CHAMP MAGNÉTIQUE (3).

24 Août 2009 , Rédigé par CHOMOLANGMA

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Observation

Lorsqu'on approche un aimant d'une poudre de fer, on observe des formes géométriques particulières. Le ferromagnétisme de la limaille de fer fait qu'elle s'aimante légèrement en présence du champ magnétique. Ainsi, la limaille s'orientera de sorte qu'on observera les lignes de champ magnétique.

La forme précise de ces lignes dépend de la forme de l'aimant.

Dans une bobine suffisamment longue, on observe et on montre que le champ magnétique est pratiquement uniforme à l'intérieur : les lignes de champ sont portées par des droites parallèles et de même écart, selon l'axe du solénoïde.

Décomposition

Le champ magnétique étant de divergence nulle (on parle parfois de champ solénoïdal), il est possible de le décomposer en deux champs appelés champ toroïdal et champ poloïdal. Une telle décomposition est particulièrement appropriée dans les configurations de forme sphérique, et se trouve donc fréquemment utilisée en géophysique et en physique stellaire. Elle est également utilisée pour décrire le champ magnétique qui règne dans un tokamak (lien)

Effets du champ magnétique

Effets physiques

Force de Lorentz

Le champ magnétique influence les particules chargées au travers de la force de Lorentz.

En l'absence de champ électrique, l'expression de cette force est, pour une particule de charge q animée d'une vitesse v :

$\boldsymbol F = q \boldsymbol v \wedge \boldsymbol B$

où on a noté le produit vectoriel par une croix, et où les quantités sont exprimées dans les unités du système international.

On peut réécrire cette relation sous forme différentielle pour un fil, en introduisant le courant électrique :

$\mathrm d \boldsymbol F = I \mathrm d \boldsymbol l \wedge \boldsymbol B$

avec I l'intensité du courant électrique, B le champ magnétique et dl une portion infinitésimale de fil, symbolisée par un vecteur tangent à celui-ci.

Cette expression se généralise aux distributions de courants bidimensionnelles (surfaces et courants surfaciques) aussi bien que tridimensionnelles (volumes et courants volumiques). On introduit dans ces cas la notion d'« élément de courant » dC, définie par :

dC = j_s·dS pour une surface, où j_s est le courant surfacique ;
dC = j dτ pour un volume, où j est le courant volumique.

On a ainsi une expression générale :

$\mathrm d \boldsymbol F = {\rm d} \boldsymbol C \wedge \boldsymbol B$ .

Force de Laplace

La force de Laplace est simplement un cas particulier de la force de Lorentz, pour un barreau homogène et conducteur, parcouru par un courant électrique et placé dans un champ magnétique.

Contrairement à la force de Lorentz, elle ne traite pas des particules constituantes du barreau, mais de l'effet macroscopique : si son expression est similaire, le sens physique des objets considérés diffère. En particulier, la force n'est pas toujours orthogonale à la vitesse.

L'expression de la force de Laplace est :

$\mathrm d \boldsymbol F = I \mathrm d \boldsymbol l \wedge \boldsymbol B$ ,

où I est l'intensité du courant, B le champ magnétique et dl' un élément infinitésimal du barreau.

Supraconducteurs

Les matériaux supraconducteurs ont la propriété intéressante de ne pas pouvoir être pénétrés par un champ magnétique : on parle d'expulsion du champ magnétique. On observe ce phénomène par exemple au travers de l'effet Meissner.

Une des interprétations possibles consiste à fournir une masse aux photons, porteurs du champ magnétique, ce qui diminue la portée de ce champ à l'intérieur du matériau. Il est ainsi possible de faire des analogies avec des processus comme le mécanisme de Higgs, qui explique la masse des porteurs des interactions nucléaires.

On traduit cela par une expression particulière du potentiel vecteur.

Cet effet ne saurait par ailleurs être observé entre deux aimants : la lévitation statique serait alors interdite par le théorème d'Earnshaw.

