Comment fonctionne le magnétisme ?

[Deedee81]

Salut,

De ce fait comment l'électron n'aurait-il pas un pôle Nord et un pôle Sud ?

Parce que c'est n'est pas une petite sphère (sur laquelle on pourrait localiser ces poles).
Il est ponctuel (particule élémentaire, sans structure interne et aussi loin qu'on l'a sondé avec les grands accélérateurs de particules on n'a pas trouvé de "taille" au proton, autre que son rayon électromagnétique).
(sans compter sa nature ondulatoire mais ça n'intervient pas dans ces remarques)
Son spin n'est pas vraiment une rotation classique, l'image de la toupie est ce qui s'en approche le mieux classiquement, mais ça reste grossier (par exemple l'orientation de l'axe d'une toupie est bien déterminé mais pour un électron c'est toujours au-dessus ou au-dessous, spin 1/2 ou -1/2, ou une superposition quantique des deux, et ce quelle que soit la direction considérée : verticale, oblique, horizontale,... !!!!!!! Il n'y a rien de classique qui s'approche même un peu de ce genre de comportement).

AlephKobol a raison sur la complexité du magnétisme. Par exemple, il est absolument impossible d'expliquer le ferromagnétisme sans la mécanique quantique. Si les atomes de fer étaient juste de "bêtes" petits aimants ils devraient (sous la température de Curie) s'aligner tête bêche (comme lorsqu'on colle deux aimants latéralement) et l'aimantation totale serait nulle. Quant au diamagnétisme il n'est pas dû au spins mais aux déformations des orbitales sous un champ magnétique.
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[Deedee81]

Salut,

Peut on résumer, le magnétisme ne déforme pas l'espace temps alors que la gravitation le déforme ...?

Il y a forcément un peu d'énergie associée à ce magnétisme, et cette énergie intervient dans la déformation de l'espace-temps.
Mais, bon, ce n'est pas direct (ce n'est pas le magnétisme en soi qui intervient, seulement l'énergie) et en plus l'effet est faible (sauf peut-être pour un monstre comme un Magnétar)

[andretou]

Pourtant l'électron produit un champ magnétique de même nature que celui de l'aimant, n'est-ce pas ? De ce fait comment l'électron n'aurait-il pas un pôle Nord et un pôle Sud ?

Parce que c'est n'est pas une petite sphère (sur laquelle on pourrait localiser ces poles).
Il est ponctuel (particule élémentaire, sans structure interne et aussi loin qu'on l'a sondé avec les grands accélérateurs de particules on n'a pas trouvé de "taille" à l'électron, autre que son rayon électromagnétique).

Ok !
Mais est-il néanmoins possible de représenter les lignes du champ magnétique produit par l'électron ? Est-ce que comme dans le cas de la Terre ces lignes décrivent des boucles qui partent et reviennent au même point ?
Si non, comment doit-on représenter les lignes du champ magnétique de l'électron ?

[viiksu]

Pardon de tomber comme un cheveu sur la soupe mais une question me vient: comment deux aimants permanents peuvent-ils exercer une force l'un sur l'autre de façon éternelle sans dépenser d'énergie? Si j'appuie sur une table j'exerce une force mais je dépense de l'énergie dans mes muscles.

[Deedee81]

Salut,

Mais est-il néanmoins possible de représenter les lignes du champ magnétique produit par l'électron ? Est-ce que comme dans le cas de la Terre ces lignes décrivent des boucles qui partent et reviennent au même point ?
Si non, comment doit-on représenter les lignes du champ magnétique de l'électron ?

On peut les représenter comme tel (au moins dans l'approximation classique du champ magnétique, ce qui est souvent suffisant). Avec le petit grain de sel de la MQ en cas de superposition quantique et tant qu'on n'a pas "mesuré" la direction du spin. Dans le cas où il y a superposition, franchement, j'ignore quelle tête peut avoir le champ magnétique ni même si la question a un sens (un exemple simple : un électron avec superposition moitié - moitié up et down, dans ce cas le champ magnétique aussi doit être dans un état de superposition quantique..... jusqu'à ce qu'on le mesure !!!! Drôle de truc).

