Dans l’une des énigmes, il fallait laisser flotter une petite plaque d’un certain matériau sur une voie ferrée pour qu’elle atteigne un capteur. Cela n’a fonctionné que pour une seule des plaques, à savoir celle en graphite. Certains ont peut-être déjà deviné que des aimants étaient à l’œuvre, ce qui est certainement le cas, puisque les rails sont magnétiques. Cependant, le simple magnétisme ne suffit pas. S’il est facile de faire en sorte qu’un aimant en repousse un autre, même en surmontant la gravité, cela ne se traduit pas nécessairement par une flottaison. La stabilité est une condition supplémentaire. Si vous en avez l’occasion, essayez de faire léviter un aimant sur un autre. Vous constaterez rapidement que c’est très difficile. Il est non seulement extrêmement difficile pour des aimants normaux de produire un flottement stable, mais il peut être prouvé que c’est impossible ! Il faut donc faire appel à un autre concept physique, le diamagnétisme. Il s’agit d’une propriété que tous les objets possèdent dans une certaine mesure. Il résulte de l’application d’un champ magnétique sur le matériau et de l’une des équations de Maxwell qui décrivent l’électromagnétisme. Elle stipule qu’en réaction à un champ magnétique, un courant est généré, qui s’oppose au champ. Comme chaque matériau est en partie composé d’électrons, il produit quelque chose de similaire. Ce courant entraîne la création d’un champ magnétique qui s’oppose au champ initial. Comme il s’oppose à un champ externe dans n’importe quelle direction, ce processus conduit à une lévitation stable. Cependant, tous les matériaux ne présentent pas cet effet dans la même mesure. Pour de nombreux matériaux, comme le fer, d’autres effets prédominent, comme le ferromagnétisme. L’ampleur du diamagnétisme dépend de la composition exacte. Bien que les mécanismes exacts soient compliqués, les structures circulaires sont généralement avantageuses, car elles permettent un passage plus facile du courant. Si l’on observe la structure moléculaire du graphite, on constate que sa structure cristalline est très circulaire, ce qui explique que l’effet diamagnétique soit particulièrement fort dans cette plaque.
Concrètement, cela modifie le champ magnétique de manière à construire une sorte de bulle stable autour de la plaque. Pour cela, il faut d’abord comprendre à quoi ressemblent les champs magnétiques en temps normal. Un seul aimant dans la piste génère un champ magnétique standard, qui ressemble au schéma ci-dessous. Bien qu’il soit difficile de déterminer la force directement à partir du champ magnétique et de la force subie par un autre aimant, en général, plus les lignes sont denses, plus la force est forte. Plus précisément, c’est le gradient qui détermine l’intensité de l’attraction.
Dans la voie réelle, plusieurs de ces aimants sont réunis, en alternant le côté de l’aimant qui pointe vers le haut pour assurer la stabilité de la voie.
À des fins d’illustration uniquement, nous supposons maintenant que le champ magnétique dans lequel la plaque flotte est homogène. Non seulement ce n’est manifestement pas le cas si l’on regarde l’image de la piste ci-dessus, mais la plaque ne flotterait même pas dans une boucle parfaitement homogène. Puisque, comme nous l’avons expliqué précédemment, la force dépend du gradient du champ magnétique, il faut un gradient constant pour contrecarrer la gravité et donc flotter. Ce gradient n’est donné qu’à une certaine hauteur, c’est pourquoi il vole toujours à la même hauteur. C’est aussi pour cette raison qu’il préfère certaines positions, car il doit surmonter de légères bosses. Néanmoins, ces lignes de champ complexes sont trop compliquées à dessiner, c’est pourquoi nous utilisons un champ homogène pour décrire comment le diamant affecte le champ magnétique. Le croquis du haut correspond à une situation où une pièce de monnaie ou un autre diamant non magnétique est utilisé.
Dans le cas d’un diamant, les lignes de champ sont légèrement courbées autour du diamant, comme le montre l’image du bas, ce qui crée une poche stable, où la plaque peut flotter de manière stable. Bien sûr, tout ceci n’est qu’une simplification, car les effets de bord ont été ignorés et, comme indiqué précédemment, le champ réel n’est pas homogène. Il est très difficile de comprendre ce concept en profondeur, car il nécessite une grande quantité de connaissances sur le magnétisme en général. Les ressources suivantes peuvent être utiles à la compréhension de ce concept :
Magnetism and electromagnetism | AP®︎/College Physics 2 | Khan Academy