Comment fonctionnent les champs magnétiques ?

•••Syed Hussain Ather

​Champs magnétiquesdécrire comment la force magnétique est distribuée dans l'espace autour des objets. Généralement, pour un objet magnétique, les lignes de champ magnétique se déplacent du pôle nord de l'objet au pôle sud, tout comme elles le font pour le champ magnétique terrestre, comme le montre le schéma ci-dessus.

La même force magnétique qui fait que les objets collent aux surfaces des réfrigérateurs est utilisée dans le champ magnétique terrestre qui protège la couche d'ozone des vents solaires nocifs. Le champ magnétique forme des paquets d'énergie qui empêchent la couche d'ozone de perdre du dioxyde de carbone.

Vous pouvez l'observer en versant de la limaille de fer, de petits morceaux de fer ressemblant à de la poudre, en présence d'un aimant. Placez un aimant sous un morceau de papier ou une feuille de tissu léger. Versez la limaille de fer et observez les formes et les formations qu'elles prennent. Déterminez quelles lignes de champ il faudrait pour que les dépôts s'arrangent et se répartissent ainsi selon la physique des champs magnétiques.

Plus la densité des lignes de champ magnétique tracées du nord au sud est grande, plus l'amplitude du champ magnétique est grande. Ces pôles nord et sud dictent également si les objets magnétiques sont attractifs (entre les pôles nord et sud) ou répulsifs (entre les pôles identiques). Les champs magnétiques sont mesurés en unités de Tesla,T​.

Parce que des champs magnétiques se forment chaque fois que des charges sont en mouvement, les champs magnétiques sont induits par le courant électrique à travers des fils. Le champ vous donne un moyen de décrire la force potentielle et la direction d'une force magnétique en fonction du courant traversant un fil électrique et de la distance parcourue par le courant. Les lignes de champ magnétique forment des cercles concentriques autour des fils. La direction de ces champs peut être déterminée via la "règle de la main droite".

Cette règle vous dit que, si vous placez votre pouce droit dans la direction du courant électrique à travers un fil, les champs magnétiques résultants sont dans la direction de la façon dont les doigts de votre main s'enroulent. Avec un courant plus important, un champ magnétique plus important est induit.

Vous pouvez utiliser différents exemples derègle de la main droite, une règle générale pour déterminer la direction de différentes quantités impliquant le champ magnétique, la force magnétique et le courant. Cette règle empirique est utile pour de nombreux cas en électricité et magnétisme comme dicté par les mathématiques des quantités.

•••Syed Hussain Ather

Cette règle de la main droite peut également être appliquée dans l'autre sens pour unsolénoïde, ou une série de courant électrique enroulé dans des fils autour d'un aimant. Si vous pointez votre pouce droit dans la direction du champ magnétique, les doigts de votre main droite s'enrouleront dans la direction du courant électrique. Les solénoïdes vous permettent d'exploiter la puissance du champ magnétique par le biais de courants électriques.

•••Syed Hussain Ather

Lorsqu'une charge électrique se déplace, le champ magnétique est généré car les électrons qui tournent et se déplacent deviennent eux-mêmes des objets magnétiques. Les éléments qui ont des électrons non appariés dans leurs états fondamentaux tels que le fer, le cobalt et le nickel peuvent être alignés de manière à former des aimants permanents. Le champ magnétique produit par les électrons de ces éléments permet au courant électrique de circuler plus facilement à travers ces éléments. Les champs magnétiques eux-mêmes peuvent également s'annuler s'ils sont de même amplitude dans des directions opposées.

Courant circulant dans une batteriejedégage un champ magnétiqueBau rayonrselon l'équation deLa loi d'Ampère​:

oùμ​₀ est la constante magnétique de perméabilité au vide,1,26 x 10^-6 H/m("Henries par mètre" dans lequel Henries est l'unité d'inductance). Augmenter le courant et se rapprocher du fil augmentent tous deux le champ magnétique qui en résulte.

Pour qu'un objet soit magnétique, les électrons qui composent l'objet doivent pouvoir se déplacer librement autour et entre les atomes de l'objet. Pour qu'un matériau soit magnétique, les atomes avec des électrons non appariés de même spin sont des candidats idéaux car ces atomes peuvent s'apparier les uns aux autres pour permettre aux électrons de circuler librement. Tester des matériaux en présence de champs magnétiques et examiner les propriétés magnétiques des atomes qui composent ces matériaux peuvent vous renseigner sur leur magnétisme.

​Ferromagnétiquesont cette propriété d'être magnétiques en permanence.Para-aimants, en revanche, n'affichera pas de propriétés magnétiques, sauf en présence d'un champ magnétique pour aligner les spins des électrons afin qu'ils puissent se déplacer librement.Dia-aimantsont des compositions atomiques telles qu'elles ne sont pas du tout affectées par les champs magnétiques ou ne sont que très peu affectées par les champs magnétiques. Ils n'ont pas ou peu d'électrons non appariés pour laisser passer les charges.

Les para-aimants fonctionnent parce qu'ils sont faits de matériaux qui ont toujoursmoments magnétiques, appelés dipôles. Ces moments sont leur capacité à s'aligner avec un champ magnétique externe en raison du spin des électrons non appariés dans les orbitales des atomes qui composent ces matériaux. En présence d'un champ magnétique, les matériaux s'alignent pour s'opposer à la force du champ magnétique. Les éléments paramagnétiques comprennent le magnésium, le molybdène, le lithium et le tantale.

