Problématique

L'aspect énergétique d'un circuit dans le vide a déjà été traité : l'énergie 1/2Li2 est l'énergie qu'il faut fournir au circuit pour instaurer le courant i, c'est aussi l'énergie qu'il faut apporter pour créer le champ magnétique dans l'espace, la densité volumique d'énergie stockée étant B2/2μ0. Cette énergie est une énergie potentielle car restituable. Dans la pratique on utilise souvent des matériaux magnétiques pour augmenter le champ magnétique. Qu'en est-il de l'énergie pour un circuit en présence d'un milieu magnétique ?

Qu'est-ce qu'un ferrofluide ? Un ferrofluide est un fluide qui possède des propriétés magnétiques. Ces dernières reposent dans la présence de nanoparticules ferromagnétiques en son sein. Ce fluide est alors attiré par les aimants et on en arrive à avoir ce genre de résultat, ici, un lotus.

Les circuits magnétiques

Les circuits magnétiques sont des circuits qui sont fabriqués à partir de matières ferromagnétiques. Ces dernières font circuler en leur sein un champ magnétique.

Un élément est dit ferromagnétique quand il possède des propriétés de ferromagnétisme. Le ferromagnétisme est le mécanisme par lequel des matériaux forment des aimants permanents ou sont attirés par d’autres aimants. Le cobalt, le nickel ou encore le fer sont des éléments ferromagnétiques

Les champs magnétiques sont la plupart du temps créés par des bobines autour du circuit magnétique ou par des aimants directement dans le circuit.

Fonctionnement des circuits magnétiques

Pour bien comprendre le fonctionnement des circuits magnétiques, il est important de connaître toutes ces lois et équations qui les concernent.

Équations de Maxwell-Gauss

James Clerk Maxwell est un physicien d’origine écossaise. Toute sa vie il a travaillé sur les champs électriques et magnétiques et il a également contribué à l’élaboration de nombreuses lois physiques dans son domaine. Il est considéré comme l’un des scientifiques les plus influents du IXXème siècle.

Les équations de Maxwell-Gauss, aussi connues sous le noms d’équations de Maxwell-Lorenz sont des équations fondamentales de la physique. En effet, ces sont elles qui régissent l’électromagnétisme. Elles tiennent leur nom du physicien James Clerk Maxwell d’origine écossaise. Toute sa vie il a travaillé sur les champs électriques et magnétiques et il a également contribué à l’élaboration de nombreuses lois physiques dans son domaine. Il est considéré comme l’un des scientifiques les plus influents du IXXèmesiècle. Elle réunit sous la forme d’équations intégrales des lois déjà connues telles que celles de théorèmes de Gauss, Ampère et Faraday. Les équation de Maxwell sont essentielles puisqu’elles démontrent qu’en régime stationnaire, les champs électrique et magnétiques sont indépendants l’un de l’autre, ce qui n’est pas nécessairement le cas lorsque l’on se trouve en régime variable. En effet, dans le cas le plus général, il faut alors parler du champ électromagnétique puisque la séparation entre l’électrique et le magnétique n’est qu’un aspect visualisé par l’Homme.

Équation de Poisson

L’équation de Poisson est une équation aux dérivées partielles de cette forme :

    \[ Delta phi = f \]

Appliqué à l’électrostatique, elle donne le potentiel électrique appelé V en présence d’une d’une distribution de charges p :

    \[ Delta V = - frac { rho } { epsilon _{0} }\]

Cette équation est nommé ainsi en hommage au physicien et mathématicien Siméon Denis Poisson. D’origine française, il est célèbre pour ces nombreux travaux dans plusieurs matières scientifiques. Il a marqué l’histoire de la physique avec ses recherches sur l’électricité et les potentiels. Il a aussi participé aux travaux mathématiques concernant les intégrales et notamment les intégrales de Fourier.

Analogie d'Hopkinson

L'analogie dite d'Hopkinson est l'analogie qui crée un lien entre les circuits électriques et les circuits magnétiques. On peut la résumer facilement avec un tableau. Elle tire son nom du physicien John Hopkinson qui vécut de 1849 à 1898. Spécialisé dans l'électricité et le magnétisme, il est l'un des premiers à avoir travaillé sur les aimants, électroaimants et dynamos. C'est à lui que l'on doit l'effet Hopkinson et la formule d'Hopkinson.

Comment fonctionne le champ magnétique terrestre ? Le champ magnétique qui règne autour de la Terre est très puissant et influence de nombreux phénomènes. Il est causé par la composition interne de la Terre et de son noyau métallique.

Loi de Pouillet

La loi de Pouillet est une loi d'électrocinétique qui permet de calculer l'intensité dans un circuit en série en maille simple et composé de dipôles actifs et de conducteurs ohmiques. Dictée par le physicien français Claude Pouillet, elle est inspirée de loi d'Ohm sur les circuits électriques. Elle est utilisée pour calculer des résistances notamment.

Effet Hopkinson

L'effet Hopkinson est l'effet qui se produit pour un matériau ferromagnétique lorsque celui-ci voit son aimantation augmenter fortement et subitement avant d'atteindre la température de Curie.

