I. Les aimants, sources de champ magnétique.
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LE CHAMP MAGNETIQUE I. Les aimants, sources de champ magnétique. 1. Quelques observations expérimentales. Quel est le comportement d'un aimant vis à vis du fer ? Un aimant a la propriété d’attirer les objets en fer. Cette action se manifeste aux deux extrémités de l'aimant, appelées pôles Les pôles d'un aimant sont de natures différentes. pôle nord aimant droit Comment se traduit l'interaction entre deux aimants ? Deux pôles de même nom se repoussent Deux pôles de noms différents s’attirent pôle sud Quel est le comportement d'une aiguille aimantée ? Un petit aimant mobile sur un pivot vertical constitue une boussole En un point de la surface terrestre, une aiguille aimantée occupe une position stable: le pôle nord de l'aiguille indique sensiblement la direction du Nord géographique. 2. Espace champ magnétique champ terrestre n s C'est une région dans laquelle une aiguille aimantée s'oriente sous l'action de forces magnétiques. L'aiguille aimantée constitue un détecteur de champ magnétique. Parmi les sources de champ magnétique, on peut citer : - la Terre, - les aimants, - les bobines parcourues par des courants électriques (voir ultérieurement). 3. Comment définir un champ magnétique ? En un point M de l'espace, on caractérise le champ magnétique par un vecteur préciser la direction, le sens et la valeur. a) le rôle de l'aiguille aimantée. B pour lequel il faut Placée en M, l'aiguille aimantée nous permet de connaître direction et sens de B en ce point. B M Au point M, le vecteur champ magnétique B : - a la direction x'x de l'axe de l'aiguille aimantée, - a le sens S N de l'aiguille aimantée. x n s x' b) le rôle du teslamètre. Placée en M, la sonde de Hall d'un teslamètre permet de mesurer la valeur du champ magnétique en ce point. La valeur d'un champ magnétique est notée B ; elle s'exprime en Teslas (T). Quelques ordres de grandeurs. - champ magnétique terrestre : environ 5.10-5 T (soit 50 µT), - au voisinage d'un aimant : 10-2 à 10-1 T. Un champ magnétique de 1 T est un champ magnétique intense. B2 4. Les spectres magnétiques. Un spectre magnétique est caractérisé par un ensemble de lignes ligne de champ M2 de champ. En tout point de l'espace, le vecteur champ est tangent aux lignes de champ et il est orienté dans le même sens. M1 L'observation d'un spectre magnétique peut s'effectuer à l'aide B1 de limaille de fer. Exercice : D'après l'observation des spectres et l'orientation de l'aiguille aimantée, dessinez quelques lignes de champ magnétique créé par un aimant droit, puis par un aimant en U. II. Comment créer un champ magnétique à l’aide d’une bobine ? 1. Expériences Observez le comportement de deux aiguilles aimantées placées de part et d'autre d'une bobine longue (solénoïde) parcourue par un courant continu. ? x' x I + G ? _ On peut constater que le solénoïde a le comportement d'un I I aimant: il possède deux faces N et S dont les positions S N dépendent du sens du courant dans l'enroulement. Les lignes de champ magnétique sont parallèles à l'axe x'x du solénoïde: on dit que le champ magnétique est uniforme. B est un vecteur constant (si l'on ne s'approche pas trop des faces). 2. Expression de B à l'intérieur d'un solénoïde Dans le vide (ou dans l'air) la valeur du champ magnétique à l'intérieur d'un solénoïde est donné par l'expression: N avec I en Ampère(A) ; L en mètre(m) ; B en Tesla (T) B 0 I L 0 = 4.10-7 SI est la perméabilité magnétique du vide (ou de l'air). Indication : Si l'on désigne par n N le nombre de spires par mètre, on peut écrire B = 0.n.I . L 3. Comment obtenir un champ magnétique intense ? Plusieurs méthodes sont possibles : Augmenter le nombre de spires par unité de longueur (n) de la bobine. Augmenter la perméabilité magnétique µ du milieu. On réalise un électroaimant en introduisant un noyau ferromagnétique (fer doux, alliage) à l'intérieur de la bobine. entrefer Le champ magnétique dans l'entrefer du noyau se trouve considérablement augmenté. bobine noyau Augmenter l'intensité I du courant dans la bobine. Il s'en suit une élévation importante de température dans les conducteurs ohmiques par suite de l'effet Joule. Remède : utiliser la supraconductivité de certains matériaux. Refroidis à très basse température, certain métaux ont une très faible résistivité, ce qui limite l'échauffement même pour des courants intenses. Les champs magnétiques ainsi créés peuvent atteindre 15 à 20 T. 4. Une application médicale : l'I.R.M. Les premières observations en imagerie par résonance magnétique (I.R.M.) datent de 1977. L'I.R.M. permet d'observer les structures anatomiques de certains tissus et organes. Elle peut donc mettre en évidence certaines formes pathologiques. On l'utilise lors d'investigations cérébrales, rachidiennes, cardiologiques. La résonance magnétique nucléaire (R.M.N.) est obtenue en soumettant le corps du patient à un champ magnétique intense associé à une onde radiofréquence: les noyaux d'atomes d'hydrogène (protons) présents dans le corps humain s'orientent à la manière de minuscules aiguilles aimantées. Lorsqu'on cesse l'émission radiofréquence, les protons restituent de l'énergie sous forme d'un signal de R.M.N. Ce signal est traduit en image sur écran d'ordinateur : c'est l'imagerie par résonance magnétique (I.R.M.). Cette méthode d'investigation présente de gros avantages : - pas d'utilisation de rayons X comme en scannographie; - pas d'utilisation de traceurs radioactifs comme en scintigraphie. Actuellement, on ne connaît pas d'action nocive de cette méthode sur les organismes vivants. Seule précaution d'emploi avec les patients munis de prothèses métalliques, implants, valves et stimulateurs cardiaque ...
