Champ magnétique

Physique - 6 ème année - Ecole Européenne
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Chapitre n° 8 : CHAMP MAGNETIQUE ET BOBINE
Nous ne pouvons pas définir le champ magnétique simplement à partir des forces magnétiques
comme nous l'avons fait pour le champ de gravitation ou le champ électrique.
Nous verrons que c'est la conséquence de l'inexistence de monopôles magnétiques.
I) Notion de champ magnétique
1)
:
Sources de champ magnétique
a) Les aimants :
:
Les aimants sont des sources permanentes de champ magnétique. Ils sont constitués
d'alliages à base de fer ou de certains oxydes de fer de cobalt ou de nickel (ticonal :
titane, cobalt, nickel, aluminium).
Les formes des aimants sont liées à leur utilisation.
L'action magnétique exercée par un aimant est plus importante au niveau de certaines
régions appelées pôles de l'aimant.
Les pôles d'un aimant ne sont pas séparables :
il n'existe pas de monopôle magnétique : la plus petite entité magnétique est le dipôle
magnétique (association d'un pôle Nord et d'un pôle Sud).
b) Les courants :
Plaçons une aiguille aimantée au dessous d'un fil
conducteur rectiligne de telle façon que cette aiguille soit
parallèle au fil lorsque aucun courant ne le parcourt.
Lorsqu'un courant électrique circule, l'aiguille tend à
s'orienter perpendiculairement au conducteur.
Un conducteur parcouru par un courant électrique crée un
champ magnétique en son voisinage. Le sens du champ dépend du sens du courant.
Règle du bonhomme d'Ampère :
Un observateur, disposé le long du conducteur de façon que le courant électrique circule
de ses pieds vers sa tête, et regardant vers un point M, voit en M le champ magnétique
→
B
orienté vers sa gauche.
Une bobine ou solénoïde parcourus par un courant
est le siège d'un champ magnétique.
Un électroaimant est une bobine à l'intérieur de
laquelle on a introduit un "noyau de fer".
Le champ magnétique créé par un électroaimant et
plus intense que celui créé par le solénoïde seul.
c) La Terre :
La terre et pratiquement tous les astres actifs (dont le
noyau est en fusion) sont source de champ magnétique.
Le "vent solaire", qui est constitué de particules chargées
éjectées à très grande vitesse par le Soleil, modifie la
topographie du champ magnétique terrestre.
Remarque : Les lignes de champ "sortent du pôle Nord
magnétique terrestre qui constitue donc un
pôle "sud" du point de vue du magnétisme !!

Champ magnétique
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2) Unité et mesure du champ magnétique
a) Unité légale :
:
Dans le système international (S.I.) l'unité légale fondamentale de mesure du champ
magnétique est le tesla (symbole T).
b) Le tesla-mètre :
Nous étudierons le principe de fonctionnement de la sonde à effet Hall dans la suite.
La sonde elle-même est constituée d'un petit parallélépipède formé d'un semi-conducteur
parcouru par un courant. Lorsque la sonde est "plongée" dans un champ magnétique, il
apparaît entre deux de ces faces une faible tension qui est mesurée par un millivoltmètre.
Le millivoltmètre est gradué directement en teslas.
L'ensemble formé de la sonde et du millivoltmètre constitue un tesla-mètre.
c) Ordre de grandeur :
- La composante horizontale du champ magnétique terrestre vaut BH ≈ 2.10−5 T.
- Un aimant permanent produit un champ magnétique de 0,01 T à 0,1 T.
- Une bobine de 1000 spires sur 10 cm parcourue par un courant de quelques ampères
produit en son centre un champ magnétique Bcentre ≈ 0,1 T.
- Un électroaimant de même type peut donner un champ de quelques teslas.
- Le champ produit par un électroaimant est limité par l'effet Joule. A très basse
température (quelques K) certains métaux ou alliages deviennent supraconducteurs.
Grâce à la supraconductivité on peut produire des champs magnétiques intenses (10 à
100 T). Par champ "pulsé" on obtient des valeurs de 1000 T.
4) Spectre magnétique
a) Lignes de champ :
:
Une ligne de champ magnétique est une courbe qui est tangente au vecteur champ
magnétique en chacun de ses points.
On l'oriente dans le sens du vecteur champ magnétique.
b) Spectre du champ magnétique :
Le spectre magnétique est l'ensemble des lignes de champ magnétique dans l'espace.
Le spectre magnétique peut être matérialisé dans un plan, par la limaille de fer
saupoudrée sur une plaque, prés d'un aimant.
spectre d'une bobine spectre d'un aimant droit

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On peut étudier le spectre du champ magnétique créé par une bobine parcourue par un
courant :
Remarque : Il existe une différence entre le spectre d'un aimant droit et celui d'une
bobine, au niveau de la continuité des lignes de champ. Cet aspect est lié au
fait qu'il n'existe pas de monopôle magnétique.
II) Différents effets du champ magnétique
1)
:
Action d'un champ magnétique sur un aimant
L'action d'un champ magnétique sur une aiguille aimantée est complexe :
:
- l'aiguille est soumise à un couple de forces, l'aiguille pivote, puis prend une position
d'équilibre : c'est le principe de fonctionnement de l'aiguille aimantée d'une boussole
montée sur un pivot.
- dans un champ non uniforme l'aiguille est, en plus, soumise à une force dirigée vers zones
où le champ magnétique est le plus intense. C'est cette force d'attraction qui se manifeste
lorsqu'un aimant ou un objet en fer est attiré par un aimant, en toute rigueur, dans un
champ magnétique uniforme, cet objet ne serait pas attiré …
2) Action d'un champ magnétique sur un faisceau d'électrons
Un tube de Crooks, dans lequel règne un vide poussé, est muni de deux électrodes aux
bornes des quelles on peut appliques une tension. Une tension de quelques centaines de
volts génère l'émission d'électrons invisibles dans le vide.
:
L'écran du tube est recouvert d'une couche de substance
qui émet de la lumière sous l'impact des électrons.
Une croix (de Malte) sur le trajet des électrons donne une
"ombre portée" sur l'écran. Cette ombre met en évidence
la présence du faisceau d'électron.
Lorsqu'on approche un
aimant du tube de Crooks,
l'ombre portée de la croix
se déplace mettant en
évidence la déviation du
faisceau d'électrons par le champ magnétique.
cathode
anode