Dans la théorie BCS, qui traite des supraconducteurs, on peut montrer que le potentiel vecteur est de la forme :

$\boldsymbol A (x) = \boldsymbol A_0 e^{-\frac{x}{\lambda}}$ ,

ou x la profondeur de pénératration dans le supraconducteur et λ est la longueur de pénétration caractéristique, qui vaut

$\lambda = \sqrt{\frac{m}{2 \mu_0 e^2 \rho_{\rm s}}}$ ,

où m est la masse d'un électron, e sa charge électrique et ρ_s la densité superfluide du supraconducteur, supposée uniforme et constante. Ainsi, le potentiel vecteur — donc le champ magnétique — ne pénètre que sur une épaisseur de quelques λ à l'intérieur du matériau.

Si le champ magnétique environnant le matériau supraconducteur est trop intense, celui-ci ne peut expulser le champ dans sa totalité. Certaines régions du matériau supraconducteur vont devenir non supraconductrices et canaliser le champ magnétique. Le supraconducteur a tendance à minimiser la taille de telles régions, qui prennent la forme de tubes alignés le long du champ magnétique. Ces régions sont appelées, pour des raisons évidentes, tubes de flux.

L'effet Meissner résulte de l'expulsion des champs magnétiques par un matériau supraconducteur.

Induction, induction mutuelle et ondes

Le phénomène d'induction électromagnétique (ou induction magnétique ou, simplement, induction) a pour résultat la production d'une différence de potentiel aux bornes d'un conducteur électrique soumis à un champ électromagnétique variable. Cela s'exprime au travers de l'équation locale de Maxwell-Faraday :

$\boldsymbol \nabla \wedge \boldsymbol E = - \frac{\partial \boldsymbol B}{\partial t}$ ,

E étant le champ électrique, B le champ magnétique.

Ce champ électrique peut à son tour engendrer un champ magnétique, propageant ainsi une onde électromagnétique.

Lorsqu'un matériau est placé dans un champ magnétique variant, il apparaît dans celui-ci un champ électrique (dont la circulation est appelée force électromotrice) qui génère à son tour des courants, appelés courants de Foucault. C'est d'une part le principe des alternateurs, qui produisent de l'électricité en déplaçant des aimants. C'est d'autre part le principe des chauffages et plaques à induction, car la dissipation par effet Joule de ces courants échauffe le métal.

Par ailleurs, deux systèmes magnétiques, comme des bobines, peuvent être couplés au travers du champ magnétique. On parle d'induction mutuelle (ou de mutuelle induction). Cet effet modifie le comportement individuel de chaque circuit.

On peut aborder cet effet par un modèle très simple : un conducteur ohmique de conductivité électrique γ est parcouru par un champ magnétique sinusoïdal, d'intensité B₀ et de pulsation ω. Ce champ est, à tout instant t, d'intensité B donnée par :

$B = B_0 \sin( \omega t + \varphi)$ .

Ce champ induit dans le conducteur, d'après la loi de Faraday, un champ électrique E d'intensité E donnée par

$E = - \omega B_0 \cos( \omega t + \varphi)$ .

D'après la loi d'Ohm, il se dissipe donc une puissance moyenne volumique, par effet Joule :

$\mathcal P = \gamma \langle E^2 \rangle = \frac{\gamma \omega^2 B_0^2}{2}$

Chauffage par induction d'une bouteille en métal : la variation d'un champ magnétique induit des courants dans le corps de l'objet, qui échauffent celui-ci par effet Joule.

Effet Hall

Un conducteur, parcouru par un courant électrique selon une direction, soumis à un champ magnétique dirigé dans une seconde direction, présente une différence de potentiel selon la troisième direction. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet Hall, en l'honneur du physicien américain Edwin Herbert Hall.

