CHAMP MAGNÉTIQUE: INTENSITÉ, CARACTÉRISTIQUES, SOURCES, EXEMPLES - PHYSIQUE - 2025

Le champ magnétique est l'influence des charges électriques en mouvement sur l'espace qui les entoure. Les charges ont toujours un champ électrique, mais seules celles qui sont en mouvement peuvent générer des effets magnétiques.

L'existence du magnétisme est connue depuis longtemps. Les Grecs de l'Antiquité décrivaient un minéral capable d'attirer de petits morceaux de fer: c'était le lodestone ou magnétite.

Figure 1. Échantillon de magnétite. Source: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Les sages Thales de Milet et Platon étaient occupés à enregistrer les effets magnétiques dans leurs écrits; en passant, ils connaissaient aussi l'électricité statique.

Mais le magnétisme ne s'est associé à l'électricité qu'au XIXe siècle, lorsque Hans Christian Oersted a observé que la boussole déviait à proximité d'un fil conducteur porteur de courant.

Aujourd'hui, nous savons que l'électricité et le magnétisme sont, pour ainsi dire, les deux faces d'une même médaille.

Champ magnétique en physique

En physique, le terme champ magnétique est une grandeur vectorielle, avec module (sa valeur numérique), direction dans l'espace et sens. Il a également deux significations. Le premier est un vecteur parfois appelée induction magnétique et est désignée par B.

L'unité de B dans le Système international d'unités est le tesla, en abrégé T. L'autre grandeur également appelée champ magnétique est H, également appelée intensité du champ magnétique et dont l'unité est ampère / mètre.

Les deux grandeurs sont proportionnelles, mais elles sont définies de cette manière pour prendre en compte les effets des matériaux magnétiques sur les champs qui les traversent.

Si un matériau est placé au milieu d'un champ magnétique externe, le champ résultant en dépendra ainsi que de la propre réponse magnétique du matériau. C'est pourquoi B et H sont liés par:

B = μ _m H

Ici, μ _m est une constante qui dépend du matériau et a des unités appropriées de sorte qu'en multipliant par H le résultat est tesla.

C

-Le champ magnétique est une magnitude vectorielle, il a donc une magnitude, une direction et un sens.

-L'unité du champ magnétique B dans le système international est le tesla, abrégé en T, tandis que H est ampère / mètre. D'autres unités qui apparaissent fréquemment dans la littérature sont le gauss (G) et le oersted.

-Les lignes de champ magnétique sont toujours des boucles fermées, laissant un pôle nord et entrant dans un pôle sud. Le champ est toujours tangent aux lignes.

-Les pôles magnétiques sont toujours présentés dans une paire Nord-Sud. Il n'est pas possible d'avoir un pôle magnétique isolé.

-Il provient toujours du mouvement des charges électriques.

-Son intensité est proportionnelle à l'amplitude de la charge ou au courant qui la produit.

-La magnitude du champ magnétique diminue avec l'inverse du carré de la distance.

-Les champs magnétiques peuvent être constants ou variables, à la fois dans le temps et dans l'espace.

-Un champ magnétique est capable d'exercer une force magnétique sur une charge en mouvement ou sur un fil qui transporte du courant.

Pôles d'un aimant

Un barreau magnétique a toujours deux pôles magnétiques: le pôle nord et le pôle sud. Il est très facile de vérifier que les pôles d'un même signe se repoussent, tandis que ceux de types différents s'attirent.

Ceci est assez similaire à ce qui se passe avec les charges électriques. On peut également observer que plus ils sont proches, plus la force avec laquelle ils s'attirent ou se repoussent est grande.

Les aimants en barre ont un motif distinctif de lignes de champ. Ce sont des courbes nettes, quittant le pôle nord et entrant dans le pôle sud.

Figure 2. Lignes de champ magnétique d'un barreau magnétique. Source: Wikimedia Commons.

Une expérience simple pour regarder ces lignes consiste à étaler de la limaille de fer sur une feuille de papier et à placer une barre aimantée en dessous.

L'intensité du champ magnétique est donnée en fonction de la densité des lignes de champ. Celles-ci sont toujours les plus denses près des pôles et elles se propagent lorsque nous nous éloignons de l'aimant.

L'aimant est également connu sous le nom de dipôle magnétique, dans lequel les deux pôles sont précisément les pôles magnétiques nord et sud.