Il existe, dans un matériau dit ferromagnétique, une température de Curie (encore appelée point de Curie) notée TC qui est la température à partir de laquelle le matériau perd son aimantation permanente.

Les champs magnétiques

En physique, on appelle champ électrique tout champ vectoriel créé par des particules électriquement chargées. Plus exactement, lorsque nous sommes en présence d'une particule chargée, les propriétés locale de l'espace défini sont alors modifié ce qui permet de définir la notion de champ. En effet, si une autre charge se trouve être dans le dit champ, elle subira ce qu'on appelle l'action de la force électrique qui est exercée par la particule malgré la distance. On dit alors du champ électrique qu'il est le médiateur de la dite action à distance.

Si on se veut plus précis, on peut définir dans un référentiel galiléen défini, une charge q définie de vecteur vitesse v qui subit de la part des autres charges présentes, qu'elles soient fixes ou mobiles, une force qu'on définira de force de Lorentz. Cette force se décompose ainsi :

    \[ \overrightarrow { f } = q left ( \overrightarrow { E } + \overrightarrow { v } \wedge \overrightarrow { B } \right) \]

avec :

  •     \[ \overrightarrow { E } \]

    le champ électrique. Celui-ci décrit dans ce cas la partie de la force de Lorentz qui est indépendante de la vitesse de la charge

  •     \[ \overrightarrow { B } \]

    le champ magnétique. Celui-ci décrit ainsi la partie de la force exercée sur la charge qui dépend du déplacement de cette même charge dans le référentiel choisi.

Comment se dirigent les pigeons ? Les pigeons ont dans leur bec des morceaux de magnétite, une espèce minérale qui se compose de d'oxyde de fer, de magnésium, de manganèse et de zinc qui leur permet de s'orienter grâce au champ magnétique terrestre.

De plus, il est important de noter que les deux champs, électrique et magnétique, dépendent du référentiel d'étude. Avec cette formule, on peut alors définir le champ électrique comme étant le champ traduisant l'action à distance subie par une charge électrique fixe dans un référentiel défini de la part de toutes les autres charges, qu'elles soient mobiles ou fixes. Mais on peut également définir le champ électrique comme étant toute région de l'espace dans laquelle une charge est soumise à une force dite de Coulomb. On commence à parler de champ électrostatique lorsque, dans un référentiel d'étude, les charges sont fixes. Notons d'ailleurs que le champ électrostatique ne correspond pas au champ électrique comme décrit plus haut dans cet article puisqu'en effet, lorsque les charges sont en mouvement dans un référentiel, il faut ajouter à ce référentiel un champ électrique qui est induit par les déplacement des charges afin d'obtenir un champ électrique complet. Mais, le champ électrique reste dans la réalité un caractère relatif puisqu'il ne peut exister indépendamment du champ magnétique. En effet, si on observe la description correcte d'un champ électromagnétique, celui-ci fait intervenir un tenseur quadridimensionnel de champ électromagnétique dont les composantes temporelles correspondent alors à celle d'un champ électrique. Seul ce tenseur possède un sens physique. Alors, dans le cas d'un changement de référentiel, il est tout à fait possible de transformer un champ magnétique en champ électrique et inversement.

Le champ électromagnétique

En physique, on appelle champ électromagnétique la représentation dans l'espace d'une force électromagnétique exercée par des particules chargées. Ce champ représente alors l'ensemble des composantes de la force électromagnétique qui s'appliquent à une particule chargée qui se déplace alors dans un référentiel galiléen. On peut alors définir la force subit par une particule de charge q et de vecteur vitesse par l'expression suivante :

    \[ \overrightarrow { f } = q left ( \overrightarrow { E } + \overrightarrow { v } \wedge \overrightarrow { B } \right) \]

avec :

    \[ \overrightarrow { E } \]

le champ électrique. Celui-ci décrit dans ce cas la partie de la force de Lorentz qui est indépendante de la vitesse de la charge

    \[ \overrightarrow { B } \]

le champ magnétique. Celui-ci décrit ainsi la partie de la force exercée sur la charge qui dépend du déplacement de cette même charge dans le référentiel choisi. En effet la séparation de la partie magnétique et de la partie électrique de dépend que du point de vue pris selon le référentiel d'étude. De plus, il peut être intéressant de savoir que les équations de Maxwell régissent les deux composantes couplées, c'est à dire électrique et magnétique, de sorte que toute variation d'une composante induira la variation de l'autre composante. D'ailleurs, le comportement des champs électromagnétiques se trouve décrit de façon classique par les équations de Maxwell et de manière plus générale par l'électrodynamique quantique. La façon la plus utilisée afin de définir le champ électromagnétique est celle du tenseur électromagnétique de la relativité restreinte.

Comment les aimants fonctionnent-ils ? Les aimants sont fabriqués avec des matériaux ferromagnétiques, c'est ce qui leur permet d'attirer des éléments chargés comme du fer.

Le ferromagnétisme

Un élément est dit ferromagnétique quand il possède des propriétés de ferromagnétisme.
Le ferromagnétisme est le mécanisme par lequel des matériaux forment des aimants permanents ou sont attirés par d’autres aimants. Le cobalt, le nickel ou encore le fer sont des éléments ferromagnétiques.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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