Expériences avec des aimants en classe : apprendre le magnétisme

Une expérience d'aimant en classe est une manipulation courte qui rend visible une force que rien ne laisse voir : les élèves trient les objets attirés, révèlent les lignes de champ magnétique à la limaille de fer, fabriquent une boussole. Le matériel tient dans une boîte à chaussures, pour moins de vingt euros.

Par où commencer selon le niveau de la classe

Le magnétisme se rencontre dès le cycle 2 sous une forme purement descriptive : on trie, on observe, on classe. Au cycle 3, l'attraction devient une propriété que l'on mesure et que l'on compare. Au collège, elle rejoint l'électricité et le programme aborde l'électroaimant, la boussole et le champ terrestre. Le même aimant droit sert donc du CP à la troisième, seule la question posée change.

Quels matériaux les aimants attirent-ils vraiment

La formule que les élèves apportent avec eux, « un aimant attire le métal », est fausse et c'est une bonne nouvelle : elle donne une expérience toute prête. Trois corps simples sont ferromagnétiques à température ambiante, le fer, le nickel et le cobalt, auxquels s'ajoutent leurs alliages, à commencer par l'acier. Tout le reste des métaux courants reste indifférent : aluminium, cuivre, laiton, zinc, plomb, or, argent, titane.

Une boîte de tri se prépare en cinq minutes. On y met une pièce de monnaie, un trombone, une canette en aluminium, un clou, une cuillère de cantine, une clé, une agrafe, une bille de verre, un morceau de fil électrique dénudé. Chaque élève prédit, puis vérifie. La prédiction fausse est plus instructive que la bonne : c'est elle qui oblige à reformuler la règle. La force d'attraction se compare ensuite en glissant une feuille, puis deux, puis un carton entre l'aimant et la pièce à soulever.

Le piège de l'acier inoxydable

Une casserole de cantine en inox 18/10 n'est pas attirée, alors qu'un couvert de la même cuisine peut l'être. La raison tient à la structure du métal : les inox dits austénitiques, riches en nickel, ne sont pas ferromagnétiques, tandis que les inox ferritiques, sans nickel ou presque, le sont. Le fond d'une casserole compatible induction est d'ailleurs choisi magnétique pour cette raison précise. Un aimant sert donc de test de reconnaissance, et l'exercice tient en une minute au réfectoire.

Révéler les lignes de champ à la limaille de fer

C'est la manipulation la plus spectaculaire du répertoire, et la plus ancienne. On pose une feuille de papier rigide ou une plaque de plexiglas sur l'aimant, on saupoudre la limaille en tapotant, et les grains s'orientent le long des lignes de champ. Chaque grain se comporte comme une minuscule boussole : il ne subit pas seulement une attraction, il prend la direction du champ à l'endroit où il se trouve. Le dessin obtenu resserre ses lignes aux deux extrémités, là où le champ est le plus intense, et les élèves désignent d'eux-mêmes les pôles avant qu'on les ait nommés.

Deux variantes prolongent l'observation sans matériel supplémentaire. En plaçant deux aimants pôles opposés face à face, les lignes joignent l'un à l'autre ; pôles identiques, elles se repoussent et laissent entre eux une zone vide en forme de lentille. En glissant sous la feuille un aimant en fer à cheval, la boucle se referme d'une branche à l'autre, ce qui prépare la notion de circuit magnétique et la comparaison avec un électroaimant.

Préparer la limaille sans la perdre

La limaille versée sur un aimant nu s'y colle en hérisson et ne se récupère plus. Trois précautions suffisent : la garder sous la feuille et non dessus, la verser au-dessus d'un plateau à rebord pour la reprendre, et prévoir une version scellée pour les plus jeunes, limaille et huile légère enfermées dans une pochette plastique soudée. Cette pochette se réutilise chaque année et supprime le risque de projection dans les yeux. Un sachet de limaille de fer coûte de 5 à 10 euros, un aimant droit de 3 à 8 euros.

Attraction, répulsion et boussole : montrer les deux pôles

Un aimant a deux pôles et il est impossible de les séparer : coupé en deux, il donne deux aimants complets, chacun avec son pôle nord et son pôle sud. La démonstration est simple avec une barre aimantée fragile ou avec un aimant flexible que l'on découpe aux ciseaux, et elle marque durablement les esprits, car elle contredit l'intuition du « morceau de nord » et du « morceau de sud ».

La boussole artisanale demande une aiguille à coudre, un bouchon de liège et une soucoupe d'eau. On aimante l'aiguille en la frottant vingt à trente fois dans le même sens contre un pôle, on la pique dans une rondelle de bouchon et on pose l'ensemble sur l'eau. L'aiguille pivote et s'immobilise dans l'axe nord-sud. L'occasion est bonne de signaler un fait que peu d'adultes connaissent : le pôle nord de l'aiguille pointe vers le nord géographique, qui est donc, magnétiquement parlant, un pôle sud. Pour aller plus loin, notre page sur la mesure d'un champ magnétique détaille les unités et les appareils.

