C106_7_8_9 magnétisme - physique appliquée au LLA

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Chapitre 6 Le champ magnétique
6.1. les aimants
Ce sont corps qui attirent les substances ferromagnétiques : fer, nickel, cobalt et leurs
alliages. Les corps non attirés par un aimants sont dits paramagnétiques (cuivre,
aluminium, plomb, verre, …).
Les aimants sont soit naturels, comme la magnétite, qui est un oxyde de fer (Fe3O4), ils
ne sont pas utilisés
soit artificiels : barreaux d’aciers traités sous différentes formes : droits, aiguille aimantée
(boussole ou magnétomètre), fer à cheval (machines électriques), circulaires,
cylindrique (haut-parleur, alternateur de bicyclette), …
ils sont aimantés par influence ou en les plaçant dans une bobine traversée par un
fort courant.
L’aimantation
Est soit temporaire : le fer doux (alliage fer - carbone à faible teneur en carbone)
soit permanente : l’acier
Les pôles
Suspendu par le milieu à l’aide d’un fil souple, un aimant droit
s’oriente spontanément en prenant la direction Sud - Nord
terrestre (voir plus de détails sur le champ magnétique terrestre
plus loin).
Le côté du barreau qui se dirige toujours vers le Nord géographique est appelé pôle nord.
En rapprochant deux aimants dont on a repéré les noms des pôles on constate que :
deux pôles de même noms se repoussent alors que
deux pôles de noms différent s’attirent.
L’expérience de l’aimant brisé :
En cassant en deux un aimant, on n’arrive pas à isoler un pôle. En le divisant
infiniment, on peut constater que la plus petite particule ainsi obtenue conserve deux
pôles. On en déduit que l’origine de l’aimantation est atomique.

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6.2 Le vecteur champ magnétique B
→
→→
→
Plaçons une aiguille aimantée sur un pivot à
une distance donnée d’un pôle d’un aimant, en un
point qu’on appellera M. Elle s’oriente
spontanément, le pôle nord n étant attiré par le pôle
sud de l’aimant droit.
Lorsqu’on retire l’aiguille aimantée et son pivot,
il reste le vecteur qui décrit l’état magnétique “de
l’espace” au point M.
Le champ magnétique ”n’existe donc pas“, mais peut être mis en évidence par
l’action qu’on appelle force électromagnétique sur un autre aimant placé en M, sur un
faisceau d’électron (charges en mouvement) passant par M, ou par un fil souple
conducteur traversé par un courant électrique, ….
B
→
→→
→ est orienté du pôle nord vers le pôle sud de l’aimant qui le produit.
unité de l’intensité du champ B
→
→→
→ : le tesla (T)
en hommage à l’électricien yougoslave Nikola Tesla (Croatie 1856 - New-York 1943)
qui réalisa le premier moteur asynchrone, inventa les courants polyphasés, les
commutatrices, le montage en étoile; il imagina le couplage de deux circuits par induction
mutuelle et les premiers générateurs industriels d’ondes hertziennes.
Le spectre magnétique
Le spectre magnétique est la figure
obtenue en saupoudrant de limaille de fer
un papier placé sous l’aimant. Après avoir
tapoté la feuille, les grains de limaille
s’aimantent et s’attirent en se comportant
comme de minuscules aiguilles
aimantées.
Les lignes courbes formées s’appellent
lignes de champ.
Les vecteurs champs magnétiques sont tangents aux lignes de champ.
Si les lignes de champ sont parallèles comme entre les pôles d’un aimant en fer à cheval,
on dit que le champ est uniforme.
N S
N S
B
→
M
s
n
pivot
N S
B
→
M