Attention, avec la Terre elle ne partent pas d'un point mais d'une étendue assez large autour du pôle ou, si on va sous Terre, d'une large zone du pôle du noyau métallique. Mais avec l'électron, oui là c'est un point.

[Deedee81]

Salut,

Pardon de tomber comme un cheveu sur la soupe mais une question me vient: comment deux aimants permanents peuvent-ils exercer une force l'un sur l'autre de façon éternelle sans dépenser d'énergie? Si j'appuie sur une table j'exerce une force mais je dépense de l'énergie dans mes muscles.

Une force immobile ne dépense aucun travail (énergie). Le travail fourni ou récupéré c'est F*d avec d le déplacement du point d(application) (attention produit scalaire de vecteurs).

Quand tu pousses sur la Table (ou quand tu restes immobile avec un gros sac de patates) tu dépenses de l'énergie car tes muscles et ton squelette ne sont pas un système mécanique parfait. Pour maintenir la contraction musculaire il faut une dépense chimique qui au final (ici) se dissipe totalement en chaleur (sauf si une partie sert à déplacer le point d'application de la force). Note que, malgré, tout, si tu ne fais pas un truc "inutile" et vu l'énorme souplesse et versatilité de notre système musculo-squelettique, on peut dire qu'il est extrêmement efficace. Pour la marche, par exemple, on dépense à peine plus que ce qui est nécessaire.

[andretou]

Pardon de tomber comme un cheveu sur la soupe mais une question me vient: comment deux aimants permanents peuvent-ils exercer une force l'un sur l'autre de façon éternelle sans dépenser d'énergie? Si j'appuie sur une table j'exerce une force mais je dépense de l'énergie dans mes muscles.

Bonne question. Il en va de même avec la force gravitationnelle : 2 corps célestes s'attirent mutuellement indéfiniment (sans dépense d'énergie à condition qu'ils soient en résonance l'un avec l'autre, les effets de marée ayant alors disparu, ce qui n'est pas encore le cas pour le système Terre-Lune)...

[andretou]

Ou encore de la force électrique qui attire l'électron vers le noyau indéfiniment...

[Deedee81]

C'est la même réponse que ci-dessus : la force ne travaille pas.

Notons que dans le cas d'orbites ellipsoïdales, la force travaille : elle n'est pas perpendiculaire (en tout point) à la trajectoire. Cela se traduit par une variation de la vitesse. Mais l'effet est périodique avec un transfert sans perte entre énergie cinétique et potentielle, dans un sens puis dans l'autre.

[andretou]

C'est la même réponse que ci-dessus : la force ne travaille pas.

Je ne comprends pas. Le mouvement des planètes autour de l'étoile (ou des électrons autour du noyau) n'est-il pas du à une force qui travaille ? Si la force ne travaille pas comment peut-il y avoir de mouvement ?

[Deedee81]

Je ne comprends pas. Le mouvement des planètes autour de l'étoile (ou des électrons autour du noyau) n'est-il pas du à une force qui travaille ? Si la force ne travaille pas comment peut-il y avoir de mouvement ?

Première loi de NEwton :
« Tout corps persévère dans l'état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n'agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d'état. »

Et il ne parle pas d'énergie là.
Le mouvement persiste même sans travail, même sans force.

Ici, la force est radiale et ne travaille pas. Mais elle modifie l'état du mouvement : la direction change constamment (ça tourne ). Mais l'énergie cinétique (qui ne dépend que de la grandeur de la vitesse, pas de sa direction), ne change pas.

[andretou]

Première loi de NEwton :
« Tout corps persévère dans l'état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n'agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d'état. »

Et il ne parle pas d'énergie là.
Le mouvement persiste même sans travail, même sans force.