Dans un matériau ferromagnétique, le dipôle des atomes est permanent, généralement en raison du chauffage et du refroidissement du matériau paramagnétique. Cela en fait des candidats idéaux pour les électro-aimants, les moteurs, les générateurs et les transformateurs destinés à être utilisés dans les appareils électriques. Les dia-aimants, en revanche, peuvent produire une force qui permet aux électrons de circuler librement sous forme de courant qui, ensuite, crée un champ magnétique opposé à tout champ magnétique qui leur est appliqué. Cela annule le champ magnétique et les empêche de devenir magnétiques.

Les champs magnétiques déterminent comment les forces magnétiques peuvent être distribuées en présence de matériau magnétique. Alors que les champs électriques décrivent la force électrique en présence d'un électron, les champs magnétiques n'ont aucune particule analogue sur laquelle décrire la force magnétique. Les scientifiques ont émis l'hypothèse qu'un monopôle magnétique peut exister, mais il n'y a pas eu de preuves expérimentales pour montrer que ces particules existent. Si elles existaient, ces particules auraient une « charge » magnétique de la même manière que les particules chargées ont des charges électriques.

La force magnétique résulte de la force électromagnétique, la force qui décrit à la fois les composants électriques et magnétiques des particules et des objets. Cela montre à quel point le magnétisme intrinsèque est aux mêmes phénomènes d'électricité tels que le courant et le champ électrique. La charge d'un électron est ce qui fait que le champ magnétique le fait dévier par la force magnétique de la même manière que le champ électrique et la force électrique.

Alors que seules les particules chargées en mouvement émettent des champs magnétiques, et toutes les particules chargées émettent champs électriques, champs magnétiques et électromagnétiques font partie de la même force fondamentale de électromagnétisme. La force électromagnétique agit entre toutes les particules chargées de l'univers. La force électromagnétique prend la forme de phénomènes quotidiens dans l'électricité et le magnétisme tels que l'électricité statique et les liaisons chargées électriquement qui maintiennent les molécules ensemble.

Cette force ainsi que les réactions chimiques forment également la base de la force électromotrice qui permet au courant de circuler dans les circuits. Lorsqu'un champ magnétique est vu entrelacé avec un champ électrique, le produit résultant est connu sous le nom de champ électromagnétique.

leéquation de la force de Lorentz​

décrit la force exercée sur une particule chargéeqse déplaçant à vitesseven présence d'un champ électriqueEet champ magnétiqueB. Dans cette équation leXentreqvetBreprésente le produit croisé. Le premier termeqEest la contribution du champ électrique à la force, et le deuxième termeqv x Best la contribution du champ magnétique.

L'équation de Lorentz vous dit également que la force magnétique entre la vitesse de chargevet le champ magnétiqueBestqvbsinϕmoyennant un supplémentqoùϕ("phi") est l'angle entrevetB, qui doit être inférieur à 180degrés. Si l'angle entrevetBest plus grand, alors vous devez utiliser l'angle dans la direction opposée pour corriger cela (à partir de la définition d'un produit vectoriel). Siϕest 0, comme dans, la vitesse et le champ magnétique pointent dans la même direction, la force magnétique sera de 0. La particule continuera à se déplacer sans être déviée par le champ magnétique.

•••Syed Hussain Ather

Dans le diagramme ci-dessus, le produit vectoriel entre deux vecteursuneetbestc. Notez la direction et l'ampleur dec. C'est dans la direction perpendiculaire àuneetblorsqu'il est donné par la règle de la main droite. La règle de droite signifie que la direction du produit croisé résultantcest donnée par la direction de votre pouce lorsque votre index droit est dans la direction debet votre majeur droit est dans la direction deune​.

Le produit vectoriel est une opération vectorielle qui donne le vecteur perpendiculaire aux deuxqvetBdonnée par la règle de la main droite des trois vecteurs et avec l'amplitude de l'aire du parallélogramme que les vecteursqvetBportée. La règle de droite signifie que vous pouvez déterminer la direction du produit croisé entreqvetBen plaçant votre index droit dans la direction deB, votre majeur dans la direction deqv, et la direction résultante de votre pouce sera la direction du produit croisé de ces deux vecteurs.

•••Syed Hussain Ather

Dans le diagramme ci-dessus, la règle de droite montre également la relation entre le champ magnétique, la force magnétique et le courant à travers un fil. Cela montre également que le produit croisé entre ces trois quantités peut représenter la règle de la main droite car le produit croisé entre la direction de la force et le champ est égal à la direction du courant.

Des champs magnétiques d'environ 0,2 à 0,3 tesla sont utilisés en IRM, imagerie par résonance magnétique. L'IRM est une méthode que les médecins utilisent pour étudier les structures internes du corps d'un patient, telles que le cerveau, les articulations et les muscles. Cela se fait généralement en plaçant le patient dans un champ magnétique puissant de sorte que le champ s'étend le long de l'axe du corps. Si vous imaginez que le patient était un solénoïde magnétique, les courants électriques s'enrouleraient autour de son corps et le champ magnétique serait dirigé dans la direction verticale par rapport au corps, comme dicté par la main droite régner.

Les scientifiques et les médecins étudient ensuite les façons dont les protons s'écartent de leur alignement normal pour étudier les structures à l'intérieur du corps d'un patient. Grâce à cela, les médecins peuvent établir des diagnostics sûrs et non invasifs de diverses affections.

La personne ne ressent pas le champ magnétique pendant le processus, mais, parce qu'il y a tellement d'eau dans le corps humain, les noyaux d'hydrogène (qui sont des protons) s'alignent grâce à la domaine. Le scanner IRM utilise un champ magnétique dont les protons absorbent l'énergie et, lorsque le champ magnétique est désactivé, les protons reviennent à leur position normale. L'appareil suit ensuite ce changement de position pour déterminer comment les protons sont alignés et créer une image de l'intérieur du corps du patient.