On remarque facilement que deux aimants peuvent s'attirer ou se repousser selon quels côtés on essaye de rapprocher.
Cela vient du fait qu'un aimant génère un champ magnétique \(\vec{B}\) autour de lui, qui va interagir avec le champ magnétique d'un autre aimant ou sur certains matériaux.
Ci-dessous une petite animation pour visualiser le champ magnétique.
source : phetcolorado
Mais d'où provient ce champ magnétique? On pourrait penser qu'il s'agit de "charges magnétiques Nord et Sud", par similitude avec les charges électriques. Cependant, si on coupe un aimant en deux, on obtient pas un pôle Nord et un pôle Sud, mais deux nouveaux aimants.
En 1819, le physicien Danois Hans Christian Oersted (1777-1851) plaça une boussole sous un fil électrique. Lorsque du courant circule dans le fil, la boussole change de direction.
De cette expérience, André Marie Ampère (1775-1836) montra alors qu’un champ magnétique est créé par des charges électriques en mouvement.
D'un point de vue microscopique, le mouvement des électrons explique la provenance du champ magnétique de certaines matières.
De manière plus générale, un courant \(I\) génère un champ magnétique \(\vec{B}\) dans son entourage. Voici quelques exemples.
Un fil infiniment long
Dans le cas d'un fil infiniment long traversé par un courant \(I\), le champ magnétique \(B\) à une distance \(r\) du fil est donnée par
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\[ B = \frac{\mu_0 \cdot I}{2 \pi r}\] Avec \(B\) le champ magnétique (T) \(\mu_0 = 4 \pi \cdot 10^{-7}\) la perméabilité magnétique du vide (Tm/A) \(I\) le courant circulant dans le fil (A) \(r\) la distance au fil (m) |
source : wikipedia
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La règle de la main droite, voir illustration, nous permet de savoir dans quel sens est le champ magnétique.
Une boucle de courant
Si le fil conducteur forme une boucle, le champ magnétique en son centre est donné par
\[ B = \frac{\mu_0 \cdot I}{2R}\]
avec \(R\) (m) le rayon de la boucle. La règle de la main droite nous donne le sens du champ magnétique.
Une bobine plate
Une bobine plate correspond à plusieurs boucles de courant superposées, sans épaisseur. Par l'addition des champs magnétiques, le champ magnétique totale au centre de la bobine plate est donné par
\[ B = \frac{\mu_0 \cdot N \cdot I}{2R}\]
Avec \(N\) le nombre de boucles.
Une bobine
De manière plus générale, des boucles formées les unes à côté des autres font qu'on obtient une bobine de longueur \(l\). Le champ magnétique à l'intérieur est alors donné par
\[B = \frac{\mu_0 \cdot N \cdot I}{\sqrt{4R^2 + l^2}}\]
Un solénoïde
Si la longueur de la bobine est beaucoup plus grande que son rayon, on obtient un solénoïde et le champ en son centre est donné par
\[B = \frac{\mu_0 \cdot N \cdot I}{l}\]
Force de Lorentz
Une particule chargée en mouvement dans un champ magnétique subit une force, la force de Lorentz, donnée par l'expression
\[ \vec{F} = q \vec{v} \wedge \vec{B}\]
\[ F = q \cdot v \cdot B \cdot \sin \theta \]
Avec
\(F\) la force de Lorentz (N)
\(q\) la charge de la particule (C)
\(v\) la vitesse de la particule (m/s)
\(B\) le champ magnétique (T)
La force de Lorentz a pour effet de faire tourner la particule en rond. Mais si une partie de la vitesse est le long du champ, la particule va aussi continuer d'avancer dans cette direction. On obtient alors une trajectoire hélicoïdale.
source : geogebra
Aurore polaire
Le vent solaire, des particules chargées, sont projetées vers la Terre. Le champ magnétique terrestre sert de bouclier de protection. En effet, ces particules sont principalement déviées loin de la Terre par le champ magnétique et la force de Lorentz. Cependant, certaines sont dirigées vers les pôles, ce qui donne lieu aux aurores polaires.
Pour aller plus loin