CHAPITRE 14. CHAMP MAGNETIQUE

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1 CHAPITRE 14. CHAMP MAGNETIQUE 1. Notion de champ Si en un endroit à la surface de la Terre une boussole s'oriente en pointant plus ou moins vers le nord, c'est qu'il existe à l'endroit où elle se trouve, une grandeur physique appelée champ magnétique qui "informe" la boussole de l'orientation à prendre. Si on approche un aimant de cette boussole l'orientation de celle-ci change, l'aimant est donc également une source de champ magnétique. Enfin, si nous plaçons la boussole à proximité d'un conducteur parcouru par un courant électrique, nous pouvons encore observer une déviation de l'aiguille. La Terre, un aimant, et un courant électrique sont donc des sources de champs magnétiques. La boussole qui en révèle la présence sera appelée témoin du champ. 2. Vecteur champ magnétique Comme la boussole plongée dans un champ magnétique prend une orientation particulière, le champ magnétique sera également une grandeur orientée. Le champ magnétique pouvant également varier en intensité, il sera représenté par un vecteur noté B. L'orientation du vecteur champ est définie à partir de la boussole (témoin): la direction est celle de la droite passant par les deux extrémités de l'aiguille, le sens va du pôle sud vers le pôle nord de la boussole. Figure Orientation du vecteur champ magnétique. La ligne de champ magnétique (qui peut être matérialisée à l'aide de limaille de fer) est une ligne qui est telle qu'en chacun de ses points le vecteur champ magnétique lui est tangent. Figure Le vecteur champ magnétique est tangent à la ligne de champ. A partir du spectre des lignes de champ, on peut avoir une idée assez précise du vecteur champ magnétique. En effet, celui-ci est tangent à la ligne de champ, a le même sens que la ligne de champ et est d'autant plus intense que la densité des lignes de champ est grande. 4. Aimants sources de champs 3.1. Aimant droit Si l'on place une boussole à proximité d'un aimant droit, le pôle nord de celle-ci s'oriente en direction du pôle sud de l'aimant. Le champ magnétique allant du pôle sud vers le pôle nord de la boussole, il est orienté du pôle nord de l'aimant vers le pôle sud de celui-ci. Comme le montre la figure (14.3), les lignes de champ rejoignent les deux pôles de l'aimant et sont orientées du pôle nord vers le pôle sud. Le champ magnétique est plus intense au niveau des pôles. L'intensité du vecteur champ magnétique se mesure en tesla (T) à l'aide d'un instrument appelé teslamètre. Le tesla, unité du champ magnétique, sera définie ultérieurement. 3. Représentations du champ magnétique Deux représentations du champ magnétique sont couramment utilisées. Le tracé d'un grand nombre de vecteurs champ au voisinage de la source. Le tracé tracé des lignes du champ. Figure Champ magnétique au voisinage d'un aimant droit. Physique 5 e (2 3 p./sem.) - Chapitre 14 Page 1/5

2 3.2. Aimant en forme de U Lorsqu'on replie un aimant droit on obtient un aimant en U. La particularité de cet aimant est de présenter un champ magnétique uniforme entre les deux branches du U. Dans cette région le vecteur champ magnétique présente en tout point la même direction (perpendiculaire aux branches), le même sens (du pôle nord vers le pôle sud) et la même intensité. Figure Détermination du sens du champ magnétique autour d'un courant. Si on veut représenter les lignes de champ dans le plan, comme sur la figure (14.7), il faut utiliser les conventions suivantes : représente un vecteur perpendiculaire au plan, sortant de celui-ci (il faut penser à la pointe d une flèche), tandis que Figure Champ magnétique au voisinage d'un aimant en forme de U. représente un vecteur perpendiculaire au plan, rentrant dans celui-ci (plumes d une flèche). 5. Courants électriques sources de champ 5.1. Conducteur rectiligne Au début du 19e siècle, un professeur et physicien danois, Hans Christian Oersted découvre par hasard un lien entre le courant électrique et le champ magnétique. Lorsqu'un conducteur rectiligne est parcouru par un courant, il apparaît autour de celui-ci un champ magnétique dont les lignes de champ sont des cercles centrés sur le conducteur et incluses dans des plans perpendiculaires au conducteur. Figure Champ magnétique au voisinage d'un conducteur rectiligne parcouru par un courant (vue en plan). Le symbole au centre des cercles indique que le courant sort de la feuille à gauche et entre dans la feuille à droite. L'intensité B (exprimée en T) du champ magnétique dépend de l'intensité I (exprimée en A) du courant dans le conducteur et de la distance d (exprimée en m) par rapport à ce dernier selon la relation B= 0 I 2 d (14.1) o ù 0 est un paramètre appelé perméabilité magnétique du vide. Dans le vide, l'air ou les gaz ce paramètre est constant est égal à Figure Champ magnétique au voisinage d'un conducteur rectiligne parcouru par un courant. 0 = T m A 1 (14.2) Le sens des lignes de champ peut être trouvé à l'aide de la main droite. En orientant le pouce dans le sens du courant, les autres doigts donnent le sens des lignes de champ. Physique 5 e (2 3 p./sem.) - Chapitre 14 Page 2/5