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le champ magnétique terrestre
La terre est un gigantesque
aimant dont le pôle sud
magnétique est voisin du pôle
Nord géographique.
la déclinaison (orientale ou occidentale) est l’angle d
l’inclinaison (positive vers le bas ou négative) est l’angle i
En France, d = 6° ( occidentale )
i = 64° et B = 4,6 x 10 -5 T
6.3. La force électromagnétique
Un tube à déflexion est une ampoule en verre dans
laquelle un canon à électrons c.é. produit un
faisceau d’électrons f.é. visualisés par un écran
fluorescent.
Lorsqu’on place un pôle sud d’un aimant permanent
devant le faisceau, celui-ci est dévié vers le haut
perpendiculairement au plan formé par
la trajectoire des électrons q v
→
→→
→ et
du vecteur champ magnétique B
→
→→
→ .
Lorsqu’on place un pôle nord devant le faisceau, la
déviation se fait dans l’autre sens.
La loi de Lorentz : F
→
→→
→ = q . v →
→→
→ ∧
∧∧
∧ B
→
→→
→
cette loi nous donne le sens et l’intensité F = q.v.B sin ( v
→
→→
→ , B →
→→
→ ) de la force
électromagnétique F qui s’exerce sur une particule chargée d’une charge électrique q, se
déplaçant à une vitesse v dans un champ magnétique B.
∧
∧∧
∧ : est le produit vectoriel
(la relation se lit : “F égale q v vectoriel B”)
F : force électromagnétique ....... unité : le newton (N)
q : la charge électrique ............... unité : le coulomb (C )
v : la vitesse ............................... unité : m / s
B : le champ magnétique ............ unité : le tesla (T)
on verra plus loin la règle des trois doigts de la main droite qui est un moyen
mnémotechnique pour retrouver rapidement le sens du vecteur F (qv correspond
évidemment au sens du courant électrique i).
z
y
x
n
s
n s

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application : la sonde à effet Hall
Edwin HALL (1855 - 1938) a découvert cet effet en 1879.
La sonde à effet Hall est une pastille en substance semi-conductrice particulière,
l’arséniure de gallium, de faible dimension (P=1 mm x H=2,5 mm x L=5 mm) qui,
traversée par un courant i et placée dans un champ magnétique B, produit aux
bornes de deux faces une tension appelée tension de Hall : UH = K.i.B
exemple de sensibilité d’une sonde : 2 mV =
^ 10-4 T
applications : mesure de champs magnétiques B,
allumage électronique, compte tours, claviers d’ordinateurs, …
le tube cathodique d’un téléviseur :
La déviation a un parcours circulaire car le
champ magnétique est uniforme entre les
bobines de déviation. L’emploi de bobines de
déviation est due à la géométrie des tubes de
téléviseurs, moniteur d’ordinateurs et minitels,
qui ont des angles de déviation importants
(jusqu’à 110°).
Cette déviation circulaire est utilisée pour
mesurer la masse de particules chargées en
physique nucléaire.
i
UH
mV
c : canon à électron
b : bobine de déviation verticale
f : faisceau d’électrons.
d : déviation
é : écran

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6.4. Les courants sources de champ magnétique
Le danois Hans Christian OERSTED (1777 - 1851) observa en 1820 qu’une aiguille
aimantée placée à proximité d’un conducteur rectiligne traversé par un courant était
déviée.
a) le conducteur rectiligne b) la bobine circulaire plate
B = 2 x 10-7 i
d B = 2π x 10-7 N i R
c) le solénoïde à spires jointives
de longueur l
ll
l très grande devant son diamètre
B = 4π x 10-7 N i
l
des moyens mnémotechniques
pour trouver facilement les pôles
d) la perméabilité
la perméabilité absolue dans le vide est le coefficient des formules précédentes :
µ
µµ
µo = 4 π
ππ
π x 10-7 u.s.i.
la perméabilité relative µ
µµ
µr : si l’on introduit dans la bobine un noyau en substance
ferromagnétique, le champ magnétique est renforcé d’un coefficient µ
µµ
µr ,
suivant la substance, µr = 100 à plus de µr = 1000.
N spires
l