Les champs sont tout autour de nous. Que ce soit le champ gravitationnel causé par la masse de la Terre ou les champs électriques créés par des particules chargées comme les électrons, il y a des champs invisibles partout, représentant des potentiels et des forces invisibles capables de déplacer des objets avec des caractéristiques.
Par exemple, un champ électrique dans une zone signifie qu'un objet chargé peut être dévié de son chemin d'origine lorsqu'il pénètre dans la région, et le champ gravitationnel dû à la masse de la Terre vous maintient fermement à la surface de la Terre à moins que vous ne fassiez un travail pour surmonter son influence.
Les champs magnétiques sont la cause des forces magnétiques, et les objets qui exercent des forces magnétiques sur d'autres objets le font en créant un champ magnétique. Les champs magnétiques peuvent être détectés en déviant les aiguilles de la boussole qui s'alignent avec les lignes de champ (le nord magnétique de l'aiguille pointant vers le sud magnétique). Si vous étudiez l'électricité et le magnétisme, en apprendre davantage sur les champs magnétiques et la force magnétique est une étape cruciale de votre voyage.
Qu'est-ce qu'un champ magnétique ?
En physique en général, les champs sont des vecteurs avec des valeurs dans chaque région de l'espace qui vous indiquent la force ou la faiblesse d'un effet à ce point, et la direction de l'effet. Par exemple, un objet avec une masse, comme le soleil, crée un champ gravitationnel, et d'autres objets avec une masse entrant dans ce champ sont affectés par une force en conséquence. C'est ainsi que l'attraction gravitationnelle du soleil maintient la Terre en orbite autour d'elle.
Plus loin dans le système solaire, comme à la portée de l'orbite d'Uranus, la même force s'applique, mais la force est beaucoup plus faible. Il est toujours dirigé directement vers le soleil; si vous imaginez une collection de flèches entourant le soleil, toutes pointant vers lui mais avec des longueurs plus longues à courte distance (force plus forte) et des longueurs plus petites sur de longues distances (force plus faible), vous avez essentiellement imaginé le champ gravitationnel dans le soleil système.
De la même manière, les objets chargés créent des champs électriques et les charges en mouvement génèrentchamps magnétiques, ce qui peut donner lieu à une force magnétique dans un objet chargé à proximité ou d'autres matériaux magnétiques.
Ces champs sont un peu plus compliqués en termes de forme que les champs gravitationnels, car ils ont des boucles magnétiques lignes de champ qui émergent du pôle positif (ou pôle nord) et se terminent au pôle négatif (ou pôle sud), mais elles remplissent le même rôle. Ce sont comme des lignes de force, qui vous indiquent comment un objet placé à un endroit se comportera. Vous pouvez clairement visualiser cela en utilisant de la limaille de fer, qui s'alignera avec le champ magnétique externe.
Les champs magnétiques sonttoujours champs dipolaires, il n'y a donc pas de monopôles magnétiques. Généralement, les champs magnétiques sont représentés par la lettreB, mais si un champ magnétique traverse un matériau magnétique, celui-ci peut se polariser et générer son propre champ magnétique. Ce deuxième champ contribue au premier champ, et la combinaison des deux est désignée par la lettreH, où
H=\frac{B}{\mu_m}\text{ et }\mu_m=K_m\mu_0
avec0 = 4π × 10−7 H/m (c'est-à-dire la perméabilité magnétique de l'espace libre) et Km étant la perméabilité relative du matériau en question.
La quantité de champ magnétique traversant une zone donnée est appelée flux magnétique. La densité de flux magnétique est liée à l'intensité du champ local. Comme les champs magnétiques sont toujours dipolaires, le flux magnétique net à travers une surface fermée est de 0. (Toutes les lignes de champ sortant de la surface y entrent nécessairement à nouveau, s'annulant.)
Unités et mesure
L'unité SI de l'intensité du champ magnétique est le tesla (T), où :
1 tesla = 1 T = 1 kg/A s2 = 1 Vs/m2 = 1 S.O. m
Une autre unité largement utilisée pour l'intensité du champ magnétique est le gauss (G), où :
1 gauss = 1 G = 10−4 T
Le tesla est une unité assez grande, donc dans de nombreuses situations pratiques, le gauss est un choix plus utile - par exemple, un l'aimant du réfrigérateur aura une force d'environ 100 G, tandis que le champ magnétique terrestre à la surface de la Terre est environ 0,5 G.
Causes des champs magnétiques
L'électricité et le magnétisme sont fondamentalement liés car les champs magnétiques sont générés par la charge en mouvement (comme les courants électriques) ou des champs électriques changeants, tandis qu'un champ magnétique changeant génère un domaine.
Dans un barreau aimanté ou un objet magnétique similaire, le champ magnétique résulte de plusieurs « domaines » magnétiques s'alignent, qui sont à leur tour créés par le mouvement des électrons chargés autour des noyaux de leur atomes. Ces mouvements produisent de petits champs magnétiques dans un domaine. Dans la plupart des matériaux, les domaines auront un alignement aléatoire et s'annuleront, mais dans certains matériaux, les champs magnétiques dans les domaines voisins s'alignent, et cela produit à plus grande échelle magnétisme.