3 5.2. Conducteur formant un solénoïde Si on plie un conducteur de manière à former une boucle, on observera un champ magnétique tant que ce fil est parcouru par du courant. A l intérieur de la boucle, chaque portion du fil va contribuer à engendrer un champ magnétique dans la même direction et dans le même sens. Figure Détermination du sen du champ magnétique intérieur au solénoïde. Figure Boucle de courant et champ magnétique induit. Au centre de la boucle, le champ est «rentrant». En plaçant plusieurs boucles l une derrière l autre, on pourra renforcer cet effet. Si on enroule un fil en hélice, en forme de cylindre, on obtient ce qu on appelle un solénoïde. Comme le montre la figure (14.9), le champ magnétique au voisinage d'un solénoïde parcouru par un courant est semblable a celui d'un aimant droit. La face du solénoïde qui correspond au pôle nord (respectivement sud) de l'aimant, porte le nom de face nord (respectivement sud). On constate qu'à l'intérieur d'un solénoïde, le champ magnétique est orienté de la face sud vers la face nord, contrairement à l'extérieur de celui-ci. A l'intérieur du solénoïde suffisamment long par rapport au diamètre des spires, le champ est pratiquement uniforme. L'intensité B de celui-ci (exprimée en T) dépend de l'intensité I du courant (exprimé en A), du nombre N de spires et de la longueur l du solénoïde (exprimée en m) selon la relation B= N I l (14.3) o ù est un paramètre appelée perméabilité magnétique. La valeur de ce paramètre dépend de la nature du noyau sur lequel est enroulé le conducteur. Pour caractériser la perméabilité magnétique d'un matériau, on a défini la perméabilité magnétique relative r c.à.d. le rapport entre la perméabilité magnétique du milieu et celle du vide 0 r = 0 (14.4) On distingue trois types de matériaux La matériaux paramagnétiques pour lesquels r 1. Ces matériaux ont pratiquement le même effet sur le champ que le vide. C'est le cas de l'air, des gaz en général, du cuivre, de l'aluminium, de la terre, et d'autres matériaux. Figure Sens du champ magnétique au voisinage d'un solénoïde parcouru par un courant. Pour déterminer le sens du champ magnétique à l'intérieur d'un solénoïde, on utilise la main droite. Comme l'illustre la figure (14.10), le pouce indique le sens du champ magnétique à l'intérieur du solénoïde et les autres doigts le sens du courant électrique. Les matériaux ferromagnétiques pour lesquels r 1. Ils ont la capacité d'amplifier le champ créé par le courant. C'est le cas du fer, du nickel, du cobalt... Pour ces matériaux la valeur de r n'est pas constante et dépend de l'intensité du champ en l'absence de noyau. Elle peut valoir plusieurs centaines. Enfin les matériaux diamagnétiques pour lesquelles r 1 ont pour effet de réduire le champ magnétique. Physique 5 e (2 3 p./sem.) - Chapitre 14 Page 3/5

4 6. Champ magnétique terrestre 6.1. Description du champ magnétique terrestre A la surface de la Terre, suspendue par son centre de gravité à un fin fil très souple, l'aiguille d'une boussole s'oriente en tournant non seulement autour d'un axe vertical mais également autour d'un axe horizontal. Pour décrire l'orientation du champ magnétique terrestre à la surface du globe, on utilise deux angles, la déclinaison et l'inclinaison. L'analyse de l'aimantation des roches au niveau du rift (où la couche terrestre s'amincit) montre que le ch amp magnétique a ch angé plus ie urs f ois d'orientation dans l'histoire de la Terre. Le phénomène d'inversion n'est pas périodique. Figure Inclinaison (i) et déclinaison (d) du champ magnétique terrestre. En un point de la surface de la Terre, la déclinaison (d) est l'angle formé par le vecteur champ magnétique et le plan contenant le méridien passant par le point, l'inclinaison (i) est l'angle formé par le vecteur champ et le plan horizontal passant par le point. Figure Origine du champ magnétique terrestre. 7. Modèle de l'aimantation d'ampère Chaque atome qui constitue la matière est composé d'un noyau autour duquel tournent des électrons. Un électron «gravitant» autour d'un noyau peut être considéré comme un courant électrique circulaire, une boucle de courant. Cette boucle de courant crée un champ magnétique à l'échelle microscopique Origine du champ magnétique terrestre Même si le champ magnétique terrestre présente des petites perturbations locales, dans l'ensemble le spectre des l ignes de c hamp c orrespond sensiblement à celui d'un aimant droit ou à celui d'une boucle de courant, comme le montrent les figures (14.12). En raison de la température élevée de l'intérieur de la Terre, le champ magnétique terrestre ne peut pas être du à une aimantation permanente de la matière qui la compose. Le champ magnétique terrestre trouve son origine dans l'existence de courants électriques circulaires engendrés par les mouvements convectifs du magma liquide abondant à l'intérieur de la Terre. Figure Modèle de l'aimantation d'ampère. Physique 5 e (2 3 p./sem.) - Chapitre 14 Page 4/5

5 Dans la matière non aimantée, l'orientation des champs magnétiques engendrés par les atomes est aléatoire et donc, à grande échelle, le champ magnétique résultant est nul. Dans la matière aimantée, l'orientation des champs engendrés par les atomes présente une direction privilégiée et donc, à grande échelle il en résulte un champ magnétique parfois intense. Si l'on chauffe intensément un barreau aimanté, l'orientation privilégiée des champs atomiques disparaît et donc l'aimantation du barreau. Les matériaux ferromagnétiques tels que le fer présentent un aimantation importante lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique extérieur, car les champs magnétiques atomiques s'orientent dans le même sens que celui-ci. Pour cette raison, il intensifie le champ. Ils sont utilisés, entre autres, dans la réalisation d'électroaimants. Finalement, tout champ magnétique a pour origine le courant électrique et donc le mouvement de particules chargées. Physique 5 e (2 3 p./sem.) - Chapitre 14 Page 5/5

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