Action du champ magnétique Par M. Kruglanski L`influence du

Action du champ magnétique
Par M. Kruglanski
L'influence du champ magnétique terrestre sur l'aiguille de la boussole, les pigeons
ou les particules solaires s'exerce au travers de la force magnétique (force de
Lorentz). Celle-ci s'exerce uniquement sur des objets en mouvement portant une
charge électrique.
En général, les objets de la vie courante sont électriquement neutres et ne
devraient pas être sensibles à la force magnétique. Cependant nous savons qu'un
objet, tel qu'un clou en acier, est attiré par un aimant. En fait dans ce cas, la force
magnétique agit sur le clou au niveau atomique ! Chaque atome est constitué d'un
noyau (chargé positivement) et d'un nuage d'électron (chargé négativement). C'est
le mouvement propre de ces charges (positives et négatives) qui est à l'origine de
la sensibilité du clou à la force magnétique. Généralement les forces magnétiques
exercées sur les différents atomes d'un objet s'annulent entre elles et l'objet
semble insensible au champ magnétique. Cependant, pour certains matériaux,
comme le fer, ces forces ne s'annulent pas et les objets (le clou par exemple) qui
en sont constitués subissent l'action du champ magnétique.
D'autres part, il arrive qu'une partie des électrons d'un atome ne soit plus solidaire
de l'atome. Dès lors, ces électrons "libres" deviennent sensibles au champ
magnétique ainsi que le reste de l'atome devenu "ionisé" par la perte de certains
de ses électrons. C'est le cas, par exemple, dans un fil de cuivre où 3% des
électrons sont libres (électrons de conduction). Lorsque le fil est en mouvement
par rapport à un aimant, la force magnétique tend à déplacer ces électrons et à
créer un courant électrique dans le fil : c'est le principe de la dynamo.
Une situation analogue se présente dans les couches supérieures de
l'atmosphère (l'ionosphère), où, sous l'effet du rayonnement UV et X du Soleil, la
plupart des atomes et molécules sont partiellement ionisées, et où le champ
magnétique terrestre y induit des courants électriques. Ces courants électriques
génèrent eux-mêmes un champ magnétique (au même titre que le courant
traversant la bobine d'une enceinte acoustique) perturbant le champ magnétique
terrestre.
Pour être plus précis, la force magnétique s'exerçant sur une particule chargée
est proportionnelle à la charge et à la vitesse de la particule, et agit dans la
direction perpendiculaire aux directions du champ et de la vitesse.
L'action de cette force magnétique est illustrée dans la figure pour un cas simple
où le champ magnétique serait statique, uniforme et perpendiculaire à l'écran. Le
trait en tirets représente la trajectoire d'un électron en l'absence du champ. En
présence du champ magnétique, la trajectoire de l'électron s'incurve pour suivre le
cercle dessiné au trait plein. Le rayon du cercle dépend de la vitesse initiale de
l'électron et de l'intensité du champ.
La courbe en pointillés représente la trajectoire d'un proton qui aurait la même
vitesse initiale. Comme l'électron, le proton suit un cercle mais de rayon plus
grand et de sens opposé. Ceci est dû :
ƒ
ƒ
A la charge du proton, de signe opposé à celle de l'électron;
A la masse du proton, 2000 fois plus grande que celle de l'électron.
Cet effet du champ magnétique sur les particules chargées est notamment utilisé
en laboratoire pour confiner des protons et des ions dans un cyclotron en vue de
les accélérer.
Quelques ordres de grandeur:
La masse d'un proton est de 1,7 10-21 mg (c'est-à-dire zéro, virgule, 21 zéros, un
et sept milligrammes!)
Dans un cyclotron dont le rayon d'extraction serait d'un mètre et le champ
magnétique dans l'entrefer de 1.5T, un proton peut être accéléré jusqu'à une
énergie de 110MeV, ce qui correspond à une vitesse de 145000 km/s.
Dans le champ magnétique ambiant à Bruxelles (valeur approximative : 48000nT),
un proton se déplaçant à 100 km/s (c'est-à-dire d'une énergie de 52eV) a un rayon
de giration de 22m. Dans un champ magnétique deux fois moins intense, tel qu'il
existe à une altitude d'environ 800km, le même proton a un rayon de giration de
43m. Un électron de même vitesse aura une énergie de 0.03eV et un rayon de
giration de 2.5 cm.
A 800 km d'altitude, il existe des protons aussi énergétiques que ceux produits
dans un cyclotron : un proton de 110 MeV y aura un rayon de giration de 60 km.