Un champ magnétique est un champ de force produit par le déplacement de charges électriques. Ce champ de force est appliqué à d'autres charges mobiles non parallèles. Avec le champ électrique, le champ magnétique constitue le champ électromagnétique, responsable de l'interaction électromagnétique dans l'espace.
Du point de vue du magnétisme, les matériaux peuvent être classés en :
- Matériaux paramagnétiques
- Matériaux diamagnétiques
- Matériaux ferromagnétiques
- Matériaux ferrimagnétiques
- Matériaux antiferromagnétiques
- Cela dépend du comportement de sa susceptibilité magnétique.
Qu'est-ce qu'un champ magnétique ?
Un champ magnétique est une région de l’espace où une force magnétique exerce son influence sur des particules chargées en mouvement.
Elle est causée à la fois par les courants électriques et par le mouvement de particules chargées, telles que les électrons. Il est caractérisé par des lignes de flux magnétique qui s'étendent du nord au pôle sud.
Les champs magnétiques jouent un rôle fondamental dans la nature, depuis le magnétisme terrestre qui guide les boussoles jusqu'à leur utilisation dans des technologies telles que les aimants, les moteurs électriques et les IRM en médecine. Comprendre et manipuler les champs magnétiques est essentiel pour diverses applications scientifiques, technologiques et médicales.
Exemples de champs magnétiques
- Champ magnétique terrestre : Le noyau externe de la Terre génère un champ de forces magnétiques qui influence les particules et les objets, les attirant vers le centre de la planète. Ce phénomène est essentiel pour l'orientation et la navigation sur Terre.
- Aimants : Constitués de matériaux spécifiques, les aimants créent des champs magnétiques autour d’eux en raison de la disposition interne des électrons. Chaque aimant possède un pôle nord et un pôle sud, ce qui est essentiel dans de nombreuses applications, depuis l'utilisation quotidienne pour contenir des objets jusqu'aux applications technologiques plus avancées, telles que les disques durs et l'imagerie par résonance magnétique en médecine.
- Moteurs électriques : les moteurs à courant continu et alternatif utilisent des électro-aimants pour générer des champs magnétiques statiques. Ce processus entraîne le mouvement de rotation du rotor, constituant la base du fonctionnement de nombreux appareils et machines électriques, tels que les ventilateurs, les machines à laver et les véhicules électriques.
- Boussole : Un exemple classique d'influence magnétique est la boussole , capable d'aligner son aiguille magnétique entre les pôles nord et sud. Cet instrument a été essentiel tout au long de l'histoire pour la navigation, permettant aux hommes de s'orienter en fonction du champ magnétique terrestre.
- Résonance magnétique nucléaire (IRM) : Dans le domaine médical, la résonance magnétique nucléaire utilise des champs magnétiques pour créer des images détaillées de l'intérieur du corps humain. Cette méthode non invasive est cruciale dans les diagnostics médicaux, car elle fournit des informations précises sur les tissus et les organes.
Tesla : unité de champ magnétique
L'unité de champ magnétique dans le Système international d'unités est le tesla (T). Un tesla représente le champ qui génère une force de 1 newton (N) sur une charge électrique de 1 coulomb (C) se déplaçant dans le champ et perpendiculairement à la direction des lignes de champ magnétique à une vitesse de 1 m/s.
Cependant, le tesla étant une très grande unité, le gauss (G) est parfois utilisé : 10 000 G est égal à 1 T.
Caractéristiques d'un champ magnétique
Le champ magnétique peut être abordé de manière similaire au champ électrique, mais au lieu de considérer la charge électrique (un scalaire) comme source du champ, ce rôle sera joué par le moment dipolaire magnétique (un vecteur).
Les forces magnétiques sont proportionnelles au champ magnétique généré, c'est-à-dire à la valeur de l'induction magnétique, qui est une grandeur vectorielle utilisée pour caractériser un champ.
La relation entre le champ magnétique et un courant électrique est donnée par la loi d'Ampère. Le cas le plus général, qui inclut le courant de déplacement, est donné par la loi d'Ampère-Maxwell.
Champ magnétique produit par une charge ponctuelle
Le champ magnétique généré par une seule charge en mouvement (et non par un mouvement de charges électriques) peut être calculé approximativement à partir de l'équation dérivée de la loi de Biot-Savart :
où
- q est la charge électrique générée par le champ.
- v est la vitesse de déplacement de la charge
- r est la distance du point P à la position de la charge
- u r est un vecteur unitaire qui va du point P à la position de la charge électrique
- μ 0 est une constante appelée perméabilité à l'espace libre. Sa valeur dans le Système International pour le vide est 4π 10-7 T m/A