MAGNÉTISME

I. LES TROIS EFFETS DU COURANT ÉLECTRIQUE

Prenons comme générateur de courant électrique une batterie d'accumulateurs; relions ses pôles à un circuit comprenant un interrupteur K, un fil AB tendu horizontalement au-dessus d'une boussole, une tige T verticale mobile autour d'un point O et trempant dans un bain de mercure, une lampe à incandescence L, une cuve à électrolyse D comportant deux électrodes de platine et contenant de l'eau additionnée d'un peu d'acide sulfurique. Quand on ferme l'interrupteur K, on constate les trois effets du courant électrique.
  • Effet calorifique: le filament de la lampe s'échauffe.
  • Effet chimique: Un dégagement gazeux se produit aux deux électrodes (dihydrogène à la cathode et dioxygène à l'anode.
  • Effet magnétique: L'aiguille aimantée constituant la boussole dévie, car le courant exerce sur cette aiguille des forces magnétiques. Si nous disposons un aimant en fer à cheval autour de la tige, nous constatons que cette tige se place obliquement (la tige est soumise à une force).

II. AIMANTS ET SUBSTANCES MAGNÉTIQUES

Les pierres d'aimant (la magnétite qui contient du tetroxyde de trifer Fe3O4) sont connues depuis la plus haute antiquité comme possédant deux propriétés essentielles:
  • Elles attirent des morceaux de fer (clous ou limaille de fer).
  • Elles peuvent s'orienter à la surface de la Terre lorsqu'on les rend mobiles
Le magnétisme est l'ensemble des phénomènes qui se rattachent à ces deux propriétés. Les points où se manifestent les phénomènes d'attraction sont les pôles. La magnétite est un aimant naturel par opposition aux aimants artificiels qui ont des formes diverses:
  • Aimant droit qui est un barreau d'acier droit.
  • Aimant en fer à cheval (aimant en U).
  • Aiguille aimantée
Un aimant artificiel peut être permanent ou temporaire. L'acier a une forte rémanence magnétique; c'est une substance ferromagnétique qui demeure aimantée lorsqu'on retire l'aimant qui l'a initialement attiré. Le fer doux (fer sans carbone) a une faible rémanence magnétique; il perd ses propriétés magnétiques lorsqu'on retire l'aimant. Plus généralement, on peut dire qu'un aimant est un objet qui peut attirer certains métaux comme le fer, le cobalt et le nickel. Les deux extrémités d'un aimant ont des comportements différents:
  • L'une des extrémités s'oriente toujours vers le Nord géographique: le pôle nord de l'aimant.
  • L'autre extrémité s'oriente toujours vers le Sud géographique: le pôle sud de l'aimant.
Le pôle nord magnétique d'une boussole s'oriente vers le Nord géographique de la Terre. qui est en fait son sud magnétique.La Terre se comporte comme un vaste aimant que l'on peut représenter par un aimant droit qui la traverserait du pôle nord au pôle sud.Le pôle sud de cet aimant se trouverait dans le voisinage du pôle nord géographique et le pôle nord de cet aimant se trouverait près du pôle sud géographique.Il un petit écart angulaire entre l'axe nord-sud géographique et l'axes nord-sud magnétique. Cet angle est la déclinaison magnétique.
Du point de vue magnétisme, on distingue 5 sortes de substances:
  • Les substances qui constituent un aimant: substances magnétiques.
  • Les substances ferromagnétiques qui sont attirées par un aimant (fer, cobalt, nickel).
  • Les substances non magnétiques qui ne sont pas attirées par un aimant: elles ne contiennent ni substance magnétique, ni substance ferromagnétique.
  • Les substances paramagnétiques, qui, sans être ferromagnétiques comme le fer, sont dans une moindre mesure attirées par un aimant. Les molécules de ces substances comprennent un nombre impair d'électrons, comme le dioxyde d'azote ou un nombre pair d'électrons qui ne sont pas tous appariés en doublets comme le dioxygène (méthode des orbitales moléculaires liantes et antiliantes).
  • Les substances diamagnétiques qui, comme le bismuth, sont repoussées par un aimant.

Entre deux aimants, il existe des forces analogues aux forces électriques entre deux charges électriques:
  • Un aimant attire un autre aimant lorsque les deux pôles en vis à vis sont un pôle nord et un pôle sud.
  • Un aimant repousse un autre aimant lorsque les deux pôles en vis à vis sont deux pôles nord ou deux pôles sud.

C'est pour cette raison qu'une aiguille aimantée placée près d'un aimant droit s'oriente de telle sorte que le pôle sud de l'aiguille soit dirigé. vers le pôle nord de l'aimant droit.

III. CHAMPS MAGNÉTIQUES

En physique, le mot «champ» désigne une déformation de l'espace-temps qui constitue notre univers. Ainsi, la présence d'une masse en un point quelconque de l'univers déforme l'espace tout autour d'elle, en créant ce qu'on appelle un champ de gravitation; le champ de la pesanteur est le champ de gravitation créé par la Terre. De la même façon, nous désignerons par champ magnétique la région de l'espace dans laquelle un aimant exerce son action: toute aiguille aimantée placée dans cette région sera soumise à une force magnétique. En plaçant de la limaille de fer sur une plaque de verre au-dessus d'aimant droit, les petites particules de fer deviennent autant de petits aimants qui vont s'aligner le long des lignes de force du champ magnétique de l'aimant. L'ensemble de ces lignes de force constituent le spectre magnétique de l'aimant. Le schéma ci-dessous représente les lignes de force d'un aimant droit. À l'extérieur de l'aimant, les lignes de forces sont dirigées vers le pôle sud de l'aimant et s'éloignent de son pôle nord; à l'intérieur de l'aimant, c'est le phénomène contraire.
La Terre est aussi un gigantesque aimant. Le schéma ci-dessous représente le champ magnétique terrestre:

IV. ÉLECTROMAGNÉTISME

L'électromagnétisme recouvre l'ensemble des phénomènes magnétiques liés à un courant électrique. Nous étudions dans le cadre du programme:
  • Le champ magnétique créé par un courant électrique dans un fil rectiligne.
  • Le champ magnétique créé par un courant électrique dans un solénoïde.
  • Les électroaimants et leurs applications technologiques.