Ici, la force est radiale et ne travaille pas. Mais elle modifie l'état du mouvement : la direction change constamment (ça tourne ). Mais l'énergie cinétique (qui ne dépend que de la grandeur de la vitesse, pas de sa direction), ne change pas.

Merci pour ce rappel salutaire !

[pm42]

Le mouvement des planètes autour de l'étoile (ou des électrons autour du noyau) n'est-il pas du à une force qui travaille ?

Les électrons ne sont pas en mouvement autour du noyau. C'est le modèle de Rutherford qui a été invalidé dès le début du XXème siècle.
On ne peut appliquer notre vision macroscopique comme celle des planètes au monde des particules. Par ex, les électrons ont une probabilité non nulle d'être dans le noyau.

[andretou]

Par ex, les électrons ont une probabilité non nulle d'être dans le noyau.

As-tu éventuellement un lien à ce sujet ? Je croyais que la probabilité de présence de l'électron concernait uniquement sa présence sur son niveau d'énergie...

[pm42]

http://physicspages.com/pdf/Griffith...ms%2004.45.pdf

Tu as pas mal de choses en anglais, j'ai plus de mal à trouver en français. Après le concept de "dans le noyau" est lui même imprécis. C'est pour cela qu'il faut éviter de supposer que les descriptions vulgarisées avec des mots de tout les jours sont précises : elles sont juste là pour donner des idées.

[andretou]

http://physicspages.com/pdf/Griffith...ms%2004.45.pdf

Tu as pas mal de choses en anglais, j'ai plus de mal à trouver en français. Après le concept de "dans le noyau" est lui même imprécis. C'est pour cela qu'il faut éviter de supposer que les descriptions vulgarisées avec des mots de tout les jours sont précises : elles sont juste là pour donner des idées.

Merci pour ce lien. Apparemment le calcul présenté concerne la probabilité de présence de l'électron dans le proton lui-même (puisqu'il s'agit du noyau de l'atome d'hydrogène).
Mais comment doit-on interpréter ce calcul ?
S'agit-il de la probabilité que survienne le phénomène de capture électronique par lequel le proton se change en neutron par absorption d'un électron ?
Ou s'agit-il de la probabilité d'une simple "visite" amicale de l'électron qui ressort l'instant d'après sans rien avoir chamboulé dans le proton ?

[Deedee81]

Un dessin vaut parfois plus qu'un long texte Andretou, regarde les images ici : https://complexe.jimdo.com/pour-alle...C3%A9culaires/
Ce sont les images des orbitales électroniques. Ca ressemble à tout sauf des cercles. Et il serait faux de dire "l'électron est quelque part là dedans mais on ne sait pas où", la dispersion est "réelle". Mais si on essaie de savoir où est vraiment l'électron avec une onde EM de longueur d'onde assez courte (ici typiquement des rayons gamma), on va le trouver à un endroit précis (et éjecter violemment l'électron !). Bizarrerie de la MQ.

[mach3]

La puissance est le produit scalaire de la force par la vitesse. Si vitesse et force sont orthogonale, ou si la vitesse est nulle, pas de puissance transférée, donc, intégré sur une durée, pas de travail. Un sac à patate posé sur une table ne travaille pas.

m@ch3

PS : je n'avais pas vu qu'il y avait une nouvelle page...

[Deedee81]

Salut,

On s'était croisé, j'avais pas vu.

Merci pour ce lien. Apparemment le calcul présenté concerne la probabilité de présence de l'électron dans le proton lui-même (puisqu'il s'agit du noyau de l'atome d'hydrogène).
Mais comment doit-on interpréter ce calcul ?
S'agit-il de la probabilité que survienne le phénomène de capture électronique par lequel le proton se change en neutron par absorption d'un électron ?
Ou s'agit-il de la probabilité d'une simple "visite" amicale de l'électron qui ressort l'instant d'après sans rien avoir chamboulé dans le proton ?

