1
Magn´
etostatique
Forces magn´
etiques
•Force de Lorentz La force agissant sur une particule de charge qmobile `a la vitesse −→
vdans un champ ´electro-magn´etique (−→
E , −→
B)
(−→
Bcr´e´e par toutes les autres charges que q) vaut −→
F=q(−→
E+−→
v∧−→
B
•´
El´
ement de courant Soit un ´el´ement de longueur dld’un circuit Corient´e dans le mˆeme sens que le courant Iqui circule dans C.
On appelle ´
el´
ement de courant le vecteur −→
dC=I−→
dl
•Loi (force) de Laplace Soit un ´el´ement de longueur dld’un conducteur parcouru par Iconstant. La force de Laplace subie par dl
vaut (dans le cas o`u −→
Bne varie pas trop le long de dl) : −→
dF=−→
C∧−→
B=I−→
dl∧−→
BOn d´eduit de cette expression que :
–−→
dFest perpendiculaire au plan form´e par −→
dlet −→
B;
– le tri`edre (−→
dF , −→
dl, −→
B)est direct;
– le module de la force ´el´ementaire de Laplace vaut dF=IdlB sin αo`u αest l’angle form´e par −→
dlet −→
B;
– la force de Laplace ´el´ementaire a bien un sens : il est possible d’isoler un ´el´ement de circuit dlle long duquel −→
Breste constant, et de
mesurer la force ´el´ementaire agissant dessus.
•Densit´
e de courant Soit ρla densit´e volumique de charges mobiles contenues dans l’´el´ement de conducteur dV=Sdl. La charge
mobile et la densit´e volumique de charges mobiles sont reli´es par ρ=dQ
dVet on d´efinit la densit´
e de courant −→
j=ρ−→
v(avec −→
v
vitesse moyenne des porteurs de charge mobiles suppos´ee uniforme dans dV). On a donc aussi −→
j=dQ
dV
−→
v
On peut ´ecrire la relation I−→
dl=−→
vdQcar I=dQ
dtet donc −→
vdQ=−→
v Idt=I−→
dl. Autrement dit, une charge dQen mouvement est
´
equivalente `
a un ´
el´
ement de courant I−→
dl.
•Densit´
e volumique de force magn´
etique (i.e. de force de Laplace) En utilisant la densit´e de courant, on a donc −→
dF=I−→
dl∧−→
B=
−→
vdQ∧−→
Bd’o`u −→
dF= (−→
j∧−→
B) dV
La quantit´e
−→
dF
dV=−→
j∧−→
Best appel´ee densit´
e volumique de force man´
etique.
Champ magn´
etique
•Loi de Biot et Savart Le champ magn´etique ´el´ementaire d−→
Bcr´e´e par un ”´el´ement de courant” I−→
dlen Mvaut
−→
dB=µ0
4πI−→
dl∧
−−→
P M
P M3=µ0
4πI
−→
dl∧−→
u
P M2avec µ0= 4π10−7SI (ou H·m−1) : perm´
eabilit´
e magn´
etique absolue du vide.
−→
dBest un vecteur axial!
Physiquement, le champ magn´etique ´el´ementaire −→
dBcr´e´e par un ´el´ement de courant Idln’a aucun sens! En effet, il est impossible
d’isoler un tel ´el´ement Idlet de mesurer le champ ´el´ementaire −→
dB: il existe toujours des fils de d´epart et d’arriv´ee en dlqui cr´eent un
champ qui se superposent `a −→
dB. Seul a donc un sens physique le champ total cr´e´e par un circuit macroscopique.
•Champ cr´
e´
e par une charge en mouvement On a vu qu’une charge qanim´ee d’un mouvement de vitesse −→
vest ´equivalent `a un
´el´ement de courant I−→
dl:q−→
v=I−→
dl, d’o`u le champ cr´e´e en un point Mde l’espace par la charge qplac´ee au point Panim´ee d’une
vitesse −→
v:−→
B=µ0
4π
q−→
v∧−−→
P M
P M3
NB : Pour une charge seule, k−→
Bkest extrˆemement faible...
•D´
efinition de l’amp`
ere L’amp`ere est d´efini comme l’intensit´e du courant qui doit circuler dans le mˆeme sens dans deux fils rectilignes
infinis parall`eles plac´es `a une distance a= 1 m l’un de l’autre tels qu’une portion de fil de longueur l= 1 m cr´ee un champ magn´etique
−→
Bdonnant naissance sur l’autre fil `a une force de Laplace dont le module est ´egal `a 2·10−7N. (Ce qui revient `a prendre µ0= 4π·10−7
SI exactement.)
N.B. : µ0= 4π·10−7N·A−2.
2
•Th´
eor`
eme d’Amp`
ere Sur un contour ferm´e Cenlac¸ant un certain nombre de fils de courants et orient´e. On oriente la nor-
male `a Cconform´ement `a l’orientation de Cet on compte positivement les courants qui ont mˆeme sens que cette normale. Alors
I(C)
−→
B .−→
dl=µ0X
C
εiIio`u εi=±1selon l’orientation du courant Ii.
