Les champs magnétiques (Travaux Pratiques Encadrés)

« Le chDmp mDgn étique en un point donné est défini par son intensité , son sens et sa direction : c'est un champ vectoriel.

Les relations qui existent entre le champ magnétique et le champ électrique sont définies par les équations de Maxwell.

Au nombre de quatre , elles peuvent être considérées comme le postulat de base de l'électromagnétisme.

Deux d'entre elles sont des équations définissant la structure même du champ électromagnétique, les deux autres relient les champs aux charges fixes ou mobiles.

LE CHAMP MAGNtliQUE TERRESTRE C'est au XIX' siècle que le mathématicien allemand, Carl Friedrich Gauss, formalise l'idée que la Terre se comporte comme si elle contenait en son sein et suivant son axe de rotation, une courte tige aimantée.

Une analyse mathématique plus complète a montré que cette tige imaginaire est en réalité inclinée d'environ 11 • par rapport à l'axe de rotation.

Notre planète génère donc un champ magnétique (voir schéma au recto).

Ce champ est produit par les mouvements de convection du métal en fusion qui constitue le noyau de la Terre.

Le fonctionnement de la boussole repose sur l'existence de ce champ magnétique .

Les aiguilles aimantées de ces instruments, laissées libres de leurs mouvements, s'orientent parallèlement au champ magnétique terrestre, dans la direction des pôles magnétiques, proches des pôles géographiques.

Le champ magnétique terrestre n'est pas constant, ni dans le temps , ni dans l'espace.

Les scientifiques ont, par exemp le, découvert que celui -ci s'est complètement inversé environ 300 fois au cours des derniers 170 millions d 'années.

Le champ magnétique terrestre a également pour fonction de protéger les êtres vivants, notamment contre les effets nocifs du vent solaire.

La zone couverte par ce champ qui s'étend à des milliers de kilomètres dans l'espace est appelée magnétosphère.

Elle joue le rôle de bouclier pour les particules hautement chargées et dangereuses provenant du Soleil.

LES UGNES DE CHAMP Un champ magnétique peut être matérialisé par des lignes de champ : en tout point de l'espace, celui-ci sera tangent à ses lignes de champ.

Plus la concentration des lignes de champ est élevée, plus l'intensité du champ magnétique est importante.

Grâce à de la limaille de fer déposée sur une feuille de papier , on peut aisément visualiser ses lignes de champ.

Si un aimant est placé sous la feuille , la limaille se répartit le long des lignes de champ, révélant la structure du champ magnétique induit par l'aimant.

L'ensemble des lignes de champ ainsi observées constitue le spectre mDgnétique de l' t1/mt1nt .

Ce dernier peut également être révélé à l'aide d'une boussole.

Il suffit pour cela de placer l'instrument à différents endroits de l'espace dans lequel règne le champ magnétique et de noter les directions prises par l'aiguille .

.--------, Dans le cas d 'une bt1rre DimDntée , les lignes de champs émergent, par convention, du pôle nord (N) et se courbent pour pénétrer dans l'aimant par le pôle sud (S).

Les fils '----------' électriques rectilignes sont, quant à eux, à l'origine de lignes de champ formant des cerc les concen tri que s autour d'eux.

Feuille de papier Lignededl011"4' LA MESURE DU CHAMP MAGNtTIQUE Le champ magnétique d'une barr e aimantée est en réalité créé par le magnétisme de toutes les particules microscopiques qui la constituent.

Il est la résultante de l'ensemb le des champs magnétiques microscopiques engendrés par ces particules .

L'inten sité d'un champ magnétique produit par un matériau dans un milieu donné se calcule en faisant le produit de l'intensité du champ magnétique par une grandeur nommée perméabilité magnétique du milieu.

Celle-ci caractérise l'environnement dans lequel a été placé le matériau .

La perméabilité magnétique est une mesure de la capacité du milieu à réagir ou non à une stimulation magnétique .

Les perméabilités magnétiques du vide et de l'air sont voisines.

Ces deux milieux réagissent donc sensiblement de la même façon à une excitation magnétique .

La valeur du champ magnétique peut être mesurée grâce à des tesiDmètres ou encore à l'aide d'une sonde à " effet Hall ».