Le champ magnétique terrestre est également généré par une charge en mouvement, mais dans ce cas, c'est le mouvement de la couche fondue entourant le noyau terrestre qui crée le champ magnétique. Ceci s'explique parthéorie de la dynamo, qui décrit comment un fluide en rotation chargé électriquement génère un champ magnétique. Le noyau externe de la Terre contient du fer liquide en mouvement constant, avec des électrons voyageant à travers le liquide et générant le champ magnétique.
Le soleil a également un champ magnétique, et l'explication de son fonctionnement est très similaire. Cependant, les vitesses de rotation variables des différentes parties du soleil (c'est-à-dire le matériau semblable à un fluide à différentes latitudes) conduit aux lignes de champ s'emmêler au fil du temps ainsi que de nombreux phénomènes associés au soleil, comme les éruptions solaires et les taches solaires, et l'énergie solaire d'environ 11 ans cycle. Le soleil a deux pôles, tout comme une barre aimantée, mais les mouvements du plasma solaire et l'augmentation progressive de l'activité solaire font basculer les pôles magnétiques tous les 11 ans.
Formules de champ magnétique
Les champs magnétiques dus aux différents arrangements de charge en mouvement doivent être dérivés individuellement, mais il existe de nombreuses formules standard que vous pouvez utiliser pour ne pas avoir à « réinventer la roue » chaque temps. Vous pouvez dériver des formules pour pratiquement n'importe quel arrangement de charge mobile en utilisant la loi de Biot-Savart ou la loi d'Ampère-Maxwell. Cependant, les formules résultantes pour des arrangements simples de courant électrique sont si couramment utilisées et citées que vous pouvez les traiter simplement comme des "formules standard" plutôt que de les dériver à chaque fois de la loi de Biot-Savart ou d'Ampère-Maxwell.
Le champ magnétique d'un courant linéaire est déterminé à partir de la loi d'Ampère (une forme plus simple de la loi d'Ampère-Maxwell) comme suit :
B = \frac{μ_0 I}{2 r}
Oùμ0 est tel que défini précédemment,jeest le courant en ampères etrest la distance du fil dont vous mesurez le champ magnétique.
Le champ magnétique au centre d'une boucle de courant est donné par :
B = \frac{μ_0 I}{2 R}
OùRest le rayon de la boucle, et les autres symboles sont tels que définis précédemment.
Enfin, le champ magnétique d'un solénoïde est donné par :
B = μ_0 \frac{N}{L} I
OùNest le nombre de tours etLest la longueur du solénoïde. Le champ magnétique d'un solénoïde est largement concentré au centre de la bobine.
Exemples de calculs
Apprendre à utiliser ces équations (et celles comme elles) est la principale chose que vous aurez à faire lors du calcul d'un champ magnétique ou la force magnétique qui en résulte, donc un exemple de chacun vous aidera à résoudre le genre de problèmes que vous êtes susceptible de rencontrer rencontrer.
Pour un long fil droit transportant un courant de 5 ampères (c'est-à-dire I = 5 A), quelle est l'intensité du champ magnétique à 0,5 m du fil ?
En utilisant la première équation avec I = 5 A et r = 0,5 m donne :
\begin{aligned} B &= \frac{μ_0 I}{2 π r} \\ &= \frac{4π × 10^{−7} \text{ H/m} × 5 \text{ A}}{ 2π × 0,5 \text{ m}} \\ &= 2 × 10^{−6}\text{ T} \end{aligned}
Maintenant pour une boucle de courant portant I = 10 A et de rayon r = 0,2 m, quel est le champ magnétique au centre de la boucle? La deuxième équation donne :
\begin{aligned} B &= \frac{μ_0 I}{2R} \\ &= \frac{4π × 10^{−7} \text{ H/m} × 10 \text{ A}}{2 × 0.2 \text{ m}} \\ &= 3.14 × 10^{−5}\text{ T} \end{aligned}
Enfin, pour un solénoïde avec N = 15 tours sur une longueur de L = 0,1 m, transportant un courant de 4 A, quelle est l'intensité du champ magnétique au centre ?
La troisième équation donne :
\begin{aligned} B &= μ_0\frac{N}{L}I \\ &= 4π × 10^{−7} \text{ H/m} ×\frac{15 \text{ tours}}{0.1 \text{ m}} × 4 \text{ A}\\ &= 7,54 × 10^{−4}\text{ T} \end{aligned}
D'autres exemples de calculs de champ magnétique peuvent fonctionner un peu différemment - par exemple, vous indiquer le champ au centre d'un solénoïde et le courant, mais en demandant le rapport N/L - mais tant que vous connaissez les équations, vous n'aurez pas de problèmes leur répondre.