Mais ils ne peuvent jamais être séparés. Si vous coupez l'aimant en deux, vous obtenez deux aimants, chacun avec ses pôles nord et sud respectifs. Les pôles isolés sont appelés monopôles magnétiques, mais à ce jour, aucun n'a été isolé.

Sources

On peut parler de diverses sources de champ magnétique. Ils vont des minéraux magnétiques, en passant par la Terre elle-même, qui se comporte comme un grand aimant, jusqu'aux électroaimants.

Mais la vérité est que chaque champ magnétique a son origine dans le mouvement de particules chargées.

Plus tard, nous verrons que la source primordiale de tout magnétisme réside dans les minuscules courants à l'intérieur de l'atome, principalement ceux qui sont produits en raison des mouvements des électrons autour du noyau et des effets quantiques présents dans l'atome.

Cependant, concernant son origine macroscopique, on peut penser aux sources naturelles et artificielles.

Les sources naturelles en principe ne "s'éteignent" pas, ce sont des aimants permanents, cependant il faut tenir compte du fait que la chaleur détruit le magnétisme des substances.

Comme pour les sources artificielles, l'effet magnétique peut être supprimé et contrôlé. Par conséquent, nous avons:

-Aimants d'origine naturelle, constitués de minéraux magnétiques tels que la magnétite et la maghémite, tous deux oxydes de fer, par exemple.

-Courants électriques et électroaimants.

Minéraux magnétiques et électroaimants

Dans la nature, il existe divers composés qui présentent des propriétés magnétiques remarquables. Ils sont capables d'attirer des pièces de fer et de nickel, par exemple, ainsi que d'autres aimants.

Les oxydes de fer mentionnés, tels que la magnétite et la maghémite, sont des exemples de cette classe de substances.

La susceptibilité magnétique est le paramètre utilisé pour quantifier les propriétés magnétiques des roches. Les roches ignées basiques sont celles qui présentent la plus grande sensibilité, en raison de leur forte teneur en magnétite.

D'autre part, tant que vous avez un fil qui transporte du courant, il y aura un champ magnétique associé. Nous avons ici une autre manière de générer un champ, qui dans ce cas, prend la forme de cercles concentriques avec le fil.

La direction du mouvement du champ est donnée par la règle du pouce droit. Lorsque le pouce de la main droite pointe dans la direction du courant, les quatre doigts restants indiqueront la direction dans laquelle les lignes de champ sont pliées.

Figure 3. Règle du pouce droit pour obtenir la direction et le sens du champ magnétique. Source: Wikimedia Commons.

Un électroaimant est un appareil qui produit du magnétisme à partir de courants électriques. Il a l'avantage de pouvoir s'allumer et s'éteindre à volonté. Lorsque le courant cesse, le champ magnétique disparaît. De plus, l'intensité du champ peut également être contrôlée.

Les électroaimants font partie de divers appareils, notamment des haut-parleurs, des disques durs, des moteurs et des relais.

Force magnétique sur une charge en mouvement

L'existence d'un champ magnétique B peut être vérifiée au moyen d'une charge électrique de test appelée q- et qui se déplace avec la vitesse v. Pour cela, la présence de champs électriques et gravitationnels est exclue, du moins pour le moment.

Dans un tel cas, la force subie par la charge q, notée F _B, est entièrement due à l'influence du champ. Qualitativement, on observe ce qui suit:

-La grandeur de F _B est proportionnelle à q et à une vitesse v.

-Si v est parallèle au vecteur champ magnétique, la magnitude de F _B est nulle.

-La force magnétique est perpendiculaire à la fois à v et B.

-Enfin, l'amplitude de la force magnétique est proportionnelle à sin θ, où θ est l'angle entre le vecteur vitesse et le vecteur champ magnétique.

Tout ce qui précède est valable pour les charges positives et négatives. La seule différence est que la direction de la force magnétique est inversée.

Ces observations concordent avec le produit vectoriel entre deux vecteurs, de sorte que la force magnétique subie par une charge ponctuelle q, se déplaçant avec une vitesse v au milieu d'un champ magnétique est:

F _B = q v x B

Dont le module est:

Figure 4. Règle de droite pour la force magnétique sur une charge de point positif. Source: Wikimedia Commons.

Comment un champ magnétique est-il généré?

Il existe plusieurs manières, par exemple:

-En magnétisant une substance appropriée.

- Faire passer un courant électrique à travers un fil conducteur.

Mais l'origine du magnétisme dans la matière s'explique en rappelant qu'il doit être associé au mouvement des charges.