En 1879, le physicien américain , Edwin Herbert Hall, observe dans des barreaux de cuivre parcourus par un courant électrique, l'apparition d'une différence de potentiel , ou tension électrique, lorsque ces barreaux sont placés dans un champ magnét ique.

Il s'avère que la valeur de cette tension est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique .

Le principe de fonctionnement des sondes à " effet Hall » est basé sur cette observation .

Ces instruments servent non seulement à mesurer l'intensité d'un champ magnétique mais également sa direction .

Pour exemple, l'intensité du champ magnétique mesure 0,00005 T à la surface de la Terre, 5 T à la surface du Soleil et 10 T au cœur de l'atome d'hydrogène.

L'effet Hall résulte de l'action d'un champ magnétique sur un conducteur parcouru par un courant.

Il est une r.

·"AB F conséquence :~=:: .,.., .....

,.,v • B électrons qui transportent qï/ le courant sont déviés sous l'action Il du champ ._ ___ __ _.magnétique, et des charges s'accumulent sur les parois du conducteur .

Le rapport de la différence de potentiel transversale au courant qui parcourt le conducteur définit la résistance de Hall.

La valeur de cette résistance est proportionnelle au champ magnétique et inversement proportionnelle à la densité des porteurs de charge .

Les phénomènes électromagnétiques sont à la base de la cohésion atomique.

La matière qui nous entoure, qu'elle soit solide , liquide ou gazeuse , est constituée de particules infiniment petites : les atomes.

Les forces électromagnétiques permettent de lier les électrons, particules chargées négativemen~ aux noyaux des atomes, chargés positivement.

Elles sont aussi responsables des combinaisons d'atomes en molécule s et des réaction s chimiques .

Presque tous les phénomènes de la vie quotidienne sont en rapport avec ces forces .

Des boussoles aux compas de marine, longtemps utilisés pour l'orientation en passant par les dynamos, les moteurs électriques et les enregistrements sonores, sans oublier les cartes et tickets magnétiques ainsi que les haut-parleurs , microphones et les téléphones portables , les applications de l'électromagnétisme sont innombrables.

EN tLECTRI CITt L'électroaimant est une application courante des phénomènes électromagnétiques .

Ces propriétés sont utilisées aussi bien dans la production d 'électricité que dans des domaines aussi variés que la médecine ou la recherche fondamentale en physique nucléaire .

Un électroaimant est constitué d'un noyau de fer entouré d'une bobine de fils électriques .

Lorsqu 'un courant circule dans cette bobine, le noyau de fer s'aimante.

Lorsque le courant cesse, l'aimantation disparaît.

On utilise les électroaimants , souvent plus puissants que de banals aimants, dans les appareils de levage , les sonneries électriques , les relais, les haut-parleurs , etc.

EN PHYSIQUE NUCL UIRE Au cœur des accélérateu rs de particules, ces gigantesques instruments que les physiciens nucléaires utilisent pour explorer la structure de la matière , les particules chargées -des électrons ou des noyaux atomiques -sont dirigées , accélérées et focalisées par de puissants électroaimants.

Elles circulent ainsi dans d'énormes anneaux enterrés à plusieurs mètres sous terre.

Pour percer les mystères de la matière les physiciens étudient les résultats de leurs collisions .

Le CERN , laboratoire européen pour la physique des particules, installé à Genève depuis 1954, dispose des instruments parmi les plus performants au monde.

Depuis 2001, un nouvel accélérateur est en cours de construction.

Le LHC (Large Hadron Collider) sera situé à lOO mètres de profondeur , dans un tunnel de 27 kilomètres de circonférence et renfermera 400 aimants capables de produire un champ magnétique plus de 200 000 fois supérieur à celui de la Terre .

La mise en marche du LHC est prévue pour 2007.

EN MtDECINE Comme son nom l'indique, l'Imagerie par résonance magnétique, plus connue sous le nom d'IRM, repose sur les propriétés magnétiques de la matière.

Et, en l'occurrence, sur celles des atomes d 'hydrogène , présents en très grande quantité dans le corps humain.

Mis en présence d'un champ magnétique d'environ 1,5 T, ceux-ci vont subir le phénomène de résonance magnétique qui, interprété par un ordinateur, donnera une image précise du tissu étudié.

