Catégorie : petites échelles

Un prix Nobel Français dans notre ordinateur !

Posted on by Cédric Lémery

Le Français Albert Fert et l’Allemand Peter Grünberg ont reçu le prix Nobel de physique 2007 pour leurs travaux sur la magnéto-résistance géante (GMR). Ces travaux datent de 1988 et leurs résultats sont utilisés dans les têtes de lecture des disques durs depuis 1997. Pour comprendre le lien entre la GMR et les têtes de lecture de nos disque durs, voyons comment fonctionne l’enregistrement magnétique d’un signal sur bande (cassette audio ou vidéo) ou disque dur.

Le principe de l’enregistrement magnétique est basé sur la capacité de certains matériaux à s’aimanter lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique (les matériaux ferromagnétiques). Ce type d’enregistrement fut découvert en 1898 par l’ingénieur Danois Valdemar Poulsen en déplaçant un aimant sur une lame de Fer.

Qu’est-ce qu’un champ magnétique ?

Le champ magnétique modifie le mouvement des charges qui sont déjà en mouvement (tandis que le champ électrique met les charges en mouvement). Il est créé par des charges en mouvement : lorsqu’un courant circule dans une bobine, il crée un champ magnétique.

Comment on enregistre des informations avec un champ magnétique ?

Pour enregistrer des informations sur une bande magnétique ou un disque dur on fait passer un petit courant électrique dans une bobine au-dessus d’un matériau particulier (ferromagnétique) qui est capable de se « magnétiser » lorsqu’il est soumis à un champ magnétique. A l’issu de ce processus, le matériau est constitué d’une série de petits aimants dirigés dans un sens ou un autre, c’est comme si l’on plaçait côte à côte des petits aimants présentant leur face Nord ou leurs face Sud.

L’information est donc enregistrée dans la matière sous la forme d’une succession de pôle Nord et Sud : N N S N S S S N N, etc. Dans le cas des bande magnétique (vidéocassette ou cassette audio), les petits aimants sont déposés en fine couche sur un support souple, pour les disque durs, ils sont déposés sur un disque.

Pour lire le support, il faut maintenant « lire » cette série. Pour cela, on déplace un petit fil au-dessus des »micro-aimants » : ceux-ci vont induire un courant électrique dans le fil. Les variation du courant nous indiquera la série enregistrée sur le support.

Pour augmenter la capacité d’enregistrement du support, il est nécessaire de diminuer la région magnétisée (afin de mettre plus de N ou S sur une même surface) mais cela pose des problèmes de lecture car plus la région magnétisée est petite plus le champ magnétique est petit donc difficile à détecter. C’est là qu’interviennent les travaux de notre nouveau prix Nobel. Dans les disques durs modernes, les têtes de lectures sont constituées d’un matériau dont la résistance électrique dépend du champ magnétique (ce sont les têtes de lecture magnétorésistives) : on ne mesure plus le courant électrique induit par le champ magnétique mais la modification de résistance électrique. Les travaux d’Albert Frey et son équipe ont permis de découvrir que dans des minces couches de matériaux ferromagnétiques alternées avec des matériaux non magnétiques (une sorte de micro sandwich) l’effet de magnétorésistance était très important d’où le terme de magnétorésistance géante (GMR). Cela permet de détecter des champs beaucoup plus faibles et d’augmenter la capacité de nos disques durs.

Pour mesurer l’importance de toutes ces découvertes sur notre quotidien, rappelons-nous que le premier ordinateur muni d’une mémoire de masse sur bande magnétique (l’équivalent d’un disque dur) était l’Univac 110. C’était un ordinateur de 11.5 m de long et 6 m de large qui utilisait des disques magnétiques de 21.6 cm tournant à 3500 tour/min et stockant l’équivalent de 48 ko. A l’heure actuelle le moindre ordinateur est livré avec un disque dur d’une centaine de Go soit 2 millions de fois plus d’information !

Pour aller plus loin :

A propos du prix nobel, 2 questions digne du trivial pursuit :

  • Qui a gagné le prix Nobel de mathématique 1965 ?
  • Qu’a inventé Alfred Nobel ?

J’attends vos réponses en commentaire.

mention légale : »ce produit est en fait constitué à 99,9999999999 % d’espace vide »

Posted on by Cédric Lémery

Continuons avec les mentions légales…

Note d’équivalence des composants :
Les particules subatomiques (protons, électrons, etc.) qui composent ce produit sont exactement identiques à celles utilisées par d’autres fabricants, aucune revendication contraire ne peut être légitimement exprimée.

Ca n’est pas une nouvelle digne de faire la une du New York Times mais il est toujours bon de se rappeler que la matière est composée d’atomes qui sont eux-mêmes composés de particules. On dénombre 90 types d’atomes naturels (de l’hydrogène le plus léger à l’uranium le plus lourd, voir la classification périodique des éléments) constitués uniquement de 3 types de particules : les protons, les neutrons et les électrons (particules quasi ponctuelles de masse négligeable devant celle des protons et des neutrons). Protons et neutrons forment le noyau de l’atome (d’une dimension de 10^(-15) m soit 0,000000000000001 m) tandis que les électrons constituent le nuage électronique de l’atome (d’une dimension de 10^(-10) m soit 0,0000000001 m) qui va donner ses dimensions à l’atome. Le noyau est donc 100 000 fois plus petit que l’atome : si l’on veut faire une maquette d’un atome de 100 m de diamètre, le noyau occuperait (100/100 000=0,001) une bille de 1 mm au centre de la maquette ! L’atome est donc une drôle de chose difficile à se représenter consitutée d’un noyau très petit qui contient toute sa masse et d’électrons quasi ponctuels qui tournent autour sur une très grande distance par rapport au noyau. Sur le schéma ci-dessus, les taille relatives entre le noyau et l’atome ne sont pas respectée car sinon le noyau serait invisible : il mesurerait 0,55 micromètre.