Fabriquer un électroaimant avec un fil de cuivre et une pile

L'électroaimant est la charnière entre deux chapitres que les élèves croient séparés, l'électricité et le magnétisme. Le montage tient en trois éléments : un gros clou en fer doux, un fil de cuivre émaillé enroulé serré autour, une pile plate de 4,5 volts. Dès la fermeture du circuit, le clou attire les trombones ; à l'ouverture, ils tombent. Un aimant permanent, lui, ne s'éteint pas, et cette différence de comportement est exactement le but de la manipulation.

On fait ensuite varier un paramètre à la fois. Doubler le nombre de spires augmente nettement le nombre de trombones soulevés ; retirer le clou et ne garder que la bobine affaiblit beaucoup l'effet, ce qui montre le rôle du noyau ferromagnétique. Deux mises en garde : le fil doit être dénudé aux extrémités seulement, car c'est l'émail qui isole les spires entre elles, et le circuit ne doit pas rester fermé plus de quelques secondes sous peine d'échauffement de la pile.

Le moteur homopolaire, ou la force de Lorentz devenue visible

Voici la manipulation qui fait le plus d'effet pour le moins de matériel. Une pile AA, un aimant disque collé sous son pôle négatif, un fil de cuivre nu plié en forme de cœur qui touche la borne positive en haut et l'aimant en bas. Le fil se met à tourner et ne s'arrête plus. Le courant traverse le fil dans le champ de l'aimant, et la force de Lorentz s'exerce perpendiculairement aux deux, ce qui produit une rotation continue.

Ce montage est le plus petit moteur électrique que l'on puisse construire, et il résume le principe de tous les autres, y compris celui des moteurs à aimants permanents des voitures électriques. Il chauffe vite : la pile est en court-circuit, il faut compter une dizaine de secondes par démonstration et laisser refroidir. Un aimant de récupération de disque dur convient, à condition de le manipuler avec précaution.

Les courants de Foucault : l'aimant qui tombe au ralenti

On lâche un aimant en néodyme dans un tube de cuivre tenu à la verticale. Au lieu de traverser en une fraction de seconde, il descend lentement, comme freiné par un fluide. Or le cuivre n'est pas attiré : les élèves l'ont vérifié eux-mêmes une demi-heure plus tôt dans la boîte de tri, et la contradiction apparente rend la scène mémorable.

L'explication tient en une phrase : le déplacement de l'aimant fait naître des courants induits dans l'épaisseur du cuivre, les courants de Foucault, et ces courants créent à leur tour un champ qui s'oppose au mouvement. C'est la loi de Lenz, et c'est aussi le principe des freins électromagnétiques des poids lourds et des manèges. Le même effet explique pourquoi un tri par courants de Foucault sépare l'aluminium des autres déchets sur une chaîne de recyclage, sujet abordé sur notre page consacrée au recyclage des aimants néodyme. Un tube de cuivre de 30 centimètres coûte de 10 à 20 euros et dure des années.

Faire léviter un aimant sur un crayon

La lévitation est l'expérience qui fait le plus parler une classe, et elle ne demande que trois aimants annulaires et un crayon planté dans un socle. On enfile le premier anneau, puis le deuxième retourné : la répulsion des pôles identiques le maintient en l'air à un ou deux centimètres, sans aucun contact. Le crayon ne porte pas l'anneau, il l'empêche seulement de basculer sur le côté, et c'est précisément ce que la manipulation doit faire dire aux élèves.

La suite se déroule en trois étapes. On appuie sur l'anneau supérieur pour sentir la force augmenter à mesure que l'écart diminue, on ajoute un troisième anneau pour voir les distances se réduire, puis on retourne un anneau pour vérifier que la répulsion devient attraction. Cette explication de la répulsion à distance prépare la lévitation des trains à sustentation magnétique, dont le principe est le même à une autre échelle. Un lot de six anneaux en ferrite revient à une dizaine d'euros et sert plusieurs années.

Jeux éducatifs et activités pour les plus jeunes

De la maternelle au cycle 2, l'objectif n'est pas d'expliquer mais de faire manipuler : l'apprentissage passe par le geste, et l'enfant construit la notion d'attraction à distance bien avant de savoir la nommer. Une activité de pêche à la ligne, avec un aimant au bout d'une ficelle et des poissons de papier munis d'un trombone, occupe un atelier entier de façon ludique. Le principe est le même que celui de la pêche à l'aimant pratiquée en rivière, avec des forces sans commune mesure. Le jeu se prolonge à la maison sans matériel particulier, un simple aimant de porte de réfrigérateur suffisant à poursuivre la découverte.

• Le labyrinthe : une bille d'acier posée sur un carton, un aimant déplacé sous le carton, et l'enfant comprend que la force traverse la matière.
• La chasse au trésor magnétique : de petits objets cachés dans un bac de riz ou de sable, un aimant en guise de détecteur, comme dans la recherche d'un objet métallique perdu.
• Le tableau à aimants : trier des étiquettes selon qu'elles tiennent ou non, avec des aimants flexibles découpés à la bonne taille.
• La danse des trombones : un trombone suspendu à un fil reste en l'air sous un aimant sans le toucher, et l'on glisse une carte, une règle, une main entre les deux.

