L improbable «pile ou face» magnétique

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1 RÉSUMÉ U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E L improbable «pile ou face» magnétique par Palais de la découverte Paris hassan.khlifi@universcience.fr Lancée dans les airs, une pièce de monnaie équilibrée a une chance sur deux de tomber sur l une des deux faces, pile ou face. Qu en est-il si on fait la même chose avec un aimant néodyme (1) en forme de pièce de monnaie? La meilleure réponse à cette question est : cela dépend de l endroit où se déroule l expérience. À Paris, au Palais de la découverte par exemple, l aimant chute presque toujours sur la même face : pôle Sud vers le haut, et, à Buenos Aires en Argentine, c est le contraire, c est le pôle Nord qui pointe vers le haut. Est-ce par hasard? Cela aurait été vrai si on avait fait l expérience une seule fois. Mais cette expérience a été réalisée une centaine de fois sans interruption, sur divers supports et par différentes personnes, scientifiques ou non. Le résultat est le même : l aimant n obéit pas aux mêmes lois de probabilité qu une pièce de mon - naie. En choisissant la face sud dans un jeu de hasard, on gagne presque à tous les coups si on est dans l hémisphère nord! L EXPÉRIENCE Les faces de l aimant étant identiques, repérons l une des deux faces avec un mar - queur ou un bout de scotch. Lâchons l aimant sur la tranche à environ une trentaine de centimètres d une plaque en cuivre dont le rôle, ici, est d amortir la chute de l aimant par induction (2). en répétant l expérience autant de fois qu on le souhaite, l aimant tombe toujours sur la même face! Mieux encore, le même aimant présente sa face sud vers le haut au Palais de la découverte à Paris, et la face opposée, c est-à-dire la face nord à Buenos Aires en Argentine (3). À Paris comme à Buenos Aires, l expérience montre clairement que l aimant tombe presque toujours face sud vers le haut dans l hémisphère nord et face nord vers le haut dans l hémisphère sud. Maintenant, la question qui vient immédiatement à l esprit lors- (1) Les aimants utilisés dans ces expériences doivent être en néodyme, des aimants très puissants, ils ont toutes les formes. On peut s en procurer par correspondance sur des sites Internet spécialisés. (2) Lors de sa chute, l aimant génère par induction un courant électrique dans le conducteur (la plaque en cuivre) et par la suite un champ magnétique qui ralentie cette chute. (3) L expérience en Argentine a été réalisée par un ingénieur de formation et un fidèle visiteur du Palais de la découverte, M. Jaime de HAgen que nous remercions pour l aide apportée.

2 460 E N S E I G N E M E N T E X P É R I M E N T A L qu on fait cette expérience est : que se passe-t-il si cette expérience est réalisée entre les deux hémisphères, c est-à-dire dans une région voisine de l équateur géographique? nous n avons pas réalisé cette expérience, mais en nous appuyant sur les explications qui vont suivre, nous sommes presque convaincus qu il existe des régions équatoriales où les deux événements sont équiprobables, c est-à-dire que l aimant a les mêmes chances de tomber sur l une des deux faces, mais seule l expérience nous le dira. nous publierons prochainement le résultat de cette expérience. Si on sait sur quel hémisphère on se trouve, on peut alors identifier la face nord ou la face sud de l aimant sans boussole! Réciproquement, avec un aimant dont on connaît la face nord, quelques lancers à «nord ou sud» permettent de déterminer l hémisphère sur lequel on se trouve. Cela est très utile si on se trouve à la frontière des deux, c est-à-dire à l équateur! Justement, à l équateur, il devrait y avoir théoriquement un endroit ou la chute sur l une des faces est équiprobable. Si l expérience est concluante, avec quelques perfectionnements, nous pourrons obtenir une technique originale permettant de déterminer le passage d un hémisphère à l autre. en tout cas, elle est plus réaliste que celle basée sur une idée reçue sur la force de Coriolis et qui consiste à dire qu il suffit d observer le sens de rotation de l eau lors d une vidange pour déterminer dans quel hémisphère on se trouve! 2. EXPLICATION Quel est le phénomène qui contraint l aimant à chuter toujours sur la même face suivant l endroit où l on se trouve? C est notre planète. La Terre, comme d autres pla - nètes, génère un champ magnétique analogue à celui d un aimant droit. de même qu un aimant possède un pôle nord et un pôle Sud magnétique, le pôle Sud magnétique terrestre est situé non loin du nord géographique. Abandonné à lui-même lors d une chute libre, un aimant «voit» son pôle nord basculer vers le sol par l attraction du pôle Sud terrestre, il atterrit sur sa face nord dans l hémisphère nord et sur sa face sud dans l hémisphère sud. Tel un gigantesque et faible aimant, le pôle Sud magnétique terrestre (nord géographique) attire, ou oriente dans le cas d une boussole, le pôle nord de n importe qu elle autre aimant. Mais, l action du champ magnétique terrestre sur les aimants de l ancienne génération comme les alnico (aluminium, nickel, cobalt) reste relativement faible, et c est peut-être pour cette raison qu on n a jamais pu faire cette observation avec de tels aimants. Mais, depuis quelques années, une nouvelle génération d aimants est née, des aimants très puissants dits néodyme (néodyme, fer et bore) et donc très sensibles, même au champ magnétique terrestre. Les tailles et les formes de ces aimants sont également un grand atout, et c est justement, en manipulant ces aimants au quotidien pour d autres expériences, que nous avons fait cette observation par hasard! 3. UNE EXPÉRIENCE POUR CONCLURE Comme on sait en général sur quel hémisphère on se trouve, à moins qu on se trouve L improbable «pile ou face» magnétique Le Bup n 933

