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.
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…
, 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.
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.
, 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 
.
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 !
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.
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.
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.
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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