Physique

Objectif d’apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

  • Définir le champ magnétique et décrire les lignes de champ magnétique de divers champs magnétiques.

Einstein aurait été fasciné par une boussole lorsqu’il était enfant, se demandant peut-être comment l’aiguille ressentait une force sans contact physique direct. Sa capacité à penser profondément et clairement à l’action à distance, en particulier pour les forces gravitationnelles, électriques et magnétiques, lui a permis plus tard de créer sa théorie révolutionnaire de la relativité. Comme les forces magnétiques agissent à distance, nous définissons un champ magnétique pour représenter les forces magnétiques. La représentation imagée des lignes de champ magnétique est très utile pour visualiser l’intensité et la direction du champ magnétique. Comme le montre la figure 1, la direction des lignes de champ magnétique est définie comme étant la direction dans laquelle pointe l’extrémité nord de l’aiguille d’une boussole. Le champ magnétique est traditionnellement appelé le champ B.

Trois schémas illustrant les lignes de champ magnétique. La figure a montre un barreau aimanté avec un certain nombre de boussoles disposées le long de l'aimant de part et d'autre. Les aiguilles des boussoles situées au pôle nord de l'aimant s'éloignent du pôle. Les aiguilles des boussoles situées au pôle sud de l'aimant pointent vers le pôle. Les aiguilles des boussoles situées entre les deux pôles pointent parallèlement à l'aimant, vers le pôle sud. La figure b montre des lignes partant du pôle nord et se prolongeant jusqu'au pôle sud. La figure c montre des lignes sous forme de boucles fermées allant du pôle nord à l'extérieur de l'aimant et autour du pôle sud, puis remontant à travers l'aimant vers le pôle nord.

Figure 1. Les lignes de champ magnétique sont définies pour avoir la direction que pointe une petite boussole lorsqu’elle est placée à un endroit. (a) Si de petites boussoles sont utilisées pour cartographier le champ magnétique autour d’un barreau aimanté, elles pointeront dans les directions indiquées : en s’éloignant du pôle nord de l’aimant, vers le pôle sud de l’aimant. (Rappelez-vous que le pôle nord magnétique de la Terre est en réalité un pôle sud en termes de définitions des pôles sur un barreau aimanté). (b) En reliant les flèches, on obtient des lignes de champ magnétique continues. L’intensité du champ est proportionnelle à la proximité (ou à la densité) des lignes. (c) Si l’on pouvait sonder l’intérieur de l’aimant, on constaterait que les lignes de champ forment des boucles fermées continues.

Les petits compas utilisés pour tester un champ magnétique ne le perturbent pas. (C’est analogue à la façon dont nous avons testé les champs électriques avec une petite charge d’essai. Dans les deux cas, les champs ne représentent que l’objet qui les crée et non la sonde qui les teste). La figure 2 montre comment le champ magnétique apparaît pour une boucle de courant et un long fil droit, comme on pourrait l’explorer avec de petites boussoles. Une petite boussole placée dans ces champs s’alignera parallèlement à la ligne de champ à son emplacement, son pôle nord pointant dans la direction de B. Notez les symboles utilisés pour le champ dans et hors du papier.

Figure a : champ magnétique d'une boucle de courant circulaire avec un courant se déplaçant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Les lignes de champ sont également grossièrement circulaires, remontant par le centre de la boucle de courant, et redescendant à l'extérieur de la boucle. Figure b : un fil droit avec un courant circulant en ligne droite. Les lignes de champ magnétique entourent le fil dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Figure c : une main droite avec le pouce dirigé vers le haut, parallèle à un fil avec un courant ascendant. Les chiffres de la main s'enroulent autour du fil dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pour montrer la direction du champ magnétique lorsque le courant est ascendant. Le symbole représentant les lignes de champ magnétique qui sortent de la surface et se dirigent vers l'observateur - vers l'extérieur - est un cercle avec un cercle vendu à l'intérieur. Le symbole représentant les lignes de champ magnétique qui pénètrent dans la surface et s'éloignent de l'observateur - B in - est représenté par un cercle avec un x à l'intérieur. Lorsque le courant circule en ligne droite, B out est à gauche et B in est à droite.