4.1) CHAMP MAGNÉTIQUE CRÉÉ PAR UN FIL RECTILIGNE

Le champ d'induction magnétique créé par un courant a été mis en évidence pour la première fois par Oersted en 1819. On peut réaliser l'expérience d'Oersted de la manière suivante: au-dessus d'une aiguille aimantée placée dans le champ magnétique terrestre et mobile autour d'un axe vertical, disposons un fil conducteur AB parallèle à la ligne des pôles, donc situé dans le plan du méridien magnétique. Quand le courant passe dans le fil, l'aiguille dévie; si l'on inverse le sens du courant, l'aiguille dévie en sens contraire. Le sens de la déviation est donné par la règle de l'observateur d'Ampère: le pôle nord de l'aiguille aimantée dévie vers la gauche d'un bonhomme d'Ampère qui, regardant l'aiguille, est couché le long du fil de façon que le courant entre par ses pieds et sorte par sa tête. L'expérience prouve que les lignes de forces du champ magnétique créé par un courant rectiligne sont des circonférences centrées au point d'intersection du fil avec le plan sur lequel on a placé la limaille de fer. Le sens des lignes de forces se trouve en appliquant la règle du bonhomme d'Ampère; on peut le retrouver également par la première règle de la main droite: le pouce indique le sens du courant, les quatre autres doigts indiquent le sens des lignes de force autour du fil électrique.

L'étude quantitative du champ magnétique, réalisée par deux physiciens français Biot et Savart, a montré que l'intensité du champ magnétique (B) est proportionnelle à l'intensité du courant (I) et inversement proportionnelle à la distance (OA = a). La force d'origine électromagnétique qui s'exerce sur une portion de circuit placée dans un champ magnétique est située dans un plan perpendiculaire aux lignes de force. Son sens est donné par l'une des deux règles suivantes:
  • Règle de l'observateur d'Ampère: placé le long du courant de telle sorte que le courant lui entre par les pieds et lui sorte par la tête, il regarde fuir les lignes de champ (B); la force est dirigée vers sa gauche.
  • Règle des trois doigts de la main gauche: on place le pouce dans la direction du champ, l'index dans la direction du courant; le médius donne le sens de la force

Quand le champ magnétique est perpendiculaire à la direction du courant, l'intensité est donnée par la formule ci-dessous; c'est la loi de Laplace.
C'est cette force qui est à la base du fonctionnement des moteurs.

4.2) CHAMP MAGNÉTIQUE D'UN SOLÉNOÏDE

Un solénoïde est constitué par un fil conducteur régulièrement enroulé autour d'un cylindre réel ou imaginaire. Un solénoïde possède une face nord et une face sud. On peut retrouver le pôle nord du solénoïde par la deuxième règle de la main droite: si les quatre doigts indiquent le sens du courant dans le solénoïde, le pouce indiquera où se trouve la face nord du solénoïde. La face sud du solénoïde est celle devant laquelle il faut se placer pour voir tourner le courant dans le sens des aiguilles d'une montre. Le champ magnétique B à l'intérieur d'un solénoïde très long (sa longueur sera par exemple 8 à 10 fois plus grande que son diamètre) est considéré comme uniforme. Au voisinage du centre, le champ magnétique est proportionnel au nombre de spires et à l'intensité du courant (I); il est inversement proportionnel à la longueur du solénoïde (L). Dans le système international [ I(A), L(m) ], le champ magnétique est mesuré em Tesla (T).

4.3) LES ÉLECTROAIMANTS ET LEURS APPLICATIONS TECHNOLOGIQUES

Un électroaimant est obtenu en plaçant à l'intérieur de la bobine un noyau de fer doux. Quand cette bobine est parcourue par un courant électrique, le noyau devient un aimant; quand le courant cesse, le noyau se désaimante. L'induction créée dans le fer doux augmente avec l'induction magnétisante due à la bobine.Si l'on place à côté de cet électroaimant un morceau d'une substance ferromagnétique: quand le courant passera, la substance sera attirée par l'électroaimant. La force magnétomotrice d'un électroaimant augmente avec l'intensité du courant qui le traverse (I) et avec le nombre de spires qui le constituent (N); elle dépend aussi de la nature du noyau (le noyau de fer doux augmente l'intensité du champ magnétique créé à l'intérieur du solénoïde, c'est la perméabilité magnétique du milieu). Les électroaimant sont reçu de nombreuses applications technologiques:
  • Les électroaimants porteurs qui permettent de soulever de grosses charges constituées par des substances ferromagnétiques.
  • La sonnerie électrique: Elle est formée d'un trembleur dont le marteau, actionné par un électroaimant, vient frapper une caisse de résonance.
  • Les électroaimants dans les moteurs électriques
  • Les électroaimants pour la production d'ondes.
  • Les supports de données dans les rubans magnétiques, les disquettes et les cartes magnétiques.
  • Les électroaimants dans les haut-parleurs et dans les têtes de lecture d'un magnétoscope.

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