Les champs magnétiques

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Tests

Les aimants exercent une force sur la matière qui les entoure : ils attirent les objets en fer, les pôles identiques de deux aimants se repoussent tandis que les pôles opposés s'attirent, l'aiguille aimantée de la boussole est attirée vers le pôle Nord…
Nous allons étudier ces effets en introduisant la notion de champ, qui traduit l'existence d'une propriété de l'espace invisible, mais bien réelle.

1. Propriétés

• La présence d'un aimant modifie les propriétés de l'espace qui l'entoure : on dit qu'il crée un champ magnétique.
Une petite aiguille aimantée permet de visualiser la direction et le sens du champ.
Le champ magnétique ${\vec B}$ en un point est une grandeur vectorielle qui a pour caractéristiques :

direction : celle de l'aiguille aimantée placée en ce point ;
sens : du pôle sud vers le pôle nord de cette aiguille ;
norme : valeur du champ B (unité : tesla (T) ; instrument de mesure : teslamètre).

Le pôle nord de l'aiguille aimantée est sa pointe (ou sa partie rouge) ; le vecteur champ magnétique « sort » donc par le pôle nord d'un aimant.

• On dit qu'un champ magnétique est uniforme dans une région de l'espace si le vecteur champ ${\vec B}$ a même direction, même sens et même valeur en tout point de cette région.
Test n°1

2. Création de champs magnétiques

• Il existe trois origines possibles à un champ magnétique :

le champ magnétique terrestre (sa composante horizontale est d'environ 20 μT en France ; il est similaire au champ que créerait un aimant droit dont le pôle sud magnétique serait… non loin du pôle Nord géographique !) ;
la présence d'un aimant (champ de quelques mT à quelques centaines de mT) ;
le passage d'un courant électrique (champ jusqu'à plusieurs T) .

• Lorsque deux sources de champ magnétique s'exercent simultanément en un point, alors le champ ${\vec B}$ en ce point est la somme vectorielle des champs magnétiques ${\vec B_1 }$ et ${\vec B_2 }$ que créerait chaque source isolément : ${\vec B = \vec B_1 + \vec B_2 }$ .
Test n°2 Test n°3

3. Lignes de champ

• Une ligne de champ est une courbe tangente en tout point au vecteur ${\vec B}$ , orientée dans le sens de ce vecteur.
Les lignes de champ magnétique se referment sur elles-mêmes (éventuellement à l'infini).

• Le spectre magnétique est l'ensemble des lignes de champ situées dans un plan donné. On peut le visualiser en saupoudrant de la limaille de fer ou par de nombreuses aiguilles aimantées.

• Lorsque le champ magnétique est uniforme, les lignes de champ sont parallèles.

Zoom
Spectre d'un aimant droit

Zoom
Spectre d'un aimant en U

Zoom
Spectre d'un fil rectiligne

Zoom
Spectre d'une bobine plate

Zoom
Spectre d'un solénoïde

Test n°4 Test n°5

4. Champs magnétiques créés par des courants électriques

• Dans un fil rectiligne
Les lignes du champ magnétique créé par le passage d'un courant continu dans un fil rectiligne sont des cercles concentriques perpendiculaires au fil.
La valeur du champ magnétique créé en un point M est proportionnelle à l'intensité du courant.
Le sens du champ ${\vec B}$ est donné par la règle de la main droite : si le pouce indique le sens du courant dans le fil, les autres doigts s'enroulent autour des lignes de champ.

• Dans une bobine plate ou un solénoïde (bobine longue)
Un solénoïde est un constitué d'un fil électrique enroulé régulièrement en hélice de façon à former une bobine longue.
Le principal intérêt du solénoïde est de créer un champ magnétique quasi-uniforme à l'intérieur de la bobine, à proximité de son axe et suffisamment loin de ses extrémités.
La valeur de ce champ quasi-uniforme est donnée par la relation :
${B = \mu _0 \cdot n \cdot I}$
où B est la valeur du champ en teslas (T) ;
${\mu _0 = 4\pi \times 10^{ - 7} }$ SI est la perméabilité magnétique du vide ;
n est le nombre de spires par mètre (m⁻¹) ;
I est l'intensité du courant en ampères (A).
Le sens de ce champ ${\vec B}$ est donné par une autre règle de la main droite : les doigts enroulées autour des spires du solénoïde dans le sens du courant, le pouce indique le sens du champ ${{\rm{\vec B}}}$ (on peut aussi dire que le pouce désigne la face Nord du solénoïde).
Le champ créé à l'extérieur du solénoïde est très proche de celui créé par un aimant droit.
Remarque : il existe d'autres méthodes pour déterminer le sens du champ ${\vec B}$ créé par un courant (bonhomme d'Ampère, tire-bouchon…), l'avantage de la main droite est qu'on l'a toujours sur soi… reste à ne pas se tromper de main !
Test n°6 Test n°7

À retenir

• Le champ magnétique ${\vec B}$ en un point est une grandeur vectorielle qui a pour caractéristiques :

direction : celle que prend une aiguille aimantée placée en ce point ;
sens : du pôle sud vers le pôle nord de cette aiguille ;
norme : valeur du champ B (unité : tesla (T) ; instrument de mesure : teslamètre).

• On dit qu'un champ magnétique est uniforme dans une région de l'espace si le vecteur champ ${\vec B}$ a même direction, même sens et même valeur en tout point de cette région.

• Une ligne de champ est une courbe tangente en tout point au vecteur ${\vec B}$ , orientée dans le sens de ce vecteur. Le spectre est l'ensemble des lignes de champ magnétique.

• La valeur du champ créé par un courant est proportionnelle à l'intensité de ce courant.
À l'intérieur d'un solénoïde, le champ magnétique est quasi-uniforme et vaut $B = \mu _0 \cdot n \cdot I$ (unités : B en T, ${\mu _0 = 4\pi \times 10^{ - 7} \;{\rm{SI}}}$ , n en m⁻¹ et I en A).

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