Ces activités demandent des aimants larges et peu puissants, du type ferrite, jamais de petites billes. À l'aide d'un simple support en bois et de quelques cubes aimantés, l'enseignant monte un atelier autonome que les enfants explorent seuls. La fondation La main à la pâte diffuse des séquences complètes de sciences pour l'école primaire, et le magnétisme y figure parmi les thèmes de découverte les plus documentés ; c'est une ressource utile pour construire une progression sur plusieurs séances.

Ce que dit la structure interne d'un matériau aimanté

Pour une classe de collège ou de lycée, la question « pourquoi certains matériaux seulement » appelle une réponse sur la structure interne. Dans un morceau de fer ordinaire, les moments magnétiques des atomes s'organisent en petites régions appelées domaines, chacune déjà aimantée mais orientée au hasard, si bien que l'ensemble ne produit rien à l'extérieur. Approcher un aimant aligne progressivement ces domaines, et le fer devient aimanté à son tour : c'est exactement ce que l'on observe quand un trombone accroché à un aimant en retient un deuxième.

La chaleur défait cet alignement. Au-delà d'une température appelée point de Curie, 770 °C pour le fer, le matériau perd toute aimantation. Sur un aimant néodyme, le seuil de destruction est bien plus bas et la limite d'emploi courante se situe autour de 80 °C, raison pour laquelle il ne faut jamais en poser un sur un radiateur ou dans un four. La démagnétisation par la chaleur ou par un choc est un phénomène à connaître avant de laisser du matériel dans une salle exposée au soleil.

Sécurité : les aimants à ne pas laisser entre toutes les mains

Le matériel pédagogique classique, aimants droits, fers à cheval et pastilles de ferrite, ne présente pas de danger particulier. Les aimants en terres rares vendus pour le bricolage sont d'une tout autre nature : une pastille de deux centimètres retient plusieurs kilogrammes et peut pincer sévèrement un doigt en se refermant sur une plaque métallique.

Le risque grave est l'ingestion. Deux billes avalées séparément s'attirent à travers les parois digestives et provoquent une perforation qui impose une intervention chirurgicale. C'est ce qui a conduit plusieurs pays à retirer du marché les jeux de billes magnétiques et ce que traduit la norme EN 71-1 pour les jouets. Un élève porteur d'un stimulateur cardiaque ne doit pas approcher un aimant puissant de sa poitrine. Nos précautions de manipulation des aimants néodyme détaillent les distances et les gestes à respecter ; en classe, la règle simple reste de réserver ces pièces à la démonstration faite par l'enseignant.

Questions fréquentes des enseignants

Quelle est l'expérience la plus simple à faire en classe avec un aimant ?

La boîte de tri. On rassemble une vingtaine de petits objets du quotidien, chaque élève prédit lesquels seront attirés, puis vérifie avec un aimant droit. La manipulation dure dix minutes, ne coûte rien et corrige d'emblée l'idée fausse selon laquelle un aimant attire tous les métaux.

Comment fonctionne un électroaimant ?

Un courant qui circule dans une bobine de fil de cuivre crée un champ magnétique. En plaçant un noyau de fer doux au centre de la bobine, ce champ s'intensifie fortement et l'ensemble se comporte comme un aimant. La différence avec un aimant permanent est qu'il s'arrête dès que le circuit est ouvert.

Quels matériaux sont attirés par un aimant ?

Le fer, le nickel, le cobalt et leurs alliages, dont l'acier. L'aluminium, le cuivre, le laiton, l'or, l'argent et le titane ne le sont pas, ni les inox austénitiques du type 18/10 employés en cuisine.

Peut-on utiliser des aimants néodyme avec des élèves ?

En démonstration tenue par l'adulte, oui, pour le tube de cuivre ou le moteur homopolaire. En manipulation libre, non : risque de pincement des doigts et surtout d'ingestion, deux billes avalées pouvant perforer l'intestin en s'attirant à travers ses parois.

Où trouver de la limaille de fer et combien cela coûte-t-il ?

Les fournisseurs de matériel scolaire et les boutiques de sciences en vendent en sachet de 100 à 500 grammes, pour 5 à 10 euros. La version scellée dans une pochette plastique, un peu plus chère, se réutilise d'une année sur l'autre et supprime le nettoyage.

Pourquoi l'aiguille d'une boussole indique-t-elle le nord ?

Parce que la Terre se comporte comme un immense aimant et que l'aiguille aimantée s'aligne sur son champ. Par convention, le pôle de l'aiguille qui pointe vers le nord géographique s'appelle pôle nord, ce qui implique que le nord géographique est un pôle sud magnétique.

Le magnétisme et ses applications dépassent largement la salle de classe, du disque dur au portique de sécurité, et c'est souvent la première expérience faite avec un aimant qui donne envie d'aller y regarder de plus près.