On peut expliquer cet effet au travers de la physique classique, en considérant que les porteurs de charge (par exemple les électrons) qui se déplacent dans le corps du conducteur sont soumis à la force de Lorentz, donc déviés, de sorte que leur répartition est différente d'une part et d'autre du conducteur — d'où la différence de potentiel. On peut l'expliquer de manière plus fondamentale du point de vue de la mécanique quantique.

Cet effet est à la base de nombreux dispositifs de mesure du champ magnétique et du courant électrique.

Magnétorésistance

En présence d'un champ magnétique, certains conducteurs voient leur résistance électrique varier. Cet effet est appelé magnétorésistance, et présente de nombreuses applications, par exemple dans les disques durs qui équipent les ordinateurs modernes.

Il n'existe pas à ce jour d'explication définitive de tous les phénomènes de magnétorésistance, mais des théories distinctes qui régissent les principales manifestations de cet effet : la magnétorésistance classique, « géante », « colossale » et la magnétorésistance à effet tunnel.

Dipôles magnétiques

Parfois, on peut introduire la notion de moment magnétique, qui permet de travailler avec des dipôles.

En particulier, on utilise ce modèle au niveau microscopique, lorsqu'un ensemble de molécules ou de particules est parcouru par un courant. Pour une boucle ceinturant une surface orientée S et parcourue par un courant I, on définit le moment magnétique M par :

$\boldsymbol M = I \boldsymbol S$ .

Ceci revient à assimiler l'objet à un aimant droit infiniment fin. On peut alors introduire une énergie potentielle dipolaire :

$E_p = - \boldsymbol M \cdot \boldsymbol B$ .

Ainsi, elle est minimale lorsque le dipôle est aligné avec le champ. On montre de même que, dans une chaîne de dipôles, ils s'orientent tous dans une même direction pour minimiser leur énergie. Dans les cas (fréquents) où on ne sait pas modéliser la structure d'un dipôle magnétique par une boucle de courant, le moment magnétique est défini par la relation ci-dessus, c'est-à-dire par l'énergie qu'il faut fournir pour tourner un dipôle magnétique dans un champ magnétique donné.

Dans les matériaux, lorsqu'on considère des moments magnétiques de particules, le fait qu'ils s'orientent tous de la même manière ne peut être expliqué que d'un point de vue quantique (principe d'exclusion de Pauli et hamiltonien de Heisenberg).

Un dipôle magnétique, caractérisé par son moment magnétique, est analogue à un aimant droit.

Dans le cadre d'un dipôle magnétique de moment M soumis à un champ B, lorsque le champ est homogène, le torseur des forces se réduit au moment car la résultante des forces est nulle. On a donc :

$\boldsymbol \Gamma = \boldsymbol M \wedge \boldsymbol B$ ,

où Γ le moment résultant, M le moment magnétique du dipôle et B le champ magnétique.

Cela explique notamment l'effet d'un champ magnétique sur une boussole : il a tendance à aligner l'aiguille de celle-ci avec le champ.

Si en revanche le champ est inhomogène, alors le dipôle subit de plus une force, dont l'expression est :

$\boldsymbol F = \left( \boldsymbol M \cdot \mathbf \boldsymbol \nabla \right) \boldsymbol B$ ,

avec les mêmes notations que précédemment.

Cela explique notamment le fait que deux aimants s'attirent : cette force s'exerce sur le premier de sorte à l'approcher des champs plus intenses, donc plus près de l'autre aimant. En supposant cette fois que les pôles sont ponctuels, alors l'intensité de la force F s'exerçant d'un pôle sur l'autre est donnée par :

$F=\frac{\mu g_1 g_2}{4\pi r^2}$ ,

où g₁ et g₂ représentent l'intensité de ces pôles en (A·m si elles sont exprimées dans le système international d'unités), μ la perméabilité magnétique du milieu, et r la distance entre les pôles.

En présence d'un champ magnétique, le fer s'aimante à son tour et devient un dipôle. Il est alors soumis aux forces créées par un aimant droit et s'oriente selon les lignes de champ.

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corsi

25/08/2009 05:20

bon mardi bizzzzzzz

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