3 U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E perdu dans une jungle équatoriale après avoir survécu à un crash d avion, quelques lancés nord-sud de l aimant permettent de déterminer ces pôles. Puis, sur une surface suffisamment lisse, on pose délicatement l aimant sur la tranche et on observe. Le phénomène est incroyable! L aimant tourne et se stabilise suivant une direction bien précise, c est la direction nord-sud. Cette direction coïncide avec l axe de l aimant (la perpendiculaire à sa surface et passant par son centre). On vient de réaliser une boussole! NETOGRAPHIE Les expériences décrites dans cet article ont été filmées et les vidéos obtenues sont observables sur le site du Palais de la découverte à l adresse : Responsable adjoint du département de physique Palais de la découverte Paris 8 e

4 462 E N S E I G N E M E N T E X P É R I M E N T A L Annexe Illustrationsetcommentaires 1. L AIMANT UTILISÉ C est cet aimant de la taille d une pièce de monnaie qui m a permis de constater le phénomène pour la première fois. C est également cet aimant qui a fait le voyage jusqu en Argentine pour la vérification de l expérience sur l hémisphère sud. d autres aimants de tailles et d épaisseurs différentes peuvent être utilisés, le résultat ne change pas d une manière notable. Il faut noter également que l épaisseur de la plaque joue un rôle important sur le ralentissement de la chute. Photo 1 : Forme et taille de l aimant 2. REPÉRAGE DES PÔLES DE L AIMANT Avec une boussole, on détermine la face sud de l aimant (petite croix rouge). Le nord de la boussole (pointe rouge) indique le sud de l aimant. On peut procéder de deux manières différentes : l aimant en position verticale (cf. photo 2, page ci-contre) ; ou en position horizontale (cf. photo 3, page ci-contre). Si on place l aimant sur la tranche sur un support sans trop de frottement, l aimant tourne et s oriente sud-nord telle une boussole. Il ne pivote pas si, par hasard, on le place tel que son axe coïncide (ou presque) dès le départ avec la direction sud-nord. L improbable «pile ou face» magnétique Le Bup n 933

5 U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E Photo 2 : Aimant en position verticale. Photo 3 : Aimant en position horizontale RÉALISATION DE L EXPÉRIENCE Voici la manière dont il faut procéder pour faire l expérience : il faut lâcher l aimant sur la tranche, et, si possible, sur une plaque de cuivre assez épaisse pour optimiser le ralentissement par induction (courants de Foucault). de cette manière, on évite de favoriser l une des faces. On peut répéter l expérience de plusieurs hauteurs. en ce qui me concerne, j ai fait des tests sur des hauteurs qui varient entre 10 cm et 100 cm. Lorsque la hauteur de chute devient excessive, le problème des rebondissements «fausse» l expérience. Pour des hauteurs plus importantes on peut remédier au problème des rebondissements par le choix d une grande plaque en cuivre. Je n ai pas encore fait de test. Photo 5 : Position de l aimant (face sud devant nous) après la chute. Photo 4 : Chute de l aimant.