J'aurais tendance à dire "visite amicale", sinon il y aurait un problème (l'hydrogène ne serait pas très stable).
Mais j'ai quelques doutes sur un tel calcul ou sur son interprétation. En effet, le calcul est fait à partir des orbitales électroniques "orthodoxes", calculées comme si le noyau/proton était ponctuel.
Or il ne l'est pas !!! La taille finie du proton doit forcément influencer ces orbitales (*) avec un calcul là infiniment plus compliqué et je ne serais pas surpris que l'électron ne pénètre quasiment pas dans le noyau (du moins aux énergies où se trouve un électron lié à l'atome, avec des électrons très énergétiques, on peut sonder les noyaux, c'est même très pratique comme sonde).

(*) C'est même une méthode de calcul de la taille du proton : on mesure les écarts entre les niveaux d'énergie calculé et observés.
Et c'est comme ça qu'on est tombé sur l'anomalie avec le muon (la taille obtenue est différente) ce qui traduit :
- soit une erreur expérimentale (ou dans la prise en compte des effets physiques) qui échappe encore aux physiciens
- soit une interaction muon - quarks un peu différente de ce qu'on croit, ce qui pourrait être une porte ouverte vers une nouvelle physique
Affaire à suivre, de près (au moins aussi près que la taille d'un proton )

[pm42]

et je ne serais pas surpris que l'électron ne pénètre quasiment pas dans le noyau

Vu que là, on est à 10^-14, c'est déjà le cas non ?

[andretou]

J'aurais tendance à dire "visite amicale", sinon il y aurait un problème (l'hydrogène ne serait pas très stable).

Si je comprends bien, lorsqu'un électron se retrouve dans un proton, cela produit tantôt un neutron, tantôt rien du tout...
Cette variabilité peut-elle être liée à certains facteurs comme l'énergie cinétique de l'électron, un angle d'incidence plus ou moins favorable, ou autre... ? Doit-on rechercher une explication ou est-ce une nouvelle illustration de l'indéterminisme quantique ?

[Deedee81]

Vu que là, on est à 10^-14, c'est déjà le cas non ?

Ah oui, en effet, mais je voulais dire "encore moins" . Mais ce n'est qu'une intuition.

Si je comprends bien, lorsqu'un électron se retrouve dans un proton, cela produit tantôt un neutron, tantôt rien du tout...
Cette variabilité peut-elle être liée à certains facteurs comme l'énergie cinétique de l'électron, un angle d'incidence plus ou moins favorable, ou autre... ? Doit-on rechercher une explication ou est-ce une nouvelle illustration de l'indéterminisme quantique ?

Je révise ce que j'ai dit. Il est possible qu'il passe bien même rarement "par le proton". Pour que la transformation ait lieu il faut qu'il y ait un gain énergétique. C'est rarement le cas.

En effet, le neutron est plus lourd que le proton. La différence n'est pas négligeable et nettement plus grande que la masse de l'électron. Il faut pas mal d'énergie. De l'ordre de 0.2 Mev. C'est beaucoup plus que l'énergie des électrons liés dans un atome. La transformation ne peut donc tout simplement pas se produire.

Toutefois, l'énergie peut être fournie par le noyau (énergie nucléaire, là c'est plus élevé), si la réorganisation du noyau en passant du proton au neutron fournit suffisamment d'énergie. Il peut alors y avoir transmutation nucléaire par capture électronique. Ce n'est certainement pas le plus fréquent (ce qu'on comprend facilement en voyant la probabilité de l'ordre de 10^-14, merci pm42, j'aurais dû faire plus attention). Généralement dans ces cas là on a plutôt une radioactivité beta plus, qui n'est pas si rare.

Je reste persuadé que lorsqu'il n'y a pas capture de l'électron par le proton, l'électron ne pénètre pas ou presque pas dans le proton, il l'évite (voir ma remarque plus haut sur la modification des orbitales). Mais au moins ce point reste à confirmer (tenir compte des interactions avec le proton de taille finie, c'est des calculs vachement pointus).

