Champ magnétique - Cours de Physique Chimie Première avec Maxicours

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Champ magnétique

Objectif(s)
Étudier le champ magnétique crée par un aimant ou des bobines.
Voir les propriétés d’un champ magnétique.
Montrer comment générer un champ magnétique uniforme.
Décrire le magnétisme terrestre et ses caractéristiques.
Dans la Grèce Antique, il avait été observé par un berger du nom de Magnes qu’un matériau, la magnétite, attirait le fer. Ce berger vivait dans la cité de Magnésie. Ce nom a plus tard formé le mot magnétisme. Les premières applications du magnétisme concernent la boussole, inventée par les Chinois. Par la suite, cet instrument fut utilisé par les navigateurs afin de s’orienter grâce au magnétisme terrestre. Actuellement, les champs magnétiques trouvent diverses applications importantes, comme les moteurs et alternateur électriques, les IRM en médecine, les plaques chauffantes à induction, la lévitation magnétique, la compréhension des aurores boréales...
1. Comment est produit un champ magnétique
a. Les aimants permanents
Les aimants permanents sont composés de matériaux, comme la magnétite , qui ont la faculté de conserver une aimantation de manière permanente. Un aimant crée un champ magnétique. Expérimentalement, la limaille de fer permet de visualiser ses lignes de champ.

 
 
Un aimant dispose de deux pôles, le pôle Nord et le pôle Sud. Chacun a la propriété d’attirer le fer. Des pôles identiques se repoussent, et des pôles différents s’attirent.


Les pôles magnétiques vont toujours par paires. Il n’existe pas de « monopôle magnétique », ou du moins leur existence n’a pas encore été totalement confirmée expérimentalement…
b. Déplacement de charges électriques
Des charges électriques en mouvement génèrent aussi des champs magnétiques. Pour un fil rectiligne dans lequel circule un courant électrique d’intensité I, le champ magnétique, noté traditionnellement , présente des lignes de champ circulaires.

La norme B du champ magnétique décroît en , avec r la distance qui nous sépare du fil. D’autre part, B est proportionnel à I.
c. Unité de mesure et ordres de grandeur
Un champ magnétique s’exprime en Tesla, dont le symbole est T.
• En travaux pratiques les champs produits sont souvent exprimés en milli-Tesla (mT). Ils se mesurent avec un Teslamètre.
• Les appareils IRM (Imagerie par résonance magnétique) permettent une imagerie médicale basée sur les champs magnétiques. Ils peuvent atteindre plusieurs Teslas.
• Dans le domaine de la Recherche, on peut atteindre plusieurs dizaines, centaines, ou même quelques milliers de Tesla, mais pendant des courtes durées.
• Certains objets stellaires (étoiles à neutrons) peuvent atteindre des champs de , ou même .
2. Les bobines
Afin que le champ magnétique généré par le fil soit « exploitable », il faut des lignes de champ rectilignes, au moins localement. Le fil doit alors être disposé sous la forme d’un enroulement circulaire. Pour démultiplier l’intensité du champ, on fera plusieurs boucles (plusieurs spires). Cela constitue une bobine. Le champ magnétique produit par une bobine a l’allure suivante :


Les lignes de champ vont du pôle Nord vers le pôle Sud à l’extérieur de la bobine (ou d’un aimant). Par contre, c’est le contraire à l’intérieur de la bobine.

