Nous expliquons ce qu’est le champ magnétique, son origine et les types qui existent. Aussi, quelles sont ses caractéristiques et sa mesure.
Qu’est-ce qu’un champ magnétique ?
Lorsqu’on parle d’un champ magnétique, on fait référence à une représentation mathématique de la répartition des forces magnétiques dans l’espace autour d’une source magnétique.
Le champ magnétique est dans la région entourant la source d’énergie magnétique et c’est dans cette région que l’énergie peut interagir avec d’autres éléments sensibles au magnétisme, tels que les métaux ferromagnétiques.
Les champs magnétiques sont toujours dipolaires, c’est-à-dire qu’ils ont un pôle nord et un pôle sud , c’est-à-dire un positif et un négatif. Elles sont décrites de manière vectorielle, c’est-à-dire comme un ensemble de forces dotées de direction et de grandeur , représentables au moyen de vecteurs dans une grille. Ces vecteurs se comportent comme des boussoles et leur amplitude de réponse dépend de l’intensité de la force magnétique.
Tant qu’il y aura une source d’énergie magnétique, il y aura un champ magnétique pour décrire comment les forces magnétiques agissent. L’interaction entre ces champs dans les appareils électriques (tels que les transformateurs) est un sujet d’étude dans la science des circuits magnétiques.
Voir aussi: lois de Newton
Histoire des champs magnétiques
Depuis l’Antiquité, l’existence du magnétisme et les forces d’attraction ou de répulsion générées entre les aimants sont connues. Mais ce n’est qu’au XIXe siècle que la relation entre le magnétisme et l’électricité est devenue évidente et formellement étudiée.
Initialement , seul le magnétisme du fer (ferromagnétisme) était connu jusqu’en 1820, lorsque le scientifique danois Hans Christian Oersted démontra l’effet que l’électricité avait sur une boussole et découvrit ce que les équations de Maxwell décriraient des années plus tard.
Comment naît un champ magnétique ?
Pour qu’un champ magnétique existe, il doit y avoir une source d’énergie magnétique , c’est-à-dire un aimant ou un électroaimant, ou un courant électrique en mouvement.
La corrélation entre l’électricité et le magnétisme est décrite dans la loi d’Ampère et les équations de Maxwell. La présence d’un champ magnétique peut être détectée à l’aide d’un magnétomètre .
Loi de force de Lorenz
La soi-disant force de Lorentz est une façon de définir mathématiquement les champs magnétiques , puisque ladite force est celle exercée par un aimant ou un courant électrique sur une région de l’espace où une charge électrique ponctuelle (q) se déplace subissant les effets d’une force proportionnelle et perpendiculaire à la vitesse (v) et au champ (B). Cette charge percevra une force dont le module peut être calculé selon cette équation :
|F| = |q|.|v|.|B|. sin(θ).
où F est la force magnétique, v est la vitesse, B est le champ magnétique et θ est l’angle que fait la vitesse de la charge q par rapport au champ magnétique B.
Types de champs magnétiques
Les champs magnétiques sont classés selon leur source de création, dans :
- Champs magnétiques magnétiques . Ce sont ceux créés naturellement par un aimant ou un métal aimanté , provoqués par le mouvement des électrons autour du noyau atomique et aussi sur son propre axe, dans une spire appelée spin .
- Champs magnétiques actuels . Ce sont celles générées par les charges mobiles d’un courant électrique, comme dans les électroaimants : une charge électrique circule à travers une pièce métallique et elle est immédiatement magnétisée, générant un champ autour d’elle.
lignes de champ magnétique
Les lignes de champ magnétique ou lignes d’induction sont une manière de représenter graphiquement l’action des forces magnétiques dans l’espace . Ce sont des lignes qui ne se croisent jamais et qui s’entassent dans les régions où le champ est le plus intense, puisque la densité des lignes est synonyme d’intensité du champ.
Ces lignes sont celles qui sont ensuite représentées mathématiquement sous forme de vecteurs , mais en réalité elles peuvent être vérifiées par la simple expérience consistant à placer une feuille de papier blanc sur un aimant et à verser de la limaille de fer sur le papier, pour observer la manière dont elles sont disposés visuellement autour des deux pôles.
Intensité des champs magnétiques
L’intensité du champ magnétique fait référence à deux formes d’amplitude des forces magnétiques :
- Excitation magnétique ou champ H . Comprenant le magnétisme d’une manière très similaire à l’électricité, il décrit la force de l’énergie du champ magnétique dans une région ponctuelle spécifique de celui-ci. Elle est déterminée en fonction de la relation du champ avec ses sources électriques.
- Induction magnétique ou champ B . Considéré comme la vraie mesure du champ magnétique, il mesure la quantité de flux magnétique par unité de surface dans une région donnée du champ. C’est-à-dire qu’il étudie le champ en fonction de ses effets sur les charges.
Comment mesure-t-on les champs magnétiques ?
Comme il s’agit d’une grandeur vectorielle, la mesure des champs magnétiques comprend à la fois l’intensité et la direction du champ.
Pour la direction , il existe des mécanismes de mesure simples tels que la boussole : là où l’aiguille pointe sera le pôle, comme cela se produit sur la planète avec le pôle nord terrestre .
Pour l’intensité, par contre, on utilisait autrefois le magnétomètre , capable de mesurer la force ressentie par un électron lorsqu’il se déplace dans le champ magnétique.
Les premiers appareils de ce type sont apparus au XIXe siècle, mais en 1988 ils ont été améliorés par la découverte de la magnétorésistance géante.
L’intensité du champ est mesurée, selon le SI en Teslas (T) , en l’honneur du scientifique tchèque qui a étudié l’électricité et le magnétisme, ou en Gauss (G) selon la taille du champ à mesurer.
direction d’un champ magnétique
La direction du champ magnétique est décrite par des lignes de force ou des vecteurs qui indiquent la direction dans laquelle les forces magnétiques poussent une charge dans le champ.
En effet, les variables B et H de l’intensité du champ sont toutes deux vectorielles , elles ont une grandeur, une direction et un sens variables selon la proximité de la région du champ par rapport à la source ou pôle magnétique.
Champ magnétique chez les êtres vivants
Connu sous le nom de bioélectromagnétisme, ce phénomène donné chez des êtres vivants de différents types fait référence à la création de champs magnétiques dans leur corps ou à l’interaction de certaines parties de celui-ci avec le champ magnétique terrestre.
Les pigeons et de nombreux animaux migrateurs ont la sensibilité nécessaire pour détecter le champ magnétique terrestre et savent où migrer en fonction de la saison ou de l’heure.
De plus, l’ action électrique des nerfs sur la musculature du corps a été démontrée et comment la transmission d’ions et d’autres substances magnétiques permet de réaliser la connexion nerveuse entre les neurones .
champ magnétique terrestre
La Terre possède un énorme champ magnétique, connu sous le nom de magnétosphère ou champ géomagnétique . Il trouve son origine dans le mouvement constant du noyau de métaux ferromagnétiques de la planète (fer et cuivre principalement) dû à la rotation terrestre.
Il remplit des rôles très importants pour l’équilibre électrique du monde , comme nous protéger du vent solaire et repousser d’autres formes d’électromagnétisme qui pourraient être nocives pour la vie (rayons cosmiques).
Les boussoles que nous utilisons pour la navigation réagissent également à cet immense champ, pointant toujours vers le nord.
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