c - le champ magnétique - Univ

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C - LE CHAMP MAGNÉTIQUE
C - 1 - ORIGINE DES CHAMPS MAGNÉTIQUES
L’existence de champs magnétiques est liée aux déplacements de charges
électriques.
En plus d’un champ électrique, une charge électrique en mouvement crée dans son
voisinage un champ magnétique qui dépend de sa vitesse de déplacement.
Quels sont alors les effets de ce champ magnétique ? Celui d’attirer ou de repousser
d’autres charges en mouvement, et ceci avec une force différente de la force
électrique.
C - 2 - DÉTERMINATION D'UN CHAMP MAGNÉTIQUE
Dans le Système International d’unités, les observations d’expériences
permettent d’exprimer par un produit vectoriel le champ magnétique
→
B
au
point N, créé par une charge q animée d’une vitesse
→
→→
→
v lorsqu’elle passe au
point M.
2
7-
MN
uvq
10B
→
→→
→→
→→
→
∧
∧∧
∧
=
==
=
→
→→
→
→
→→
→
u étant un vecteur unité porté par de la direction
→
MN
Du fait que le vecteur
→
B
résulte d'un produit vectoriel :
- son orientation est toujours perpendiculaire au plan contenant
→
→→
→
v
et
→
u (donc
à
→
→→
→
MN
aussi),
- son sens dépend du signe de q.
. Sur un schéma, on convient de représenter par le symbole :
le vecteur champ s’il pointe vers l’arrière du plan,
le vecteur champ s’il pointe vers l’avant du plan.
→
B
q > 0
→
v
M
N
α
→
B
q < 0
→
v
M
N
α
→
u
→
u

2
La valeur de ce champ magnétique s'exprime dans le Système International en
tesla (symbole : T) :
sin
rvq
10B
2
7-
=
où r correspond à la longueur MN et où α
αα
α représente l’angle entre
→
v et
→
MN .
C - 3 - LES AIMANTS
Dans la matière, les atomes sont des porteurs de charges en mouvement. Si on
considère un point interne à un morceau de matière, le principe de superposition fait
que le champ magnétique en ce point est égal à la somme des champs créés par
chaque atome voisin.
Parce que, dans la très grande majorité des cas, ces champs atomiques sont
orientés dans une multitude de directions différentes, la somme de ces champs est
nulle. On dit alors que la matière n’est pas magnétique.
Par contre, dans la magnétite (matière qui constitue les aimants), les atomes créent
en un même point des champs magnétiques orientés de façon identique les uns par
rapport aux autres. Ceci permet d’observer à l’échelle macroscopique un champ
magnétique total non nul, dans et autour de cet aimant.
Exemple : différence de répartition des champs magnétiques atomiques dans le verre et la
magnétite.
Verre Magnétite
D’autre matériau tel que le fer, s’ils ne sont pas naturellement magnétiques, peuvent
par contre le devenir lorsqu’ils sont en présence d’un champ magnétique créé par un
aimant capable d’orienter dans la direction du champ les moments magnétiques
atomiques.
Temporairement ils deviennent des aimants, mais ils perdent très vite cette propriété
dès qu’ils ne sont plus sous l’influence d’un aimant.
C - 4 - MISE EN ÉVIDENCE D’UN CHAMP MAGNÉTIQUE
Comme dans le cas du champ électrique, on ne peut pas « voir » un champ
magnétique mais seulement observer ses effets. Donc il faut amener un deuxième
aimant qui sous l’influence du premier va s’orienter.
En chaque point
→
→→
→
B
total
≠
≠≠
≠
→
→→
→
0
En chaque point
→
→→
→
B
total =
→
→→
→
0

