MAGNÉTISME (notions de base)

Les lois classiques du magnétisme

Le concept fondamental permettant la description scientifique des phénomènes magnétiques est la notion de champ magnétique. Noté en général B, c’est une quantité qui a les caractéristiques d’un vecteur, c’est-à-dire qu’il a une direction, un sens et une intensité exprimée en tesla dans le système international d’unités ( on utilise encore parfois le gauss, unité CGS, égal au dix-millième de tesla). L’ordre de grandeur du champ magnétique créé dans le vide par un aimant permanent à quelques millimètres de sa surface est le dixième de tesla ; celui du champ magnétique terrestre est de 50 microteslas, soit un demi-gauss. Les champs magnétiques intenses (supérieurs à 1 tesla) sont produits par des électro-aimants. Les gigantesques aimants supraconducteurs du grand collisionneur hadronique (le L.H.C.) du Cern à Genève atteignent la dizaine de teslas. On sait fabriquer des bobines créant des champs magnétiques transitoires d’une centaine de teslas. On pense que le champ à l’intérieur d’une étoile à neutrons peut dépasser la centaine de millions de teslas. Un champ magnétique s’étend dans l’espace, même si celui-ci est vide de matière, et pénètre à l’intérieur de la plupart des objets en y étant éventuellement modifié suivant la « perméabilité » ou la « susceptibilité » magnétiques des matériaux qui les composent.

L’action d’un champ magnétique B sur une particule chargée est réalisée par la force de Laplace (exprimée mathématiquement par l’équation F = q v x B, où q est la charge et v le vecteur vitesse de la particule ; le symbole x représente le produit vectoriel). Ainsi, cette force n’agit que sur des particules chargées en mouvement, et elle est perpendiculaire à chacun des vecteurs décrivant la vitesse et le champ magnétique. Contrairement à la force créée par le champ électrique, elle ne modifie pas l’énergie cinétique, mais plutôt la direction de propagation de la particule ; on l’utilise donc pour guider ou focaliser les faisceaux de particules. Lorsque le champ est uniforme, une particule de masse m et de vitesse v décrit une trajectoire circulaire de rayon moyen égal au rapport mv/qB où B est l’intensité du champ.

Les lois de l’induction magnétique écrites en 1831 par le physicien anglais Michael Faraday (1791-1867) explicitent les relations entre les champs magnétiques et les courants électriques variables. Ainsi dans une plaque chauffante « à induction », des bobines parcourues par des courants alternatifs de haute fréquence (de l’ordre de 25 kHz) produisent dans leur voisinage un champ magnétique rapidement variable. Celui-ci déclenche dans un fond de casserole en matériau ferromagnétique des courants électriques, dits « de Foucault » en référence au physicien français Léon Foucault (1819-1868) qui les a étudiés en détail. Ces courants chauffent le fond de la casserole par effet Joule ordinaire.

Une notion importante pour comprendre l’action d’un champ magnétique est le flux de ce champ à travers une surface plane. Ce flux est défini comme le produit de l’intensité du champ par l’aire et par le cosinus de l’angle entre le vecteur champ et le vecteur orthogonal à la surface. L’unité conventionnelle de flux est le Weber (1 Wb = 1T × 1m²). La force électromotrice qui s’exerce sur une surface est égale au taux de variation du flux à travers cette surface. Une propriété fondamentale du magnétisme est que le flux à travers une surface fermée (c’est-à-dire qui entoure complètement un volume) est nul.