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La notion d’interaction magnétique

Par Yann le 30/12/2017 Ressources > Physique-Chimie > Première S > Mécanique > Le Champ Magnétique

Qu’est ce qu’un champ magnétique ?

Définition

La notion de champ magnétique correspond à une région de l’espace soumise à l’action d’une force provenant d’un aimant.

On peut également dire qu’un champ magnétique est un champ de force qui résulte de la présence d’un corps susceptible de participer à une interaction magnétique.

Le champ magnétique caractérise également l’influence d’une charge électrique en mouvement et exerce, à l’inverse, son action sur les charges en mouvement.

La notion de vecteur

Le champ magnétique est un vecteur :

    \[\overrightarrow{B}\]

Il possède par conséquent certaines caractéristiques :

  • Une direction : celle de l’aiguille aimantée à l’équilibre.
  • Un sens : du pôle sud de l’aiguille vers son pôle nord.
  • Une valeur : B qui est donnée en Tesla (T).

Origine de son unité de mesure

La valeur du vecteur B s’exprime en Tesla (T) et peut être mesurée grâce à un appareil appelé teslamètre.

Le Tesla, unité du système international, représente l’induction magnétique répartie uniformément sur une surface d’un mètre carré.

Cette unité porte ce nom en référence à Nikola Tesla, ingénieur physicien serbe et naturalisé américain ayant oeuvré dans le domaine de l’électricité et de l’électromagnétisme.

Champ magnétique généré par un aimant

Un champ magnétique peut être produit grâce un aimant ou une matière aimantée possédant des caractéristiques physiques particulières. Il existe des aimants naturels composés de magnétite (un oxyde de fer).

Un aimant possède toujours un pôle magnétique nord et un pôle magnétique sud et les lignes de champ sont orientées du nord vers le sud.

Caractéristiques d’un aimant

Un aimants est un constitué de matériaux magnétiques. Les matériaux magnétiques sont souvent des métaux comme le fer, l’acier, le nickel ou le cobalt.

Si un matériau magnétique est placé dans un champ magnétique fort, chaque groupe d’atome, qui normalement ne suis pas une direction particulière, s’oriente graduellement dans la direction du champ.

Utilisation d’un aimant

Un aimant possède deux pôles.

Si on approche un des pôles de l’aimant d’une aiguille, alors deux comportements sont possibles :

  • Soit celui-ci repousse le pôle nord de l’aiguille. On dit alors que le pôle de l’aimant approché est un pôle nord.
  • Soit celui-ci attire le pôle nord de l’aiguille. Le pôle de l’aimant est alors un pôle sud.

Conclusion :

  1. Deux pôles d’aimant de même nature se repoussent.
  2. Deux pôles d’aimant de natures différentes s’attirent.

Spectre magnétique et lignes de champ

Expérience

Prenons de la limaille de fer est disposons la autour d’un aimant.

Sous l’action du champ magnétique, la limaille de fer se comporte comme un ensemble de petites aiguilles aimantées.

Interprétation

Elles s’orientent en fonction du champ magnétique généré par l’aimant.

La disposition de la limaille de fer autour de l’aimant met en évidence le spectre magnétique : on observe que la limaille s’est répartie selon des lignes courbes autour de l’aimant.

Le spectre magnétique, formé par les grains de limaille de fer saupoudrée autour de l’aimant matérialise les lignes de champ. Ces lignes sont orientées dans le sens du vecteur B

Relation entre courant électrique et champ magnétique

Le courant électrique est-il magnétique ?

Un courant électrique, et plus généralement tout déplacement de charges électriques, produit un champ magnétique dont la valeur dépend de la quantité de charges en mouvement, de leur vitesse.

Le champ magnétique produit par le passage du courant dans un simple fil électrique possède une valeur assez faible mais il possible d’obtenir des champs magnétiques intenses grâce à des enroulements de fils électrique qui constituent des bobines.

Le magnétisme des bobines

Comment créer un champ magnétique ? Le nombre de spires impacte l’interaction magnétique

Lorsqu’une longue bobine, aussi appelée solénoïde est parcourue par un courant continu, elle se comporte comme un aimant et présente une face Nord et une face Sud.

En passant dans la bobine, l’électricité produit un champ magnétique dont la puissance dépend de l’intensité du courant électrique et du nombre d’enroulement de fil, et la polarité dépend de la direction du flux.

  • A l’intérieur du solénoïde les lignes de champ sont des droites parallèles, le champ est donc uniforme.
  • A l’extérieur du solénoïde, les lignes de champ apparaissent comme celles d’un aimant classique.

La règle du “tire-bouchon”

Le physicien James Clerk Maxwell a donné son nom à cette technique qui permet de déterminer le sens du champ magnétique dans la bobine :

  • si le courant I parcourt les spires de la bobine dans le sens permettant “l’enfoncement” du tire-bouchon,
  • le sens du vecteur B est celui de l’avancée du tire-bouchon.

En d’autres termes, les lignes de champ entrent par la face sud de la bobine et sortent de la face nord.

