expériences précédentes si ce n'est la possibilité de faire varier le champ magnétique par suppression du courant inducteur, tout simplement en commutant un interrupteur placé dans ce circuit. Le résultat est évidemment le même, mais on ne fournit plus d'énergie mécanique ; c'est un transfert d'énergie électrique, du circuit inducteur au circuit induit, ce qui peut s'avérer utile soit pour des problèmes d'isolement, soit, plus généralement, pour modifier la tension aux bornes du circuit : les deux bobines en interaction schématisent un transformateur.

Quand on cite les mots dynamos, alternateurs, transformateurs, ce sont les applications clés de l'électricité industrielle et on comprend mieux le rôle essentiel du phénomène d'induction dans l'obtention et la distribution de l'énergie électrique. Bien entendu, nous n'avons décrit que des schémas de principe et les appareils industriels sont de plus en plus sophistiqués. En donner une description, même succincte, n'est pas le but de ce texte. Mais, quelle que soit la destination et la complexité de l'appareil, on retrouvera toujours les éléments essentiels :

- pour la dynamo et l'alternateur, un inducteur, en général constitué par un électroaimant et un induit mobile, ou tambour, constitué souvent par un cylindre ferromagnétique sur lequel sont enroulées des bobines ;

- pour les transformateurs, une carcasse en fer qui constitue le circuit magnétique sur laquelle sont enroulées deux bobines distinctes, en général différentes par leur nombre de spires, l'une d'entre elles, le primaire, étant alimentée par un courant alternatif. L'autre bobine, qui constitue le circuit secondaire, restitue cette énergie dans des conditions de tension différentes.

Si on devait justifier aussi simplement que possible les phénomènes d'induction, ou plus exactement les relier à des phénomènes déjà rappelés, on pourrait se souvenir que le déplacement des charges crée un champ magnétique, en d'autres termes, une variation de champ magnétique qui passe d'une valeur nulle à une valeur quelconque mais non nulle. Réciproquement, une variation du champ magnétique va créer, dans la mesure où il est possible, un déplacement des charges : les deux phénomènes sont successivement cause et effet. Si la variation du champ magnétique affecte un circuit métallique, elle produit un courant électrique induit.

Les effets des phénomènes d'induction, non seulement sont appliqués à l'obtention de générateurs industriels et transforment notre vie quotidienne, mais sont indispensables à la propagation des ondes électromagnétiques. Mais ceci est une autre histoire que nous raconterons plus loin.

7. Les courants alternatifs.