•Conservation du flux magn´
etique Le champ magn´etique −→
Best `a flux conservatif, i.e. le flux de −→
B`a travers toute surface ferm´ee S
est nul : ZZS
−→
B .−→
dS= 0 , ce qui se traduit par l’´equation locale : div −→
B= 0 .
•Potentiel vecteur du champ magn´
etique Comme div (−→
rot −→
f) = 0 quel que soit le champ −→
f, il existe un vecteur −→
Adit potentiel
vecteur du champ magn´
etique, d´efini `a un gradient pr`es (car −→
rot (−−→
grad f) = −→
0pour toute fonction f) tel que −→
B=−→
rot −→
AOn a
l’expression ´el´ementaire −→
dA=µ0I−→
dl
4πr Pour un circuit filiforme, on obtient −→
Aen int´egrant : −→
A=µ0I
4πI(C)
−→
dl
P M
Enfin, on a div −→
A= 0 :jauge de Coulomb, et donc −→
rot −→
B=−∆−→
A.
•Expression locale du th´
eor`
eme d’Amp`
ere On a −→
rot −→
B=µ0
−→
jet pour le potentiel vecteur : ∆−→
A+µ0
−→
j=−→
0
Dipˆ
ole magn´
etique
•circuit filiforme dans un champ magn´
etique constant Soit (C)un circuit filiforme ferm´e (boucle de courant) parcouru par un
courant Iplac´e dans un champ magn´etique ext´erieur −→
Buniforme. La force de Laplace agissant sur (C)vaut −→
F=I(C)
−→
dF=
I(C)
I−→
dl∧−→
B=I I(C)
−→
dl!∧−→
B=−→
0car l’int´egrale est nulle (contour ferm´e). Ainsi : le torseur des forces de Laplace agissant sur
un circuit ferm´
e plac´
e dans un champ −→
Bext´
erieur uniforme est ´
equivalent `
a un couple.
•Moment magn´
etique Le moment magn´
etique d’une boucle de courant (C)de surface Sest −→
M=I−→
S(en A·m2).
C’est un vecteur axial!
•Couple exerc´
e sur une boucle de courant par un champ magn´
etique constant La force de Laplace s’exerc¸ant sur la boucle (C)
´etant nulle, on a un couple Γ0=−→
M ∧ −→
B.
NB : Cas d’un circuit non filiforme. Dans ce cas, on d´ecompose le circuit en circuits filiformes et l’on somme sur cette d´ecomposition
en utilisant l’identit´e I−→
dl=−→
jdV.
•Champ magn´
etique `
a grande distance cr´
e´
e par un dipˆ
ole magn´
etique On admet que le potentiel vecteuracr´e´e `a grande dis-
tance par un dipˆole magn´etique de moment magn´etique −→
Mvaut −→
A=µ0
4π
−→
M ∧ −→
r
r3et le champ magn´etique vaut (en coordonn´ees
sph´eriques) : Br=µ0Mcos θ
2πr3Bθ=µ0Msin θ
4πr3Bϕ= 0 On peut mettre le champ sous la forme intrins`eque (cf. moment dipo-
laire) : −→
B=µ0
4π
3(−→
M.−→
v ur)−→
v ur −−→
M
r3.
Remarque : comparaison des dipˆ
oles ´
electrostatique et magn´
etostatique. Les expressions des composantes radiales et orthoradiales `a
grande distance des champs −→
Eet −→
Bissus de dipˆoles ont les mˆemes formes, ce qui permet d’affirmer que les cartes des champs `
a grande
distance seront les mˆemes. Cependant, `a courte distance (au voisinage du dipˆole, i.e. entre les charges ´electrostatiques ou dans la boucle
magn´etique), les topographies sont radicalement diff´
erentes. On retrouve le fait que les lignes de champ −→
Evont d’une charge `a l’autre
tandis que les lignes de champ −→
Bpassent dans la spire sans jamais toucher le courant.
a. Unique sous la condtion de jauge de Lorentz, qui se simplifie en magn´etostatique en div
−→
A= 0.
•Action d’un champ magn´
etique uniforme sur un dipˆ
ole Elle est donn´ee par la relation Γ = −→
M ∧ −→
B(`a grande distance), qui
caract´erise l’action d’un champ ext´erieur sur un dipˆole.
•´
Energie potentielle d’un dipˆ
ole magn´
etique dans un champ ext´
erieur uniforme On a Ep=−−→
M.−→
BEn cons´equence, le travail
des forces magn´etiques pour un dipˆole se d´eplac¸ant d’une r´egion o`u le champ est −→
B1en une r´egion o`u le champ est −→
B2vaut W=
−−→
M.(−→
B1−−→
B2).
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