I) Notion de champ magnétique

Chapitre 5 :
CHAMP MAGNETIQUE
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I) Notion de champ magnétique :
1) Mise en évidence :
a) Expérience :
Des petites aiguilles aimantées montées sur
pivots sont disposées près d'un aimant droit.
Chaque aiguille constitue un dipôle orienté.
On appellera pôle Nord la pointe de l’aiguille
et pôle Sud l'empennage de l'aiguille.
Chaque aiguille s'oriente après quelques
oscillations, et désigne au point M où elle se
trouve, une direction (son axe longitudinal) et
un sens (SN) privilégié.
Nous dirons que les aiguilles mettent en évidence l'existence du champ
magnétique créé par l'aimant en chaque point.
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CHAMP MAGNETIQUE
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I) Notion de champ magnétique :
1) Mise en évidence :
b) Caractéristiques du champ magnétique :
Nous dirons que le champ magnétique créé en un point M est un vecteur B
qui a pour :
- direction : l'axe longitudinal de l'aiguille aimantée,
- sens : celui du dipôle SN,
- mesure : B, exprimée en tesla (T).
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I) Notion de champ magnétique :
1) Mise en évidence :
c) Mesure du champ magnétique :
L'aiguille d'une boussole est placée près d'un
aimant droit. Lorsque l'aiguille est écartée de sa
position d'équilibre puis lâchée, elle oscille.
La fréquence des oscillations augmente lorsqu'on
rapproche l'aiguille de l'aimant. Les oscillations sont
d'autant plus rapides que le champ est plus intense.
L'expérience montre que la fréquence N est proportionnelle
à B2. On pourrait en déduire un moyen de mesurer l'intensité
du champ magnétique.
Dans la pratique on utilise un "tesla mètre" équipé d'un capteur
particulier qu'on appelle sonde à effet Hall :
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I) Notion de champ magnétique :
2) Sources de champ magnétique :
a) Les aimants permanents :
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).
La forme d’un aimant est liée à son 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 (contrairement aux charges électriques) :
La plus petite entité magnétique est le dipôle magnétique (association
d'un pôle Nord et d'un pôle Sud).
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I) Notion de champ magnétique :
2) Sources de champ magnétique :
b) Les courants électriques :
Plaçons une aiguille aimantée au dessous d'un fil conducteur rectiligne de
façon que cette aiguille soit parallèle au fil quand aucun courant ne circule.
Lorsqu'un courant électrique circule dans le fil,
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 orienté vers sa gauche.
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I) Notion de champ magnétique :
2) Sources de champ magnétique :
b) Les courants électriques :
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".
Remarque : Le champ magnétique créé par un électroaimant et plus intense
que celui créé par le solénoïde seul.
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I) Notion de champ magnétique :
2) Sources de champ magnétique :
c) La Terre :
La Terre et pratiquement tous les astres actifs
(dont le noyau est en fusion) sont source de
champ magnétique.
Remarque : Les lignes de champ "sortent du
pôle Nord magnétique terrestre
qui constitue donc un pôle "sud"
du point de vue du magnétisme !!
Le "vent solaire", qui est
constitué de particules
chargées éjectées à
très grande vitesse par
le Soleil, modifie la
topographie du champ
magnétique terrestre.
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I) Notion de champ magnétique :
3) Unité et ordre de grandeur :
Dans le système international (S.I.) l'unité légale fondamentale de
mesure du champ magnétique est le tesla (symbole T).
- La composante horizontale du champ magnétique terrestre, au niveau de
Francfort, vaut environ BH ≈ 2.10-5 T.
- Un aimant permanent produit un champ magnétique de qui peut être
compris entre 0,01 T et 0,1 T.
- Une bobine de 1000 spires, de 10 cm de longueur, parcourue par un
courant de quelques ampères produit en son centre un champ magnétique
de l’ordre de Bcentre ≈ 0,1 T.
- Un électroaimant de même type que la bobine peut donner un champ de
quelques teslas dans l'entrefer.
Remarque : 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).
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II) Spectre magnétique :
1) Lignes de champ :
Une ligne de champ 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.
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II) Spectre magnétique :
2) Spectre du champ magnétique :
Le spectre magnétique est l'ensemble des lignes de champ magnétique
dans l'espace.
Le spectre magnétique d’un aimant peut être matérialisé dans un plan, par de
la limaille de fer saupoudrée prés de l’aimant :
aimant droit
aimant en U
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II) Spectre magnétique :
2) Spectre du champ magnétique :
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
(problème des monopôles magnétiques).
Cette différence explique, dans la théorie,
l’inexistence des pôles magnétiques.
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II) Spectre magnétique :
3) Bobine, solénoïde et bobines de Helmholtz :
a) Bobine et solénoïde :
Une bobine est un enroulement de fil conducteur. Chaque tour de fil
est une spire. Si les spires sont jointives, on parle de solénoïde.
A l'intérieur d'un solénoïde, le champ magnétique est uniforme et de
même direction que l'axe de révolution du solénoïde.
Remarque : Le sens du champ magnétique peut être déterminé par :
- la règle du bonhomme d’Ampère,
- la règle des 3 doigts de la main droite,
- La règle du sens trigonométrique.
On considère un solénoïde de longueur L, formé de N spires de diamètre D,
et parcouru par un courant d’intensité I.
Si le solénoïde est très long par rapport à son diamètre (L >> D), il
pourra être assimilé à un solénoïde infiniment long.
L’intensité B du champ magnétique créé au centre du solénoïde est :
N
B = µ0..I = µ0.n.I
L
µ0 = 4.π.10−7 S.I. est la perméabilité magnétique du vide (ou de l’air).
n est le nombre de spires par unité de longueur n = N/L.
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II) Spectre magnétique :
3) Bobine, solénoïde et bobines de Helmholtz :
b) Bobines de Helmholtz :
On appelle bobines de Helmholtz l'association
de deux bobines plates coaxiales séparées par
une distance D égale à leur rayon commun R.
L'étude expérimentale du champ magnétique créé
par les bobines de Helmholtz montre que, dans
une région cylindrique délimitée par les deux
bobines, le champ magnétique est :
- uniforme,
- dirigé suivant l'axe commun des bobines,
- de sens donné par la règle du bonhomme d’Ampère,
Si N est le nombre de spires de chaque bobine, R leur rayon et qu'elles
sont montées en série et parcouru par un courant d'intensité I, le
champ magnétique au centre du dispositif a pour valeur :
N
B = 0,72.µ0..I
R
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II) Spectre magnétique :
3) Bobine, solénoïde et bobines de Helmholtz :
c) Champ magnétique uniforme :
Pour disposer d'un champ magnétique uniforme on voit donc que l'on peut
utiliser un solénoïde long ou des bobines de Helmholtz.
- Dans un solénoïde long le champ magnétique est très uniforme loin des
bords mais l'accès à ce champ est rendu délicat pour des expériences
encombrantes.
- Les bobines de Helmholtz permettent de réaliser des expériences plus
volumineuses mais l'uniformité du champ est moins précise.