Soyez un aimant, juste pour un jour!

Les enfants ont toujours un plaisir évident à jouer avec des aimants. La manière avec laquelle le pouvoir invisible du magnétisme les attire ou les repousse a quelque chose de mystérieux. Il y a là une force inédite qui semble venue de nulle part. Les aimants ont aussi leur utilité pour retenir des papiers contre une paroi de fer, et c’est facile de les séparer ensuite, comme contre les portes d’armoire ou entre les wagons successifs d’un train jouet, pour ne pas mentionner les appareils électroniques.

Qu’est-ce que les élèves peuvent apprendre en jouant avec des aimants ? Quelles idées peuvent-ils se former sur la nature des aimants, sur leur structure interne et la notion de pôle magnétique ?

Au premier abord les règles du comportement magnétique sont simples : les pôles opposés (nord ou sud) s’attirent, et des pôles identiques se repoussent. Mais il ne faudrait pas croire qu’on peut séparer les pôles nord et sud d’un aimant en les cassant en deux. En réalité, si on casse une barre d’aimant en deux, on crée deux nouveaux aimants, ayant chacun leur propres pôles nord et sud, et nous allons le montrer en faisant l’expérience.

Bien sûr, la présentation des barres d’aimants, où on imprime N pour nord et S pour sud à chaque extrémité, encourage la croyance  que les pôles sont localisés à chaque bout de la barre. Et les maîtres ont souvent de la peine à expliquer pourquoi ce n’est pas le cas. Il existe certes des simulations et des vidéos pour l’expliquer, et on peut les consulter dans les références en fin d’article. Mais de notre part, nous croyons que la meilleure manière d’expliquer ce phénomène est d’engager les élèves dans une activité qui décrit la structure interne des aimants.

Nous avons effectué cette activité avec des enfants âgés de 10 à 12 ans, mais on peut la faire avec des plus jeunes. L’activité et la discussion qui suit prend moins d’une heure.

Pour commencer, nous montrons l’aspect d’un matériau non aimanté, puis nous l’aimantons. Cela nous fait discuter de la structure interne de l’aimant. Et enfin nous brisons l’aimant en deux pour voir ce qui s’est passé.
 

Matériaux

• Au moins 10 élèves
• Un gilet bleu et rouge par élève

Les gilets sont des doubles panneaux, un rouge devant, et un bleu dans le dos. On peut les fabriquer en utilisant de grands carrés de tissu rouge et bleu (30 cm x 30 cm) et en les reliant par des sortes de bretelles sur les épaules. On peut aussi épingler des carrés de papier bleu et rouge sur les chemises des élèves.

Mode opératoire

Chaque enfant représente une partie d’aimant, comme un dipôle magnétique. Ce dipôle ne peut pas être coupé en deux, comme une personne qui ne peut pas être coupée en deux.

1ère activité. Avant la magnétisation

Chaque élève s’équipe d’un gilet, en s’assurant que la face rouge est vers l’avant et la bleue vers l’arrière.

Au début de l’activité, les élèves s’alignent sur deux ou trois rangées parallèles, mais sans chercher à s’aligner sur leurs voisins. Voir figure 2. A l’oeil, aucune couleur domine dans une direction donnée.

Dans cette situation, la classe représente un matériau non aimanté, comme un morceau de fer loin d’un aimant. Les dipôles magnétiques sont disposés au hazard, et le matériau n’est pas un aimant.

2ème activité. Magnétiser le matériau

Quand nous appliquons un champ magnétique, les dipôles magnétiques sont forcés de s’orienter dans la même direction. Même s’ils restent dans leur rangée (qui représente la forme du barreau aimanté), les élèves sont contraints par une force extérieure, la voix du maître, de se tourner dans la même direction.

Maintenant, si les élèves regardent en avant, ils ne voient que le bleu de leurs vestes, et le rouge en regardant vers l’arrière. Voir la figure 3. Dites aux élèves de ne tourner que leur tête, et pas leur corps, sinon l’effet disparaît.

L’ensemble des élèves représente un matériau aimanté, ou une barre d’aimant, avec deux pôles, un bleu et un rouge, et ces couleurs peuvent être vues depuis chaque extrémité  de la rangée. La structure interne est ainsi mieux visualisée que dans un aimant, où elle est invisible.

3ème activité. Casser un aimant en deux

A la fin, nous allons briser l’aimant en deux. Il suffit pour cela de couper chaque rangée au milieu. Par exemple, s’il y a deux rangées de huit élèves, on peut faire avancer d’un pas les quatre premiers de chaque rangée, en les maintenant en contact entre eux. On obtient deux demi-groupes séparés d’élèves.

Les élèves peuvent alors voir ce qui arrive en brisant un aimant. La structure interne est la même, mais la taille de l’aimant change. On ne sépare pas les pôles. On a juste obtenu deux aimants plus petits.

La manière de briser l’aimant n’est pas importante. On peut casser un aimant en longueur ou en largeur. Les élèves peuvent le vérifier eux-mêmes, en séparant deux rangées parallèles par exemple, plutôt qu’en les coupant par le milieu.

Enregistrer l’activité

Il vaut la peine de photographier le groupe pendant l’activité, puis de conserver les meilleures images des enfants dans différentes situations. Cela peut servir dans une autre leçon, au moment de discuter de l’aimantation.

Remerciements

Cette activité a été initiée par Science on Stage Slovaquie^w1, et développée pendant un camp d’été de l’Université Sans Frontières, fait pour les enfants de 10 à 12 ans à l’Université Pavol Josef Safarik de Košice, Slovaquie, en juillet 2015. Cette activité a été reprise dans le centre scientifique Steel Park de Košice.