Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
25Les aimants et la boussole
Il y a des années, tu as découvert que les deux extrémités d’un aimant sont différentes : dans un sens, deux aimants se collent d’un coup ; retournés, ils se repoussent. Nous avions promis que ces extrémités avaient un nom et un métier célèbre — guider les voyageurs à travers le monde. Aujourd’hui, la promesse est tenue : voici les pôles, et le petit instrument qui a trouvé le chemin de tous les explorateurs avant l’existence des satellites.
25.1 Les deux pôles
Définition 25.1 (Pôles)
Les deux extrémités particulières d’un aimant — là où son attraction est la plus forte, là où les trombones s’agglutinent — sont ses pôles. On les appelle le pôle nord (souvent peint en rouge, marqué N) et le pôle sud (marqué S). Tout aimant possède les deux : un de chaque, toujours.
Proposition 25.2 (La règle des pôles)
Des pôles opposés s’attirent : N se colle à S. Des pôles de même nom se repoussent : N repousse N, S repousse S. Cette unique règle explique tous les claquements et tous les refus élastiques que tu as jamais sentis entre deux aimants.
Exemple 25.3 (Relire les vieilles expériences)
Quand tes deux aimants se collaient d’un coup, un N faisait face à un S. Quand ils refusaient élastiquement, N faisait face à N (ou S à S). Et les trombones s’agglutinaient toujours aux extrémités parce que les pôles sont l’endroit où vit la puissance d’un aimant — son milieu est le calme qui les sépare.
25.2 La Terre est un aimant
Exemple 25.4 (Le plus grand aimant de tous)
Suspends un aimant droit à un fil de façon qu’il puisse tourner librement, attends qu’il se stabilise — et il se produit quelque chose de merveilleux : il s’immobilise toujours dans la même direction, un pôle vers le grand nord du monde, l’autre vers le grand sud. Un aimant géant, invisible, doit bien aligner ses pôles. Ce géant, c’est la Terre elle-même : notre planète tout entière est un aimant, avec ses pôles magnétiques près du haut et du bas du globe.
Définition 25.5 (Boussole)
Une boussole est une petite aiguille aimantée et légère, posée en équilibre sur un pivot fin de façon à pouvoir tourner librement. Laissée tranquille, l’aiguille obéit à l’aimant-Terre : son extrémité marquée s’immobilise en direction du nord. Sous l’aiguille, un cadran indique les quatre points cardinaux : Nord, Est, Sud, Ouest.
Méthode 25.6 (Se servir d’une boussole)
- Tenir la boussole bien à plat et immobile, loin des aimants et des grosses masses de fer (grillages, voitures — elles distraient l’aiguille) ;
- attendre que l’aiguille cesse d’osciller ;
- tourner doucement le cadran de la boussole jusqu’à ce que son N se place sous l’extrémité marquée de l’aiguille ;
- lire les directions : l’est à ta droite quand tu fais face au nord, l’ouest à ta gauche, le sud dans ton dos.
Vérifie avec le ciel : par chez nous, l’ombre de midi du chapitre sur le cadran solaire pointe vers le nord — l’ombre et l’aiguille doivent être d’accord.
Exemple 25.7 (En fabriquer une soi-même)
Frotte une aiguille à coudre en acier avec un pôle d’un aimant, vingt fois, toujours dans le même sens, en écartant l’aimant entre chaque passage : l’aiguille devient elle-même un petit aimant. Pose-la doucement sur une rondelle de liège qui flotte dans un bol d’eau — et regarde le liège tourner lentement jusqu’à ce que l’aiguille pointe nord–sud. Tu viens de construire la boussole des marins d’il y a mille ans.
Remarque 25.8 (L’instrument qui a ouvert les océans)
Avant la boussole, les marins longeaient les côtes et priaient pour des nuits claires afin de se guider aux étoiles. Avec une aiguille flottante, ils pouvaient tenir un cap dans le brouillard, la tempête et les nuits sans lune — à travers des océans entiers. Peu d’instruments ont redessiné la carte du monde aussi complètement. Et une énigme est restée ouverte pendant des siècles : pourquoi la Terre se comporte-t-elle comme un aimant ? L’histoire complète attend dans les années de licence de ce cours — elle vaut l’attente.