3
Les aiguilles aimantées (ou boussoles) sont des aimants droits dont la pointe
est un pôle nord.
Elles sont suffisamment légères pour pouvoir s’orienter dans le sens du
champ magnétique de l’endroit où elles se trouvent.
C’est le cas des deux aiguilles aimantées ci-dessous, qui se positionnent pôle nord
de l’une face au pôle sud de l’autre. Toutes les deux étant elles-mêmes sous
l’influence du champ magnétique terrestre.
Chaque aiguille s’oriente donc dans un champ magnétique de telle sorte que leur
pôle nord pointe dans la direction de ce champ.
Une aiguille aimantée indique la direction et le sens des lignes de champ et
pointe vers le pôle sud de l’aimant qui crée le champ magnétique.
C – 5 - LES LIGNES DE CHAMP DES AIMANTS
La particularité des lignes de champ magnétiques est qu’elles sont toujours
fermées sur elles-mêmes, en passant par l’intérieur de l’aimant.
Elles sont bien sûr orientées dans le sens du champ magnétique.
a) A IMANT DROIT
L'orientation du champ magnétique à l'intérieur d'un aimant droit fait que ses deux
extrémités peuvent se distinguer en :
- pôle Nord, extrémité de sortie du champ magnétique,
- pôle Sud, extrémité d'entrée du champ magnétique.
On repère habituellement le pôle nord d’un aimant par la couleur rouge.
Pôle NORD
Pôle SUD
Ligne de champ
magnétique terrestre
N
S

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b) A IMANT EN U
Dans l’entrefer d’un aimant en U, la limaille de fer et les aiguilles aimantées
montrent des lignes de champ parallèles les unes aux autres, ce qui met en
évidence un champ magnétique uniforme.
C - 6 – LE CHAMP MAGNÉTIQUE TERRESTRE
Le champ magnétique terrestre
→
T
B
est le fait de l'état et de la nature de la matière
située sous l'écorce terrestre soumise à l'effet de la rotation de la terre sur elle-
même.
A notre échelle, tout se passe comme si la terre était assimilable à un aimant droit
dont la direction (axe géomagnétique) est très proche de l'axe de rotation de la terre.
L’angle D que font ces deux axes s’appelle la déclinaison du champ magnétique.
L'aiguille aimantée d'une boussole pointe vers le nord géographique et nous
en déduisons donc que ce pôle nord géographique est en fait un pôle sud
magnétique.
On appelle méridien un plan vertical qui passe par les pôles Nord et Sud.
Mais les lignes de champ
magnétique de la terre ne sont
pas
celles d’un aimant droit.
Le voisinage d’autres corps
célestes magnétiques les rend
dissymétriques.
Direction du soleil
D

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En observant les lignes de champ magnétique terrestre, on voit que selon l’endroit
terrestre où l’on se trouve, une aiguille aimantée complètement libre de bouger
dans toutes les directions va s’orienter toujours dans un plan méridien
magnétique, sa flèche indiquant le nord, mais inclinée de façon différente par
rapport à l’horizontale.
A l’équateur, elle est pratiquement horizontale.
Dans l’hémisphère Nord, elle pointe vers le bas.
Dans l’hémisphère Sud, elle pointe vers le haut.
On considère donc que le champ terrestre
→
T
B
est :
- pratiquement contenu dans un plan méridien terrestre
- incliné par rapport à l'horizontale de façon différente selon le lieu considéré
- de valeur différente selon le lieu considéré.
En France la valeur moyenne du champ
→
T
B
est de l'ordre de 4,5.10 -5 T et ce
vecteur champ pointe vers le sol en faisant avec l'horizontale un angle i dit
d’inclinaison d'environ 64°, ce que montre une aiguille aimantée suspendue à
un fil.
On est donc conduit à considérer les deux composantes horizontale BH et
verticale BV du champ terrestre.
BH = 2.10 - 5 T BV = 4,1.10 - 5 T
Vous pouvez faire l’application directe n° 1 que vous
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trouverez dans le document «
rouverez dans le document «rouverez dans le document «
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III III
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- Les exercices et les
Les exercices et les Les exercices et les
Les exercices et les
corrigés
corrigés corrigés
corrigés » à la rubrique
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: Ex-EM-I-C (1-6)
Inclinaison de l’aiguille dans un plan
méridien vertical, dans l’hémisphère Nord
→
T
B