L 'IRM, utilisée dans les hôpitaux les années 1980 , est un outil de diagnostic précieux qui permet d'obtenir des images en trois dimensions.

Comparé à d'autres techniques d'imagerie médicale , I'IRM présente de nombreux avantages .

Tout d'abord, elle n'a recours à aucun type de radiation et peut donc être utilisée sur tous les patients, à l'exception de ceux munies de stimulateur cardiaque ou de prothèses métalliques .

Elle offre également un meilleur contraste entre les différents tissus de l'organisme et ce, sans avoir à injecter de substance contrastante au malade.

Elle permet enfin de réaliser des coupes dans tous les plans de l'espace .

EN ASTROPHYSIQUE Il y a quelques années, les astrophysiciens ont découvert que l'activité du Soleil est le résultat de l'Interaction entre les mouvements des plasmas conducteurs qui constituent son noyau et les intenses champs magnétiques environnants .

Il en va de même pour toutes les étoiles de notre Univers .

L'étude des champs magnétiques stellaires revêt donc , pour les chercheurs, une importance capitale .

Grâce à elle, ceux-ci ont pu mieux comprendre le phénomène de vent solaire, les aurores boréales ou encore les magnétosphères des planètes .

Mais le confinement de plasmas trés denses et très chauds est aussi à la base des études actuelles sur la production d'énergie par fusion thermonucléaire contrôlée .

Pouvoir reproduire ce qui se passe au sein du Soleil fournirait à l'humanité une source d'énergie propre , abondante et peu onéreuse .

Un projet international de construction d'un réacteur expérimental de production d'énergie · par fusion nucléaire, d 'un coût total évalué à 30 milliards d'euros sur 30 ans, est actuellement en cours.

E N INFORMATIQUE Les propriétés magnétiques de la matière sont également utilisées pour le stockage de données informatiques .

Le disque dur d'un ordinateur, par exemple , est composé d'un ensemble de plateaux circulaires recouverts d'une couche de matériau magnétique .

Lors de l'enregistrement de données, un champ magnétique polarise, dans un sens ou dans un autre, les différentes parties de la surface du disque .

Au moment de la lecture, ses différentes polarités sont reconverties en données .

DANS L'INDUSTRIE FERROVIAIRE Depuis les années 1960, des ingénieurs travaillent à l'élaboration de trains à lévitation magnétique .

Appelés Maglev (de l'anglais Magnetic Levitation train ), ceux-ci n 'utilisent pas de moteur conventionnel mais sont propulsés par la seule force d 'un champ magnétique créé par des électroaimants installés à la base du train.

Les Maglev présentent deux avantages considérables par rapport aux trains traditionnels : ils sont capables de rouler à des vitesses extrêmement élevées Ousqu'à 550 kmfh) en ne consommant que peu d'énergie .

En janvier 2003, les Chinois ont inauguré le premier modèle commercial de ces trains à lévition magnétique .

Il relie le centre-ville de Shangaï à l'aéropo~ soit environ 30 km en 7 minutes seulement.

LES EFFETS NÉGATIFS DESCHAMPS De nombreux champs électromagnétiques nous environnent du fait de l'importance de l'électricité dans notre société .

En effet la circulation des courants élect riques (dans les lignes à haute tension par exemple) s'accompagne de la création par induction de champs magnétiques, auxquels s'ajoutent les ondes électromagnétiques de la radiotéléphonie (émetteurs et relais GSM).

L'influence mutuelle des équipements électriques et des ondes électromagnétiques relève de ce que l'on appelle la" compatibilité électromagnétique >>.

Il s 'agit aussi bien de limiter la production de champs électromagnétiques par les appareils électriques que de s'assurer du bon fonctionnement de ces appareils dans un environnement pollué par de nombreux champs " parasites >>.

Par ailleurs certains risques sont évoqués quant à l'exposition de l'homme à ces champs , dans la mesure où ils véhiculent une énergie .

Sur la base de travaux scientifiques, la Commission européenne a émis en juillet 1999 une recommandation afin de limiter ces expositions en fonction de la nature des champs électromagnétiques dont l'intensité est comprise entre 0 Hz et 300 GHz.. »