Application dans la vie courante

De nombreux objets du quotidien utilisent les bobines pour générer un champ magnétique.

En effet, si on place un barreau de fer doux à l’intérieur d’une bobine, il canalise les lignes de champ et accroît la valeur B du champ magnétique.

On retrouve ce principe notamment dans les relais et les électroaimants.

Ces électroaimants sont eux-mêmes utilisés dans les moteurs électriques, les télévisions, les téléphones, les ordinateurs et dans bien d’autres appareils modernes.

Le champ magnétique terrestre

Pôles magnétiques et pôles géographiques

Les extrémités nord et sud de la Terre sont appelés les pôles Nord et Sud.

Les pôles magnétiques de la Terre sont situés près des pôles géographiques.

La position des pôles magnétiques varie aussi légèrement d’année en année. Le pôle nord magnétique et le pôle nord géographique ne coïncident pas.

Origine des pôles

Le centre de la Terre est en réalité un noyau métallique composé de fer et de nickel. Le noyau est entouré de roches terrestres en fusion.

Comme nous l’avons vu dans ce cours, ces métaux peuvent être magnétiques. Ceci est du aux mouvements de convection des roches terrestres en fusion autour de son noyau.

On peut donc dire aisément que le noyau de la Terre se comporte comme un aimant.

Le noyau, par son mouvement, génère un champ magnétique qui englobe la Terre.

Comme toutes les formes de magnétisme, le champ magnétique de la Terre est produit par des courants électriques. Une théorie sur la production de ces courants veut qu’autour du noyau de la Terre, le magma en fusion monte, se refroidit et replonge. On pense également qu’à l’intérieur de ces masses de magma montantes et descendantes la rotation de la Terre crée une géométrie organisée de courants électriques circulaires. L’intérieur de la planète, en fait, agirait comme une dynamo géante.

On peut comparer les effets de ce mécanisme à un aimant dont l’axe correspondrait approximativement à l’axe de rotation de la Terre et dont le pôle nord géographique correspondrait au pôle sud magnétique alors que le pôle sud géographique correspondrait au pôle nord magnétique.

La Terre n’est pas le seul astre à posséder un champ magnétique, le Soleil en possède un ainsi que les planètes gazeuses.

Comment fonctionne une boussole ?

Avec quel outil matérialise-t-on le champ magnétique terrestre ? L’aiguille de la boussole est toujours attirée vers le Nord géographique

L’aiguille d’une boussole est aussi un aimant et possède un pôle nord et un pôle sud. Le pôle de l’aiguille identifié par un « N » est attiré par le nord et il indique toujours le nord magnétique de la Terre de même que l’autre extrémité de l’aiguille (identifiée par un « S ») est attirée par le sud et pointe toujours vers le pôle sud magnétique de la Terre.

La Terre elle-même agit comme un aimant, avec ses deux pôles et son vaste champ magnétique. Certains endroits à la surface de la Terre, la force magnétique est plus grande qu’à d’autres. De plus, la force magnétique varie avec le passage de la lune autour de la Terre.

Les inversions de pôles

Des géophysiciens ont montré que dans l’Histoire de la Terre, les pôles avaient souvent été inversés. Ces inversions du champ magnétique de la Terre se sont produites pour certaines à quelques 10 000 années d’intervalle et pour d’autres, à des dizaines de millions d’années. Par après, le champ a été inversé en moyenne à chaque 200 000 ans, bien que la dernière inversion ait eu lieu il y a plus de 800 000 ans.

On ne sait pas si cet inversement se produit sur une période de temps plus ou moins longue ou bien s’il existe une période pendant laquelle il n’y aurait aucun champ magnétique.

Si cette dernière éventualité s’avérait juste, elle pourrait avoir des effets dévastateurs pour la vie sur la Terre.

En effet, l’une des caractéristique du champ magnétique terrestre est de protéger la Terre contre les rayonnements solaires ou les vents solaires. L’absence de cette protection serait potentiellement dangereuse pour les organismes vivants.

Il semblerait qu’il y ait une corrélation importante entre l’inversement du champ magnétique et l’extinction de certaines espèces dans l’Histoire.

On ignore cependant encore les origines de telles inversions.

Les aurores boréales

D'où viennent les couleurs et les formes des aurores boréales ? Visualisation du champ magnétique terrestre avec les rayonnements solaires

Les aurores boréales sont des phénomènes lumineux qu’il est possible d’observer dans les régions les plus proches des pôles magnétiques de la Terre.

Des formes drapées colorées dans les tons vert, bleu et jaune sont alors visibles.

L’origine des aurores boréales est à rapprocher du Soleil et de sa forte activité. En effet un afflux de particules chargées, éjectées par le Soleil, entre en collision avec le bouclier que constitue la magnétosphère.

Des particules électrisées à haute énergie peuvent alors être captées et canalisées par les lignes du champ magnétique terrestre. Ces particules émettent au même moment une faible quantité d’énergie sous forme de photon, ce qui provoque l’apparition de couleurs.

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