Champ magnétique
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Un faisceau d'électron est dévié dans un champ magnétique.
Chaque électron est en effet soumis à la force de Lorentz que
nous étudierons de façon plus approfondie en 7ème année.
3) Action sur un courant, force de Laplace
a) Expérience de Laplace :
:
On peut mettre en évidence l'action d'un champ magnétique
sur un fil conducteur parcouru par un courant par l'expérience
de Laplace :
Le champ magnétique est généré par à un aimant en
U et a pour sens d'avant en arrière de la figure.
Quand le courant circule de bas en haut dans le
conducteur, celui-ci est dévié vers la gauche, la force
de Laplace s'exerce donc vers la gauche.
Lorsqu'on inverse le sens du courant, la force de
Laplace s'inverse.
Lorsqu'on inverse le sens du champ magnétique, la force de Laplace s'inverse.
D'une façon générale, nous admettrons la loi de Laplace :
Lorsqu'un conducteur rectiligne de longueur
→
l
(orienté dans un
sens arbitraire), parcouru par un courant d'intensité algébrique I
(dont le signe dépend de l'orientation et du sens du courant), est
plongé dans un champ magnétique uniforme
→
B
, il est soumis à
une force
→
F
(dite de Laplace) dont :
- la direction est orthogonale au plan défini par les
vecteurs
→
l
et
→
B
,
- le sens est défini par la règle des trois doigts de la main
droite :
- la mesure est donnée par : F = I.l.B
b) Intensité du champ magnétique :
Nous prendrons l'intensité de la force de Laplace pour définir l'intensité d'un champ
magnétique : B = l.I
F
En effet, la mesure de la force exercée sur un élément de circuit plongé dans un champ
magnétique, permet de déterminer l'intensité de ce champ magnétique.
C'est sur ce principe que sont conçus la plupart des instruments de mesure du champ
magnétique :
balance de Cotton sonde à effet Hall ...

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III) Champ magnétique créé par un fil infini parcouru par un courant
Nous considérerons qu'un fil conducteur est infiniment long si sa longueur l est grande devant
la distance d qui le sépare du point M où l'on veut déterminer le champ magnétique.
:
On étudie le spectre dans un plan orthogonal au fil :
l'expérience montre que les lignes de champ
(matérialisées par de la limaille de fer) sont des cercles
concentriques centrés sur le fil.
En un point M de l'espace,
le champ magnétique
→
B
a
une direction orthogonale
au fil conducteur.
Son sens est déterminé par la règle des trois doigts :
On considère les vecteurs :
* I.
→
l
, qui a pour sens celui du courant.
*
→
d
= →
PM
défini par les points P et M (où on étudie le champ).
*
→
B
dont on cherche la direction et le sens.
Le trièdre (I.
→
l
,
→
d
,
→
B
) doit être direct.
On admettra que si l >> d, on a : B =
d..2
I.
0
π
µ
La constante µ0 = 4.π.10−7 S.I. est la perméabilité magnétique du vide (ou de l'air).
IV) Notions sur l’origine des phénomènes magnétiques
1)
:
A l'échelle macroscopique
Les sources de champ magnétique comme les effets du champ semblent très variés.
:
Dans toutes les expériences, on note la présence de particules chargées en mouvement.
Les phénomènes magnétiques ont pour origine l'interaction de charges en mouvement
(expérience de l'aimant brisé : pas de monopôle magnétique !).
Le champ électrostatique est lié à l'existence de charges immobiles, le champ magnétique
est lié à l'existence de charges en mouvement, mais on sait que la notion de mouvement est
directement dépendante de celle de référentiel. Suivant le référentiel dans lequel on se
place, l'interaction entre charges est décrite par un champ électrique ou un champ
magnétique : en fait
→
E
et
→
B
sont les deux aspects des interactions électromagnétiques.
2) A l'échelle atomique ou nucléaire
On montre en mécanique quantique lors de l'étude des particules élémentaires que chaque
particule constitue un dipôle magnétique (un aimant élémentaire) lié à sa propriété de spin.
:
On associé également un dipôle magnétique à certaines orbitales électroniques des atomes
qui constituent alors un dipôle magnétique atomique.
L'existence de ces dipôles élémentaires ou magnétons permet d'expliquer les différents
types de propriétés magnétiques de la matière à l'échelle macroscopique.
a) Le ferromagnétisme :
Le ferromagnétisme est la propriété de certains corps de s'aimanter très fortement
sous l'effet d'un champ magnétique extérieur (influence), et pour certains (les
aimants) de garder une aimantation importante même après la disparition du champ
extérieur (rémanence).