25.3 Exercices
Exercice 25.1 ★
Que sont les pôles d’un aimant, et comment s’appellent-ils ? À quel endroit d’un aimant droit les trombones s’agglutinent-ils ?
Exercice 25.2 ★
Énonce la règle des pôles. Deux aimants se collent d’un coup : quels pôles se faisaient face ?
Exercice 25.3 ★
Le pôle N d’un aimant s’approche du pôle N d’un autre. Que se passe-t-il ? Et N vers S ?
Solution
Solution de Exercice 25.3.
N vers N : ils s’écartent (les pôles de même nom se repoussent). N vers S : ils s’attirent et se collent.
Exercice 25.4 ★
Pourquoi un aimant droit suspendu librement s’immobilise-t-il toujours dans la même direction ? Que cela révèle-t-il sur la Terre ?
Exercice 25.5 ★
Nomme les quatre points cardinaux dans l’ordre, en partant du nord et en tournant vers la droite. Face au nord, quelle direction est à ta droite ?
Solution
Solution de Exercice 25.5.
Nord, Est, Sud, Ouest. Face au nord, l’est est à ta droite.
Exercice 25.6 ★
Pourquoi faut-il tenir une boussole loin des aimants, des grillages en fer et des voitures pendant qu’on la lit ?
Exercice 25.7 ★
Décris comment transformer une aiguille à coudre en aiguille de boussole, et comment la laisser tourner librement sans pivot.
Solution
Solution de Exercice 25.7.
Frotter l’aiguille avec un pôle d’un aimant, vingt fois dans le même sens, en écartant l’aimant entre chaque passage — elle devient un petit aimant. La poser sur une rondelle de liège qui flotte dans un bol d’eau : le liège flottant est un pivot fait d’eau, et l’aiguille tourne pour pointer nord–sud.
Exercice 25.8 ★
D’après le chapitre sur le cadran solaire : dans quelle direction pointe l’ombre de midi par chez nous ? Comment cela permet-il de vérifier une boussole — ou d’en remplacer une perdue ?
Exercice 25.9 ★
Pourquoi la boussole a-t-elle été un tel trésor pour les marins, comparée au guidage le long de la côte ou aux étoiles ?
Solution
Solution de Exercice 25.9.
Elle fonctionne dans le brouillard, sous les nuages, les nuits sans lune et loin de toute côte — l’aiguille ne demande rien au ciel. Les marins pouvaient enfin tenir un cap en pleine mer par tous les temps.
Exercice 25.10 ★★
Une randonneuse marche vers un refuge de montagne situé plein nord. Son aiguille de boussole, tenue correctement, pointe vers la boucle de ceinture de son ami au lieu du nord chaque fois qu’il se tient tout près, sur sa gauche. Que se passe-t-il, dans quelle direction risque-t-elle de dériver, et quelle est la solution en une étape ?
Solution
Solution de Exercice 25.10.
La boucle de ceinture en fer de son ami l’emporte de près sur l’aimant-Terre : l’aiguille pointe vers la boucle, et non vers le nord. En s’y fiant, elle dériverait — ce faux « nord » se trouve vers sa gauche, elle infléchirait donc sa route vers la gauche, c’est-à-dire vers l’ouest. La solution : lire la boussole loin de la boucle (à quelques pas d’écart), puis marcher.
Exercice 25.11 ★★
On scie un aimant en deux entre ses deux pôles, dans l’espoir d’obtenir un N tout seul dans une main et un S tout seul dans l’autre. Le savoir des marins — et toutes les expériences jamais faites — disent que chaque moitié se révèle être un petit aimant complet, avec les deux pôles. Mets l’affirmation à l’épreuve par la pensée avec la recette de l’aiguille de boussole : l’aiguille à coudre frottée est courte — a-t-elle un pôle ou deux ? Que cela suggère-t-il sur la chasse à un pôle isolé par découpage ?
Solution
Solution de Exercice 25.11.
L’aiguille courte, une fois frottée, possède deux pôles — ses extrémités se comportent comme un N et un S (fais flotter deux aiguilles de ce genre et elles se collent bout à bout, les extrémités contraires s’attirant). Raccourcir un aimant ne supprime donc pas un pôle, et le couper en deux ne fait que produire deux petits aimants complets : la chasse au pôle isolé par découpage ne s’achève jamais — chaque coupe te rend les deux pôles.