Tous les atomes sont constitués des mêmes particules, c’est seulement le nombre ces particules qui vont faire la différence. Les électrons sont assez faciles à arracher et la branche des sciences de la matière qui s’intéresse aux échanges d’électrons entre atomes est la chimie. Il est par contre beaucoup plus difficile de modifier le noyau : c’est le domaine de la physique nucléaire. Ainsi, tout notre environnement dans sa diversité est généré par les interactions entre trois types de particules seulement !

Attention :
En dépît de la liste d’ingrédients entrant dans la composition de ce produit, le consommateur est prévenu que ce produit est en fait constitué à 99,9999999999 % d’espace vide.

Nous venons de voir qu’un atome contient beaucoup de vide puisque sa masse est concentrée dans une sphère 100 000 fois plus petite que son volume total. Considérons une bouteille contenant 1 litre d’eau. Sa masse est de 1 kg. Sa densité est donc de 1 kg/L. La densité du noyau d’un atome est de 2.10^17 kg/m³. Si l’on enlève tout l’espace vide dans cette bouteille d’eau, la densité de cette bouteille devient égale à celle du noyau et la bouteille n’occupe plus que 5.10^{-18} m³ soit 0,000000000005 mL : 5 millionième de milliardième de mL ! Un espace tellement petit qu’il nous est difficile de l’imaginer. Et ce raisonnement que nous avons fait pour une bouteille d’eau est valable pour n’importe quel objet de notre environnement : même nous ! On peut démontrer que si l’on enlève tout le vide des atomes qui nous constitue, l’ensemble de l’humanité tiendrait dans un dé à coudre…

Ok, tout cela est intéressant mais, il est impossible d’enlever le vide des atomes me direz-vous. Et pourtant : dans l’avant dernière phase de vie d’une étoile, la matière se condense au point d’atteindre la densité du noyau des atomes. On appelle ce type d’étoile des naines blanches. Ces objets existent réellement dans l’espace comme on peut le voir sur la photo ci-dessous où les naines blanches ont été entourées :
naines blanches

D’après vous quelle serait le rayon de la terre si on enlevait tout le vide entre les atomes ?

La découverte de la radioactivité

Posted on by Cédric Lémery

La présentation powerpoint ci-après est une introduction au cours sur la radioactivité pour les terminales S.

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introduction à la radioactivité

A la fin du XIXème siècle, les éléments chimiques sont considérés comme immuables. Les lois de conservations qui sous-tendent les réactions chimiques montrent que les espèces chimiques sont constitués d’éléments fondamentaux qui se combinent et se recombinent selon les conditions expérimentales. La remise en question de cette immuabilité viendra par la découverte de la radioactivité. En 1895, Röntgen découvre les rayons X (ce qui lui vaudra un prix nobel en 1901). L’annonce de cette découverte pousse Becquerel à rechercher l’émission de ces rayons par les composés phosphorescents. Ses expériences mirent à jour, en 1896, un nouveau rayonnement émis par l’uranium même en l’abscence de lumière. Ces rayons U bien que similaire aux rayons X de Röntgen n’étaient pas du même type et incitèrent de nombreux physiciens à en découvrir la nature. Parmi eux, Pierre et Marie Curie (livres sur Marie Curie) découvrent 2 nouveaux éléments radioactifs : le polonium (nom donné en hommage aux origines de Marie) et le radium. Ils découvrent également que les rayonnements radioactifs se déclinent en trois types de rayonnement : les rayonnements alpha, beta et gamma. A l’époque la structure de la matière n’est pas encore très claire et l’origine de la radioactivité n’ést pas connue. En 1897, Thomson découvre que l’on peut arracher de petites particules chargée négativement à la matière : c’est la découverte de l’électron. 6 ans plus tard, en 1903, Rutherford découvre que la transmutation de la matière est à l’origine de la radioactivité. En bombardant des feuilles d’or à l’aide d’un rayonnement alpha, il découvre en 1908, que la masse de l’atome est portée par un noyau, bien plus petit que l’atome et chargé positivement. Il propose le modèle planétaire de l’atome dans lequel les électrons « orbitent » autour du noyau. Bien que permettant d’expliquer les résultats de son expérience de « bombarbement » d’atomes d’or par un rayonnement alpha, ce modèle d’atome n’est pas satisfaisant car instable : l’électron finirait par s’effondrer sur le noyau en quelques fractions de seconde… Il faut attendre 1913 pour que Niels Bhor rafine ce modèle en proposant une quantification des orbites électroniques. C’est le modèle de l’atome tel qu’il est enseigné dans le secondaire. Les raisons de cette quantification sont à rechercher du côté des modèles de la mécanique quantique, mais cela est une autre histoire…