Magnétisme et électromagnétisme

[invite4060f51d]

Bonjour,

J'ai déjà beaucoup appris, mais je suis toujours en secondaire, mais quand on explique quelque chose, je me pose d'autres questions. Je vais entrer en 5ème (en France, c'est la 1ère).

* Dans les liaisons métalliques, ce sont les électrons libres qui permettent de tenir les atomes entre eux. Mais les électrons, ils se repoussent. Alors, pourquoi malgré cela, les atomes tiennent ensemble ?

* Comment se fait-il que des aimants permanents aient une force magnétique ? Que se passe-t-il au niveau atomique ? je sais pourquoi pour les électro-aimants, mais pour les permanents, non.

* Que se passe-t-il au niveau atomique, pour les supraconducteurs ? Pourquoi doit-on les refroidir ?


Merci de m'éclairer un peu.
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[phys4]

Bonjour,

J'ai déjà beaucoup appris, mais je suis toujours en secondaire, mais quand on explique quelque chose, je me pose d'autres questions. Je vais entrer en 5ème (en France, c'est la 1ère).

Bonjour, cela fait beaucoup de questions indépendantes, essayons de les prendre une par une :

* Dans les liaisons métalliques, ce sont les électrons libres qui permettent de tenir les atomes entre eux. Mais les électrons, ils se repoussent. Alors, pourquoi malgré cela, les atomes tiennent ensemble ?

Considérons un cristal métallique, il est composé d'une structure géométrique d'atomes ionisés positifs, entre lesquels se trouve des électrons négatifs. ce sont les attractions des noyaux pour les électrons et l'action inverse qui maintient la structure.

* Comment se fait-il que des aimants permanents aient une force magnétique ? Que se passe-t-il au niveau atomique ? je sais pourquoi pour les électro-aimants, mais pour les permanents, non.

Puisque vous comprenez les électro aimants, les aimants permanents ne sont pas si différents : les électrons se comportent comme des boucles de courants : il ont un moment magnétique. Le couplage des moments magnétiques donne à l'aimant une aimantation globale.

* Que se passe-t-il au niveau atomique, pour les supraconducteurs ? Pourquoi doit-on les refroidir ?

La supraconductivité provient du groupement des électrons par paires, les paires ont alors un comportement de bosons équivalents.
Le niveau d'énergie de liaison des paires est très bas, une agitation thermique basse suffit à rompre les liaisons. Il faut donc une température très basse pour que l'effet apparaisse dans certains corps pur et alliages.

[invite4060f51d]

Merci phys4.

mais pour les liaisons métallique (c'est pourtant le plus simple ), un électron est lié avec plusieurs atomes ? Et la force d'attraction entre les atomes et plus forte que la force de répulsion des électrons entre-eux ?

[invitef73a730a]

Merci phys4.

mais pour les liaisons métallique (c'est pourtant le plus simple ), un électron est lié avec plusieurs atomes ? Et la force d'attraction entre les atomes et plus forte que la force de répulsion des électrons entre-eux ?

Bonjour,
Je pense que tu as la bonne façon de raisonner et que tu te poses les bonnes questions.
Le réflexe, évidement c'est essayer de comprendre les choses par les interactions électromagnétiques entre noyau et électron, et c'est d'ailleurs bien ce qui se passe. En revanche, on ne peut pas comprendre ces phénomènes (en réalité, aucun des trois phénomènes que tu cites) en raisonnant seulement dans le cadre de la physique classique : ils ne s'expliquent que dans le cadre de la physique quantique. Je ne suis pas un spécialiste des électrons dans la métaux, et je pense que d'autres pourront t'expliquer mieux que moi, mais grosso modo, en mécanique quantique les choses se présentent ainsi : les noyaux forment un réseaux cristallins et les électrons subissent les interactions des noyaux ainsi que les interactions entre eux, tout comme en électrodynamique classique. En revanche, ce qui change, c'est que leur dynamique n'est plus fixé par les équations de Newton et de Lorentz mais par l'équation de Schrödinger.

