Introduction au magnétisme 1. Introduction Le magnétisme est déjà connu depuis l'antiquité. Le mot magnétisme vient du grec magnes, qui a probablement son origine dans l'ancienne colonie appelée Magnésie en Asie Mineure, où l'on extrayait un minerai à propriétés magnétiques, appelée pierre d'aimant, il y a environ 2500 ans. Cette pierre est un oxyde de fer (Fe 3 O 4 ), appelée magnétite. La première étude de la pierre d'aimant remonte à Thalès (vers 590 av. J.-C.). Les Chinois maîtrisaient l'art de fabriquer des aimants permanents en fer dur au début du second siècle av. J.-C. Jusqu'à 1800 environ, la seule source pratique de magnétisme était cette pierre noire de magnétite. C'est en 1820 qu'oersted découvrait par hasard que des charges électriques en mouvement produisent des champs magnétiques. Electricité et magnétisme sont donc étroitement liés, ce sont en fait deux manifestations d'un phénomène appelé électromagnétisme. 2. Propriétés des aimants! Les aimants attirent les corps en fer, nickel et cobalt, appelés ferromagnétiques, et viceversa.! Les propriétés magnétiques d'un barreau aimanté sont localisées surtout aux extrémités, appelées pôles magnétiques (notion introduite par Pierre De Maricourt en 1269).! Ces pôles magnétiques apparaissent toujours par paires, et ne sont pas identiques: on distingue le pôle nord (souvent peint en rouge) et le pôle sud (souvent peint en vert). Le pôle nord d un aimant se dirige vers le nord géographique, tandis que le pôle sud d un aimant se dirige vers le sud géographique.! Jusqu'à présent, malgré une énorme recherche scientifique, aucun monopôle magnétique n'a pu être détecté.! Des pôles identiques se repoussent, tandis que des pôles différents s'attirent. Ainsi le pôle nord géographique de la Terre correspond à un pôle sud magnétique!!! Sur les corps ferromagnétiques par contre, les aimants peuvent seulement exercer des forces attractives.! Au voisinage d'un aimant, les corps ferromagnétiques s'aimantent, et deviennent eux-mêmes aimants. introduction au champ magnétique page 1
3. Le modèle magnétique! Les corps ferromagnétiques sont constitués de microaimants, présentant une interaction à grande distance, qui les aligne à grande échelle. Les microaimants trouvent leur origine au niveau sub-atomique : en effet, l électron lui-même se comporte comme aimant dipolaire! Dans l'état normal, ces microaimants sont en désordre. Si ces microaimants microscopiques sont alignés, alors le corps devient magnétique à l'échelle macroscopique.! Lorsque l'on coupe un aimant en 2, on obtient deux aimants, chacun ayant 2 pôles:! Pour désaimanter un corps aimanté, il faut rompre l'ordre des microaimants. On y arrive - en chauffant fortement - par des chocs forts. 4. Champ magnétique! Un aimant exerce sur les corps ferromagnétiques des forces à distance.! Ainsi un aimant crée dans une région qui l'entoure ce qu'on appelle un champ magnétique. On dit qu un champ magnétique existe dans une portion d espace, lorsqu'un corps ferromagnétique y subit une force. Définition: On dit qu un champ magnétique règne dans une région, lorsque des forces magnétiques sont exercées sur un objet approprié. introduction au champ magnétique page 2
! Le champ magnétique est caractérisé par son vecteur champ magnétique B. Le vecteur champ magnétique a les caractéristiques suivantes : o direction : celle d une aiguille magnétique placée en ce point o sens : celui qui va du pôle Sud vers le pôle Nord de l aiguille. o intensité : l intensité de la force exercée sur l aiguille augmentée augmente avec l intensité du champ magnétique. L unité du champ magnétique est le tesla [ B] = T en l honneur du génial et mystérieux physicien croate Nikolaus Tesla (1856-1943).! Le tableau suivant donne des ordres de grandeurs de quelques champs magnétiques introduction au champ magnétique page 3
! Les champs magnétiques étant des grandeurs vectorielles, le champ magnétique B résultant de la superposition de plusieurs champs magnétiques B i s obtient en faisant la somme vectorielle des champs individuels : B =! Bi 5. Lignes de champ et spectres magnétiques! On appelle ligne de champ une ligne qui, en chacun de ses points, est tangente au vecteur champ magnétique B en ce point.! Les lignes de champ permettent de visualiser la force exercée par le champ magnétique sur le pôle nord d un aimant.! L'ensemble des lignes de champ est appelé spectre magnétique.! Les lignes de champ sortent par le pôle Nord de l aimant, et y pénètrent par le pôle Sud.! Dans un champ uniforme, les lignes de champ sont parallèles!! On peut visualiser les spectres magnétiques par des grains de limaille de fer. Ces grains de limaille de fer s'aimantent dans un champ magnétique: un pôle nord attire un pôle sud, de façon que les grains voisins se disposent en lignes.! Visualisation de quelques spectres : aimant droit introduction au champ magnétique page 4
aimant en U conducteur rectiligne source: www.al.lu/physics (M. Mousset) introduction au champ magnétique page 5
bobine plate solénoide introduction au champ magnétique page 6
6. Champ magnétique terrestre cf feuilles en annexe! La Terre est source d un champ magnétique : le champ magnétique terrestre. Ce champ est dû à des mouvements de convection à l intérieur de la Terre. Le champ magnétique terrestre varie lentement avec le temps : ainsi il s est complètement inversé environ 300 fois au cours des dernier 170 millions d années (et la dernière fois il y a 30000 ans).! Le spectre du champ magnétique terrestre ressemble à celui d un aimant droit, placé au centre de la Terre et incliné de 11.5 par rapport à l axe de rotation de la Terre, dans le plan du méridien 70 -ouest! Le champ magnétique terrestre n est ni horizontal, ni vertical : au Luxembourg, le vecteur B fait un angle de 65 avec l horizontale. Cet angle est appelé angle d inclinaison i. B h i B h = 20 µt = 2!10-5 T S B h 1 N B v B i = 65! On appelle méridien magnétique le plan vertical qui contient le vecteur champ magnétique B (et donc aussi B h)! Les Chinois du 11 ième siècle avaient déjà remarqué que l aiguille d une boussole ne s aligne pas exactement avec la direction Nord-Sud. On appelle déclinaison magnétique l angle formé par l aiguille aimantée et la direction nord-sud. Elle dépend du lieu. introduction au champ magnétique page 7
7. Champ créé par un solénoïde (du grec : «solen»=tube)! Un solénoïde est une bobine longue et étroite : sa longueur est au moins 10 fois plus grande que son rayon.! A l intérieur d un solénoïde, le champ magnétique est uniforme. Le vecteur B est parallèle à l axe du solénoïde et son sens s obtient par la règle de la main droite : les doigts sont pliés dans le sens du courant électrique, le pouce indique le sens du champ magnétique.! L intensité B du champ magnétique à l intérieur du solénoïde s écrit (cf TP) : N B = µ 0! n! I = µ 0!! I L avec! 7 µ 0 = 4# " 10 SI = perméabilité du vide N = nombre de spires L = longueur de la bobine I = intensité du courant parcourant la bobine introduction au champ magnétique page 8