Page 51 4. MAGNÉTOSTATIQUE La magnétostatique est l

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4. MAGNÉTOSTATIQUE
La magnétostatique est l’étude des champs magnétiques constants dans le temps.
4.1 LE MAGNÉTISME NATUREL
Les premières observations du magnétisme remontent à l’antiquité. Thalès de Milet,
notamment, avait remarqué que les morceaux de roche extraits d’un gisement proche d’une ville
appelée Magnésia17 possédaient la propriété d’attirer des petits débris de fer. Plus remarquable,
en frottant un petit morceau de fer avec de la magnétite, on lui confère cette propriété.
Fig. 43 – Magnétite
La magnétite est très répandue dans la nature. On en trouve même en Suisse (Binntal).
Bien avant, au XIe siècle avant notre ère, les propriétés mystérieuses de cette roche, appelée
aujourd’hui magnétite, avaient déjà retenu l’attention des naturalistes chinois. Ils avaient aussi
remarqué qu’une aiguille aimantée avait la propriété de s’orienter selon la direction nord-sud.
De là l’invention de la boussole, qui permet de garder le cap en mer lorsqu’on est loin de tout
repère terrestre. Utilisée ensuite par les Arabes, la boussole arrive en Occident au XIe siècle.
L’aiguille aimantée flotte sur un morceau de liège dans un vase d’eau. Vers 1300, on a l’idée de
la mettre sur un pivot à l’intérieur d’une boîte (bussola en italien), munie d’un cadran, ce qui
rend les mesures plus exactes. Depuis cette époque, on indique par N la partie de l’aiguille
aimantée qui pointe vers le nord géographique.
Fig. 44 – Barreaux aimantés
Les pôles contraires s’attirent ; les pôles semblables se repoussent.
17 Ajourd’hui Manisa, ouest de la Turquie actuelle.
S S N
N N
N S
N
N
S S
S

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Fig. 45 – Le pôle nord de la boussole pointe vers le pole sud d’un barreau aimanté.
Le pôle nord géographique est donc un pôle sud magnétique.
La Terre se comporte comme un gigantesque aimant, dont l’axe coïncide approximativement
avec son axe de rotation. Le magnétisme est vraisemblablement dû à la rotation de la partie
liquide du noyau de la Terre, entre 2900 et 5200 km de profondeur, qui est composé surtout de
fer. Les mouvements de convection du magma jouent certainement un rôle dans l’auto-
amorçage du processus, mais le phénomène est encore mal compris. Le champ magnétique
terrestre n’est pas constant dans le temps. Au cours des 5 derniers millions d’années, il a même
changé une douzaine de fois de sens, la dernière fois il y a 780’000 ans, comme le montre
l’analyse des sédiments de roche.
Fig. 46 – Mise en évidence les lignes de champ magnétique autour d’un aimant
En tout point autour d’un aimant, la tangente à la ligne de champ passant par ce point a la même
direction que celle d’une petite aiguille aimantée placée en ce point.
A grande distance du barreau, le champ magnétique terrestre reprend le dessus.
On constate que les lignes de champ se referment toujours sur elles-mêmes.
S N
N S
S N

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4.2 TROIS EXPÉRIENCES CÉLÈBRES
4.2.1 Expérience d’Oersted
En étudiant les effets du courant électrique dans un fil, Oersted18 a remarqué que le passage du
courant influençait l’orientation d’une boussole placée à proximité.
Fig. 47 – Schéma de l’expérience d’Oersted (1820)
Oersted étudia ensuite systématiquement ce phénomène : lorsque l’on inverse le sens du
courant, l’aiguille s’oriente dans l’autre sens ; lorsqu’on coupe le courant, l’aiguille indique à
nouveau le nord géographique.
Historiquement, cette expérience marque le début de l’électromagnétisme.
4.2.2 Expérience d’Ampère
Deux courants parallèles s’attirent, deux courants circulant en sens inverse se repoussent.
Fig. 48 – Schéma de l’expérience d’Ampère (fin 1820)
18 Hans Christian Oersted, physicien danois, 1777 – 1851.
Pile
+
_
I
I
Pile
+
_
I

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4.2.3 Expérience de la rotation magnétique de Faraday
Placé près d’un barreau aimanté, un fil parcouru par un courant électrique est le siège d’une
force.
Fig. 49 – Schéma19 de l’expérience de Faraday (1821)
Les récipients contiennent du mercure. A droite, le barreau aimanté est fixe. Une tige métallique
libre de pivoter autour de son point de suspension touche le mercure. Lorsqu’un courant
parcourt la tige, celle-ci s’anime d’un mouvement de rotation.
A gauche, la tige est fixe, mais le barreau aimanté est libre de tourner.
Cette expérience20 constitue le premier moteur électrique.
On pourrait encore citer d’autres expériences, telles que la roue de Barlow. Mais la question à
traiter maintenant est comment les interpréter. Comme dans le cas des forces électriques,
l’approche la plus efficace est d’introduire un champ pour rendre compte mathématiquement de
l’action à distance. Ainsi la résolution d’un problème de magnétostatique se fait en deux étapes :
1) partir de la distribution des courants pour calculer le champ magnétique,
(Loi de Biot et Savart) ;
2) calculer les forces ressenties par les courants plongés dans le champ magnétique,
(Loi de Laplace).
19 Experimental Researches in Electricity, vol. 2, Michael Faraday, 1844. Image numérique © Wikimedia.
20 Il existe une autre expérience portant le même nom, mais il s’agit de la rotation de la direction de polarisation d’une onde
lumineuse lorsqu’elle traverse un diélectrique soumis à un champ magnétique. Découvert par Faraday en 1845, cet effet est
la première preuve expérimentale du lien entre le magnétisme et la lumière.

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4.3 LE CHAMP MAGNÉTIQUE
4.3.1 Forme des lignes de champ
La forme des lignes de champ va naturellement refléter celle des courants. Prenons par exemple
un conducteur rectiligne assez long et parcouru par un fort courant. En approchant une petite
aiguille aimantée, on constate que les lignes de champ sont des cercles centrés sur le
conducteur.
Fig. 50 – Conducteur rectiligne
Fig. 51 – Spire
Fig. 52 – Barres conductrices
(Vue en coupe, les courants sont perpendiculaires à la feuille.)
I
I