Un électron en orbite autour du noyau est essentiellement un minuscule circuit de courant fermé, mais capable de contribuer substantiellement au magnétisme de l'atome. Il y a de très nombreux électrons dans un morceau de matériau magnétique.

Cette contribution au magnétisme de l'atome s'appelle le moment magnétique orbital. Mais il y a plus, car la translation n'est pas le seul mouvement de l'électron. Il possède également un moment de spin magnétique, un effet quantique dont l'analogie est celle d'une rotation de l'électron sur son axe.

En fait, le moment magnétique de spin est la principale cause du magnétisme d'un atome.

Les types

Le champ magnétique est capable de prendre de nombreuses formes, en fonction de la distribution des courants qui en sont à l'origine. À son tour, il peut varier non seulement dans l'espace, mais aussi dans le temps, ou les deux à la fois.

-A proximité des pôles d'un électroaimant, il y a un champ approximativement constant.

-Également à l'intérieur d'un solénoïde, un champ de haute intensité et uniforme est obtenu, les lignes de champ étant dirigées le long de l'axe axial.

-Le champ magnétique de la Terre se rapproche assez bien du champ d'un barreau magnétique, en particulier au voisinage de la surface. Un peu plus loin, le vent solaire modifie les courants électriques et les déforme sensiblement.

-Un fil qui transporte du courant a un champ en forme de cercles concentriques avec le fil.

Quant à savoir si le champ peut ou non varier dans le temps, nous avons:

-Les champs magnétiques statiques, lorsque ni leur amplitude ni leur direction ne changent dans le temps. Le champ d'un barreau magnétique est un bon exemple de ce type de champ. Aussi ceux qui proviennent de fils qui transportent des courants stationnaires.

-Champs variables au fil du temps, si l'une de leurs caractéristiques varie dans le temps. Une manière de les obtenir est d'utiliser des générateurs de courant alternatif, qui utilisent le phénomène d'induction magnétique. Ils se trouvent dans de nombreux appareils couramment utilisés, par exemple les téléphones portables.

Loi de Biot-Savart

Lorsqu'il est nécessaire de calculer la forme du champ magnétique produit par une distribution de courants, on peut utiliser la loi de Biot-Savart, découverte en 1820 par les physiciens français Jean Marie Biot (1774-1862) et Félix Savart (1791-1841).).

Pour certaines distributions de courant avec des géométries simples, une expression mathématique du vecteur champ magnétique peut être obtenue directement.

Supposons que nous ayons un segment de fil de longueur différentielle dl qui transporte un courant électrique I. Le fil sera également supposé être dans le vide. Le champ magnétique qui produit cette distribution:

-Diminue avec l'inverse du carré de la distance au fil.

-Il est proportionnel à l'intensité du courant I qui traverse le fil.

-Sa direction est tangentielle à la circonférence de rayon r centrée sur le fil et sa direction est donnée par la règle du pouce droit.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B est un différentiel de champ magnétique.

- I est l'intensité du courant traversant le fil.

- r est la distance entre le centre du fil et le point où vous voulez trouver le champ.

-r est le vecteur qui va du fil au point où vous voulez calculer le champ.

Exemples

Voici deux exemples de champ magnétique et de leurs expressions analytiques.

Champ magnétique produit par un très long fil rectiligne

Grâce à la loi de Biot-Savart, on peut obtenir le champ produit par un fil fin conducteur fin porteur d'un courant I. En intégrant le long du conducteur et en prenant le cas limite dans lequel il est très long, la grandeur du champ résultat:

Champ créé par la bobine de Helmholtz

La bobine de Helmholtz est composée de deux bobines circulaires identiques et concentriques, auxquelles le même courant est passé. Ils servent à créer un champ magnétique approximativement uniforme en son sein.

Figure 5. Schéma des bobines de Helmholtz. Source: Wikimedia Commons.

Sa magnitude au centre de la bobine est:

Y est dirigé le long de l'axe axial. Les facteurs de l'équation sont:

- N représente le nombre de tours des bobines

- I est la magnitude du courant

- μ _o est la perméabilité magnétique du vide

- R est le rayon des bobines.

Références

1. Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 1. Cinématique. Edité par Douglas Figueroa (USB).
2. La force de champ magnétique H. Récupéré de: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6e édition abrégée. Apprentissage Cengage.
4. Champ magnétique et forces magnétiques. Récupéré de: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Fondamentaux de la physique. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 2. 7e. Ed. Cengage Learning.
7. Université de Vigo. Exemples de magnétisme. Récupéré de: quintans.webs.uvigo.es