LE MAGNETISME EN SCIENCES PHYSIQUES

Observation du magnétisme

Certains minéraux qui contiennent de l’oxyde de fer Fe₃O₄ ont la propriété d’attirer la limaille de fer; on les appelle aimants naturels. Il est possible d’observer le même phénomène, appelé magnétisme, avec des aimants artificiels, qui acquièrent leur aimantation au contact d’un aimant naturel ou après avoir été placés à l’intérieur d’une bobine parcourue par un courant électrique. Les aimants artificiels sont généralement en acier ou en ferrite et leur aimantation peut être très importante. Pour certaines substances (fer doux notamment), cette aimantation cesse avec le phénomène qui la produit (interruption du courant électrique, par ex.). On constate également que si l’on rapproche les extrémités de deux barreaux aimantés, il s’exerce entre eux une force d’attraction ou de répulsion. La région de l’espace dans laquelle s’exercent ces diverses actions magnétiques est nommée champ magnétique.

Le magnétisme résulte d’un déplacement de charges électriques (déplacement des électrons dans l’atome ou rotation de l’électron sur lui-même). Dans le champ magnétique créé par un aimant, une aiguille aimantée s’oriente le long de lignes appelées lignes de champ (et autrefois lignes d’induction ou lignes de force). Ces lignes peuvent être matérialisées en saupoudrant de limaille de fer un carton sur lequel repose l’aimant (spectre magnétique).

Le champ magnétique

On constate que ces lignes aboutissent aux deux extrémités (dites pôles) de l’aimant. La notion de champ magnétique est d’une importance considérable. La Terre, en particulier, possède un champ magnétique qui est mis en évidence par l’orientation d’une des extrémités d’une aiguille aimantée vers le pôle Nord terrestre; ce phénomène est utilisé dans les boussoles et compas de navigation; par convention, l’extrémité qui s’oriente vers le pôle Nord est appelée pôle nord et l’autre extrémité pôle sud; les extrémités de même pôle de deux aimants se repoussent, celles de pôles contraires s’attirent. Le champ magnétique terrestre protège les êtres vivants des rayons cosmiques, dont on a déterminé la répartition au moyen de satellites artificiels; on a ainsi dressé la carte du champ magnétique terrestre (plus important là où les rayons cosmiques sont absents), qui occupe une portion d’espace nommée magnétosphère. On observe par ailleurs un champ magnétique solaire et un champ magnétique galactique, le long duquel s’orientent les particules interstellaires.

Pour caractériser un champ magnétique en chacun de ses points, on a défini une grandeur physique notée B, appelée autrefois induction magnétique, aujourd’hui champ magnétique, telle que la force qui s’exerce sur une particule de charge q mobile, à la vitesse V, soit: (le symbole ٨ notant le produit vectoriel). Le module (ou intensité) du champ magnétique s’exprime en teslas; il est de l’ordre du tesla dans l’entrefer de gros électroaimants, et de quelques millièmes de tesla au voisinage du pôle d’un aimant. Lorsqu’on écarte un aimant de la direction des lignes de force du champ magnétique, il s’exerce sur celui-ci un couple dont le moment dépend du vecteur champ et d’une autre grandeur vectorielle, caractéristique de l’aimant, son moment magnétique. Les actions magnétiques que subit ou qu’exerce un aimant dépendent essentiellement de son moment magnétique par unité de volume. Le flux magnétique qui traverse une surface placée dans un champ magnétique et traversée par ses lignes de champ est une grandeur scalaire dont l’utilisation dans les calculs est plus pratique que celle du vecteur champ. Lorsque les vecteurs champ sont tous égaux (champ uniforme) et perpendiculaires à la surface qui embrasse le flux, celui-ci est égal au produit du champ par la surface. L’unité de flux magnétique du système international est le weber.

D’autres grandeurs sont également utilisées: perméabilité magnétique, qui caractérise le milieu dans lequel s’exercent les actions magnétiques; excitation magnétique, égale au quotient du champ par la perméabilité magnétique; susceptibilité magnétique, coefficient égal au rapport entre l’aimantation d’un corps et l’excitation magnétique. Les substances ferromagnétiques (à base de fer, de nickel ou de cobalt) et les ferrites (oxydes de fer et d’un autre métal) sont seules utilisées pour leurs propriétés magnétiques, car non seulement elles peuvent être aimantées fortement mais encore nombre d’entre elles peuvent le rester, grâce au phénomène d’hystérésis magnétique.

Applications du magnétisme

Les applications du magnétisme, et en particulier celles de l’électromagnétisme, sont considérables: boussoles et compas de navigation, prospection minière, moteurs électriques, tubes cathodiques des récepteurs de télévision, magnétothérapie, microscope électronique, mémoires magnétiques des ordinateurs, magnétoscopes, accélérateurs de particules, confinement de plasma dans une «bouteille magnétique», générateurs magnétohydrodynamiques, etc.

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