[andretou]

Pour en revenir à l'électron, il est donc établi qu'il produit autour de lui un champ magnétique du fait de son spin.
Mais comment représenter ce champ magnétique ? Existe-t-il une autre solution qu'un dessin de ce type, c'est-à-dire avec des boucles concentriques ? Laquelle ?

[Deedee81]

Salut,

Dans le cas quantique, je ne suis pas sûr qu'on puisse le visualiser de manière plus claire. C'est la "malédiction" quantique où le côté parfois quelque peu "exotique" (c'est-à-dire "pas classique") empêche de donner des images intuitives.

[andretou]

Salut,

Dans le cas quantique, je ne suis pas sûr qu'on puisse le visualiser de manière plus claire. C'est la "malédiction" quantique où le côté parfois quelque peu "exotique" (c'est-à-dire "pas classique") empêche de donner des images intuitives.

Mais selon cette représentation, on est amené à constater l'existence d'un pôle Nord et d'un pôle Sud. Or, l'électron étant une particule élémentaire, il n'a donc pas de structure interne, donc il ne peut pas avoir de pôle Nord ni de pôle Sud...
Existe-t-il un moyen de résoudre ce paradoxe ?

[mach3]

C'est en fait une chimère. Ce serait le champ magnétique d'un électron :
1) localisé
2) immobile
3) avec une direction de spin déterminée.

On ne peut avoir ces trois trucs là en même temps.

m@ch3

[Deedee81]

Salut,

Existe-t-il un moyen de résoudre ce paradoxe ?

Oui, en évitant les images (forcément simplistes)

D'une part on a forcément une superposition quantique. Imagine ce dessin, mais représenté une infinité de fois, avec toutes les orientations possibles (de l'axe nord-sud). Et l'état réel est une superposition quantique de tout ça.
(chapeau si t'arrives à dessiner ça )
Comme le dit mach3, un seul dessin est un cas TRES idéalisé (et trompeur car on ne peut avoir les trois points qu'il soulève en même temps).

Et même comme ça c'est encore une approximation car à cette échelle, il faudrait plutôt utiliser les photons (virtuels ici) et là c'est des diagrammes de Feynman et aussi des superpositions quantiques encore plus infernales (à ce stade on dessine les diagrammes de base et les superpositions sont données par des intégrales).

Désolé si on ne peut pas dessiner toute la physique (ce serait trop beau).

[Deedee81]

ARG j'ai dit une bêtise.

un seul dessin est un cas TRES idéalisé

Non, c'est faux. Même avec un spin bien déterminé, la probabilité d'observer un spin oblique (et le champ magnétique qui va avec) n'est pas nulle. Donc on a toujours une superposition quantique. On n'y échappe pas. Le spin est quelque chose de profondément non classique (et donc le champ magnétique associé itou).

[andretou]

Peut-on néanmoins affirmer que 2 électrons de spins opposés se repoussent moins fortement que 2 électrons de même spin (la répulsion électrique étant en partie compensée par l'attraction magnétique) ?

[Deedee81]

Salut,

Peut-on néanmoins affirmer que 2 électrons de spins opposés se repoussent moins fortement que 2 électrons de même spin (la répulsion électrique étant en partie compensée par l'attraction magnétique) ?

Oui. Bien que j'ai plutôt vu ça avec le magnétisme des matériaux : électrons mis côtes à côtes plutôt que bout à bout (celui qui me fait remarquer que pour des objets sphériques ça revient au même à une baffe ici je parle d'un spin dans le sens vertical, et d'électrons placés dans le plan horizontal, par exemple). Dans ce cas on a une répulsion (même sens) ou une attraction (sens opposés). Mais ce n'est généralement pas l'effet dominant, dans ce domaine la mécanique quantique est incontournable et l'interaction d'échange est responsable des effets ferromagnétiques (totalement non classique : les spins s'alignent spontanément) et même antiferromagnétique (là ils ont têtes bêches mais c'est à nouveau dû à l'interaction d'échange plus qu'aux moments magnétiques). Mais on ne peut négliger cette interaction magnétique, y a toujours un terme pour l'interaction des les dipôles dans les équations.