Cette expérience de physique amusante est très facile à réaliser et nécessite peu de matériel.
Matériel
- des aimants assez forts (que l’on peut commander par exemple sur internet)
- un rouleau de papier aluminium
- un autre rouleau, de diamètre intérieur identique au premier, vide ou présentant une matière non métallique comme du film plastique
Remarque :
pour l’expérience proposée, nous avons utilisé dix aimants Néodyme/Bore de 3 mm d’épaisseur et de 12 mm de diamètre (tenant environ 2,1 kg).
Expérience
Il est préférable de réaliser cette expérience à deux personnes. Une personne positionne verticalement les deux tubes en les maintenant avec les mains à une même altitude. L’autre personne peut ensuite laisser chuter deux empilement d’aimants identiques à travers les deux tubes en lâchant les aimants au même instant simultanément à l’aide de ses deux mains. Comparer les temps de chute des deux empilements à travers chacun des rouleaux.
Dans notre expérience, nous avons étudié la chute d’un empilement de cinq aimants (collés entre eux par interaction magnétique).
Observations
Nous observons que les aimants chutent plus vite dans le rouleau de film plastique que dans le rouleau de papier aluminium. Tout se passe comme si les aimants sont freinés dans le tube avec l’aluminium lors de leur chute.
On peut vérifier expérimentalement également que le temps de chute dans le rouleau vide ou le rouleau de film plastique est quasi-identique au temps de chute des aimants à l’air libre lorsque les empilements d’aimants frottent très peu sur les parois du tube.
ObservatiExonNous constattons
Que se passe-t-il ?
Cette expérience illustre un phénomène très connu en physique : le freinage par induction électromagnétique. Elle met en évidence tout particulièrement l’existence de courants de Foucault dans le matériau constituant le papier aluminium. C’est le physicien Léon Foucault qui a découvert l’existence de ces courants en 1851.
L’expérience avec le tube en carton vide ou sur lequel est enroulé du film plastique sert d’expérience témoin.
Lorsqu’un matériau conducteur est soumis à un champ magnétique variable, des courants sont induits dans ce dernier. Ces courants s’appellent communément « courants de Foucault« . Le champ magnétique créé par les aimants ici est variable dans le temps dans le matériau constituant le papier aluminium, à cause de la chute libre des aimants. Des courants sont donc générés dans le papier aluminium. En revanche, aucun courant n’est induit dans le film plastique, matériau non conducteur.
Or lorsqu’un conducteur est parcouru par un courant, ce dernier crée également un champ magnétique (voir article La boussole perd le nord ! ) Le rouleau de papier en aluminium créé donc un champ magnétique qui agit en retour sur les aimants via la force de Laplace. C’est cette force qui freine les aimants dans leur chute.
Enfin, il existe une loi importante en physique permettant de rendre compte des effets macroscopiques des phénomènes d’induction électromagnétique : la loi de Lenz. Cette dernière est une loi de modération, à l’origine empirique, et stipule que les effets produits par l’induction électromagnétique s’opposent aux causes. Le conducteur, en créant un champ magnétique s’oppose au mouvement des aimants et les freine donc dans leur chute : ils sont freinés !
Pour aller plus loin
Pour induire des courants de Foucault dans un matériau conducteur, on peut également envisager la situation complémentaire où un matériau conducteur est en mouvement dans un champ magnétique stationnaire.
Des systèmes de freinage à courants de Foucault sont utilisés sur les véhicules poids lourds et sur les autobus. Dans ces dernières applications, des électroaimants créent un champ magnétique sur un disque conducteur en rotation entrainé par les roues.
Lorsque l’on met en marche les électroaimants, des courants de Foucault sont induits dans les disques conducteurs en mouvement, ce qui génère des forces de Laplace responsables du freinage des roues.
Le freinage électromagnétique par courants de Foucault a lieu sans contact et évite l’usure de la gomme du pneu comme les freins classiques mais ne permettent pas l’immobilisation complète du véhicule (puisque les disques conducteurs doivent être en mouvement pour qu’il y ait freinage). Les freins à courants de Foucault fonctionnent donc de manière complémentaire aux systèmes de freinage habituels.
Des véhicules hybrides actuels utilisent également ces courants de Foucault en stockant de l’énergie électrique issus de ces derniers lors des phases de freinage.