Grosso modo, ce qui se passe est qu'une partie des électrons est liée à chaque noyau et d'autres se comportent presque comme s'ils étaient libres : ils sont alors délocalisés, comme si, en quelque sorte, ils étaient mis en commun pour tout les noyaux. En quoi ce fait a pour conséquence la cohésion des métaux est quelque chose qui est absolument impossible à décrire avec des images : il faut vraiment rentrer dans le formalisme de la mécanique quantique pour voir comment cela marche. Sans rentrer dans les détails techniques, je peux juste te dire que lorsqu'on résout l'équation de Schrödinger, on s’aperçoit que cet état de cohésion est moins énergétique que l'état dans lequel tout les atomes métalliques seraient séparés. Et comme tout système physique tend à se stabiliser autour de son énergie la plus basse.... (en mécanique quantique, on parle beaucoup plus en terme d'énergie qu'en terme de force, cette dernière notion perdant presque d'ailleurs toute signification).

A noter qu'un mécanisme assez similaire de mise en commun d'électrons est aussi responsable de la liaison covalente en chimie.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Je tente une explication "avec les mains".
Un cristal métallique tient ensemble (et pour des raisons bien différentes) comme une poignée de sable mouillée tient ensemble.
Quand vous mettez en contact deux grains de sable mouillée, la couche d'eau qui entoure chaque grain (le dernier électron dans le cas d'un atome), se repartit sur les deux grains. La surface totale de l'eau diminue et l'énergie due à la tension superficielle diminue aussi. Pour séparer les deux grains il faudra fournir de l'énergie. C'est pour cela qu'il restent collés. Dans le cas des atomes c'est la même chose, mais pas à cause de la tension superficielle mais parce que l'augmentation des dimensions de l'ensemble crée des nouveaux niveaux d'énergie plus faibles pour les électrons.
Si au lieu de deux grains vous mettez ensemble des milliers, toute l'eau qui entoure les grains deviendra commune et pourra voyager à travers la poignée de sable. Pour les atomes, le nombre de niveaux d'énergie supplémentaires deviendra énorme, et (presque) tous les électrons (externes) seront partagés par tous les atomes. Ce ne seront plus des électrons liés à un atome mais voyageront (presque) librement dans tout le cristal.

Vous trouverez la même explication un peu moins grossière dans les premières pages de ce fascicule:
http://forums.futura-sciences.com/at...ducteurs-a.pdf

Remarquez que ce que j'ai dit est en accord avec les explications de Phys4 et Aristark. Leurs explications sont plus correctes mais (et parce que) moins "mécanicistes".
Au revoir.

[invite4060f51d]

Ok. J'ai encore quelque question, si sa ne vous dérange pas. Je vous remercie pour vos premières réponses.

Donc quand les atomes s'unissent, leur énergie baisse. Et l'énergie "perdue", elle sert à à tenir les atomes entre eux, ou alors elle "part" dans le milieu qui l'entoure ?

Et aussi, comme le système tend à perdre de l'énergie, et que en s'unissant, ils perdent de l'énergie, pourquoi quand on place 2 plaques de fer l'une sur l'autre, elles ne s'unissent pas ? C'est la répulsion entre les atomes des 2 plaques, mais pourquoi ne le font-ils pas si c'est à leur "avantage" ?


Merci.

[doul11]

Bonsoir,

pourquoi quand on place 2 plaques de fer l'une sur l'autre, elles ne s'unissent pas ?

Parce que :

- les surfaces ne sont pas plates, et c'est pas rien, c'est plutôt des montagnes que de la plaine, tant au niveau microscopique que macroscopique
- le métal n'est jamais pur
- surtout les surfaces sont recouvertes de rouilles, de poussières, de gras et je ne sais quoi d'autre

Donc ça colle pas ! pour y arriver il faut fondre le métal.

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Doul11 a parfaitement répondu.
J'ajouterai que le temps qu'une surface propre (résultat d'un clivage, par exemple) met pour se recouvrir d'une couche de saleté est de l'ordre de la nanoseconde à la pression ambiante.

Sans fondre le métal on peut arriver à recoller deux morceaux en les soumettant à des pressions telles que les surfaces se déforment en laissant apparaitre des zones neuves et propres sur les surfaces.

L'énergie cédée quand des atomes s'accolent part en chaleur.
Au revoir.

[invite4060f51d]

Merci pour vos réponses.

Au revoir.

[yohann2008]

Au revoir.