Pour associer le sens de rotation du courant I aux pôles Nord et Sud d’une bobine, il existe plusieurs méthodes, dont en voici une :

On prend un stylo qui se visse. On le dévisse … la rotation représente le sens de rotation du courant I. La partie en rotation va aussi se décaler selon l’axe du stylo. Ce mouvement d’avance correspond au sens des lignes de champ sortant de la bobine, par le pôle Nord !
3. Création d'un champ magnétique uniforme
Dans des expériences liées à la physique, chimie, biologie, on peut avoir besoin d’avoir un champ magnétique uniforme. On a deux possibilités :
a. Le solénoïde
Un solénoïde est une bobine dont la longueur L est plus longue (d’un facteur 10) par rapport à son rayon R. La figure ci-après montre les lignes de champ en 3D.
A l’intérieur du solénoïde, le champ est uniforme. Sa norme B pour un solénoïde comportant N spires est donnée par la relation :

I est en Ampère, L en mètre, N est sans dimension, B est en Tesla, est la perméabilité du vide, dont la valeur reste valable pour l’air.
b. Les bobines de Helmholtz
Les bobines de Helmholtz sont constituées de deux bobines identiques parcourues par un même courant, dans le même sens. Elles sont disposées parallèlement l’une de l’autre, à une distance égale à leur rayon. Le champ magnétique produit entre les deux bobines est uniforme.


4. Le champ magnétique terrestre
Le noyau terrestre est composé de fer. Dans sa partie externe, ce fer est fluide. Les mouvements de celui-ci sont responsables de la génération du champ magnétique terrestre. La Terre se comporte comme un aimant géant, présentant deux pôles : le pôle Nord et le pôle Sud magnétique. L’aiguille Nord d’une boussole, comme tout aimant, est attirée par un pôle Sud. En conséquence, l’aiguille Nord d’une boussole indique le pôle Sud magnétique !

 

D’autre part, les pôles géographiques (liés à l’axe de rotation de la Terre) et les pôles magnétiques ne sont pas situés au même endroit. Les pôles magnétiques sont d’ailleurs mobiles au cours du temps ! Le pôle Sud magnétique (pointée par la boussole) se trouve actuellement à environ 600 km du pôle Nord géographique. On appelle déclinaison D l’angle mesuré en un lieu donné entre les deux.
 

Comme indiqué par le croquis, les lignes de champ ne sont pas parallèles à la surface terrestre. Le champ magnétique terrestre est formé par deux composantes : une composante horizontale , dont se sert la boussole, et une composante verticale . On a .


L’angle d’inclinaison i entre et l’horizontale est tourné vers le sol dans l’hémisphère Nord, et vers le ciel dans l’hémisphère Sud. En France, est de l’ordre de , et l’angle d’inclinaison i est voisin de 64 °.

Le champ magnétique terrestre s’ajoute aux champs créés par les autres sources que nous pouvons employer en Travaux Pratiques, par sommation vectorielle. Cependant, la plupart du temps, il est négligeable.
L'essentiel
Les aimants permanents et le déplacement de charges électriques produisent un champ magnétique . Ce champ se mesure avec un teslamètre et s’exprime en Tesla.

Une bobine est constituée d’un enroulement de fil conducteur, et génère un champ magnétique exploitable en Travaux Pratiques. Comme un aimant, une bobine présente un pôle Nord et un pôle Sud. Les lignes de champ magnétique vont du pôle Nord au pôle Sud à l’extérieur de la bobine. Par contre, à l’intérieur, elles vont du Sud vers le Nord.

Un solénoïde est une bobine dont la longueur dépasse 10 fois son rayon. Le champ à l’intérieur de cette bobine est uniforme et sa norme B est donnée par la relation :
.

La Terre se comporte comme un aimant, muni de deux pôles : le pôle Nord et le pôle Sud magnétique. Le champ magnétique terrestre  varie selon le lieu où on le mesure. On a , où est sa composante horizontale dont les boussoles sont sensibles, et  sa composante verticale.
Aller plus loin
Les oiseaux migrateurs sont sensibles au champ magnétique terrestre et s’en servent pour trouver leur chemin lors de leur flux migratoires. D’autre part, le champ magnétique terrestre constitue la magnétosphère. C’est une sorte d’écran qui dévie le vent solaire, composé de particules chargées. Une faille de ce « bouclier » est de temps en temps au niveau des pôles, ce qui forme les aurores boréales. Sans la magnétosphère, le vent solaire présenterait un danger pour la vie sur Terre.

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