Magnetisme

CH. 11 – Magnétisme

11.1        Les Aimants et le Champ Magnétique

Le magnétisme est un phénomène connu depuis l'antiquité: deux blocs de magnétite (appelée tzu shih en chinois, c'est-à-dire «pierre aimante» ou «pierre qui copule»), peuvent s'attirer ou se repousser d'une façon qui nous rappelle les charges électriques:  

[pic 1]

On en conclut qu'il existe deux types de "charges" magnétiques, les pôles nord et sud.  Contrairement aux charges électriques, toutefois, on n'a jamais réussi à isoler un «monopôle»: les pôles nord et sud viennent toujours en paire.  Si je coupe un aimant en deux, j'obtiens deux nouveaux aimants, chacun avec son pôle sud et son pôle nord.  On dira donc d'un aimant qu'il est un «dipôle» magnétique.  

Un exemple bien connu d'aimant est l'aiguille d'une boussole: le pôle nord de celle-ci indique normalement le nord géographique…  Mais pourquoi?

Tout comme une charge électrique, un aimant change l'environnement qui l'entoure: on dit qu'il produit un champ magnétique.  On utilise le symbole [pic 2] pour ce champ et on le représente par des lignes de champ qui sont tangentes à l'orientation prise par un très petit aimant à différents endroits de l'espace.  La Terre étant elle-même un gigantesque aimant orienté nord-sud (à quelques degrés près), une boussole indique donc le nord parce qu'elle s'aligne sur le champ magnétique terrestre!  Notez toutefois que la convention présentée ici signifie que le pôle nord géographique de la Terre se trouve près de son pôle sud magnétique!

Propriétés des lignes de champ magnétique:

• Les lignes de champ magnétiques vont du pôle nord au pôle sud, à l'extérieur d'un aimant permanent.
• La grandeur du champ en un point est proportionnelle à la densité des lignes de champ aux environs de ce point.
• La direction du champ en un point est tangente à la ligne de champ.
• Les lignes de champ de se coupent jamais.

Champ d'un aimant droit:                                Champ d'un aimant en U:

Champ de deux aimants qui s'attirent:         Champ de deux aimants qui se repoussent:

Mais d'où vient le magnétisme?  Ce n'est qu'en 1820 qu'on a eu un début de réponse à cette question: cette année là, le danois Hans C. Œrsted se rendit compte qu'un fil électrique dans lequel circulait un courant électrique déviait l'aiguille d'une boussole!  Aujourd'hui, on peut affirmer que le magnétisme est le résultat d'un mouvement concerté de charges électriques.  Bref, tout courant électrique produit un champ magnétique.

Champ magnétique d'un fil électrique:        Champ magnétique d'un solénoïde:

Un électroaimant est un dispositif constitué d’une tige de fer insérée dans un solénoïde.  Lorsqu’un courant traverse le solénoïde, un champ magnétique, habituellement beaucoup plus fort que celui du fil enroulé seul, est induit dans la tige.  Ce champ disparaît normalement dès que le courant cesse de circuler.

L'unité du Système International pour la grandeur d'un champ magnétique est le Tesla.  Il est défini tel que: 1 T = 1 Kg/(s∙C) = 1 Kg/(s²∙A) = 1 J/(m²∙A).

11.2        La Force magnétique

Tout comme le champ électrique est une mesure de la capacité d'une charge électrique à produire une force, le champ magnétique exprime aussi une capacité à produire une force.  Expérimentalement, on observe que la force magnétique sur une particule est proportionnelle non seulement à l'intensité du champ magnétique, mais aussi à la grandeur de sa charge électrique et de sa vitesse.  En d'autres termes, ni une particule électriquement neutre ni une particule au repos ne subiront de force magnétique.  On observe aussi que la force magnétique est toujours perpendiculaire au plan formé par les vecteurs [pic 3] et [pic 4] (son orientation peut être trouvée avec l'aide de la main droite, en balayant de [pic 5] vers [pic 6]).  Sa grandeur est donnée par la formule suivante, où θ est l'angle entre les vecteurs [pic 7] et [pic 8]:

[pic 9]

Exemple: Un aimant en U produit un champ magnétique uniforme de 3,0 T dans l'entrefer de 10 cm entre ses pôles.  Le champ est alors horizontal et dirigé vers le nord.  Un proton entre dans cette région avec une vitesse de 5,0 × 106 m/s en se dirigeant vers le nord, mais avec une orientation de 30° sous l'horizontale.  Quelles sont la grandeur et la direction de la force magnétique qui agit sur ce proton au moment où il entre dans ce champ?

Notez bien que, la force magnétique étant perpendiculaire au déplacement, elle n'effectue aucun travail!  Ce sont toujours les autres forces présentes dans le système qui font le travail!

Un sélecteur de vitesse est un appareil qui permet de sélectionner des particules chargées ayant une vitesse précise.  On les trouve notamment dans les spectromètres de masse.  Le principe est relativement simple : les particules ayant la bonne vitesse passent tout droit, les autres sont déviées et bloquées.  

D’une part, on installe deux plaques chargées (de signes contraires) parallèlement l’une à l’autre et d’autre part, un aimant.  Les premières créent un champ électrique qui applique une force électrique dirigée vers la plaque négative à toute particule qui se dirige parallèlement à ces plaques et entre elles.  Quant à l’aimant, il est disposé de façon à créer un champ magnétique qui soit perpendiculaire à la fois au champ électrique et à la direction de propagation de la particule.  Les forces électriques et magnétiques se contrebalancent alors…  Si et seulement si la vitesse est de v = E/B :

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