Figure 2. De petites boussoles pourraient être utilisées pour cartographier les champs représentés ici. (a) Le champ magnétique d’une boucle de courant circulaire est similaire à celui d’un barreau aimanté. (b) Un fil long et droit crée un champ dont les lignes de champ magnétique forment des boucles circulaires. (c) Lorsque le fil est dans le plan du papier, le champ est perpendiculaire au papier. Notez que les symboles utilisés pour le champ dirigé vers l’intérieur (comme la queue d’une flèche) et le champ dirigé vers l’extérieur (comme la pointe d’une flèche).

Making Connections : Concept de champ

Un champ est une façon de cartographier les forces entourant tout objet qui peuvent agir sur un autre objet à distance sans lien physique apparent. Le champ représente l’objet qui le génère. Les champs gravitationnels cartographient les forces gravitationnelles, les champs électriques cartographient les forces électriques et les champs magnétiques cartographient les forces magnétiques.

Une exploration approfondie des champs magnétiques a révélé un certain nombre de règles strictes. Nous utilisons des lignes de champ magnétique pour représenter le champ (les lignes sont un outil pictural, pas une entité physique en soi). Les propriétés des lignes de champ magnétique peuvent être résumées par ces règles :

  1. La direction du champ magnétique est tangente à la ligne de champ en tout point de l’espace. Une petite boussole pointe dans la direction de la ligne de champ.
  2. L’intensité du champ est proportionnelle à la proximité des lignes. Elle est exactement proportionnelle au nombre de lignes par unité de surface perpendiculaire aux lignes (appelée densité surfacique).
  3. Les lignes de champ magnétique ne peuvent jamais se croiser, ce qui signifie que le champ est unique en tout point de l’espace.
  4. Les lignes de champ magnétique sont continues, formant des boucles fermées sans début ni fin. Elles vont du pôle nord au pôle sud.

La dernière propriété est liée au fait que les pôles nord et sud ne peuvent être séparés. C’est une différence distincte des lignes de champ électrique, qui commencent et finissent sur les charges positives et négatives. Si les monopoles magnétiques existaient, alors les lignes de champ magnétique commenceraient et se termineraient sur eux.

Résumé de la section

  • Les champs magnétiques peuvent être représentés de façon imagée par des lignes de champ magnétique, dont les propriétés sont les suivantes :
    • Le champ est tangent à la ligne de champ magnétique.
    • L’intensité du champ est proportionnelle à la densité de la ligne.
    • Les lignes de champ ne peuvent pas se croiser.
    • Les lignes de champ sont des boucles continues.

    Questions conceptuelles

    1. Expliquez pourquoi le champ magnétique ne serait pas unique (c’est-à-dire n’aurait pas une seule valeur) en un point de l’espace où les lignes de champ magnétique pourraient se croiser. (Considérez la direction du champ à un tel point.)
    2. Listez les façons dont les lignes de champ magnétique et les lignes de champ électrique sont similaires. Par exemple, la direction du champ est tangente à la ligne en tout point de l’espace. Citez également les façons dont elles diffèrent. Par exemple, la force électrique est parallèle aux lignes de champ électrique, alors que la force magnétique sur les charges en mouvement est perpendiculaire aux lignes de champ magnétique.
    3. Prenant note que les lignes de champ magnétique d’un barreau aimanté ressemblent aux lignes de champ électrique d’une paire de charges égales et opposées, vous attendez-vous à ce que le champ magnétique diminue rapidement en intensité avec la distance de l’aimant ? Cela correspond-il à votre expérience des aimants ?
    4. Le champ magnétique terrestre est-il parallèle au sol en tous lieux ? Si non, à quel endroit est-il parallèle à la surface ? Son intensité est-elle la même à tous les endroits ? Si non, où est-elle la plus grande ?

    Glossaire

    champ magnétique : la représentation des forces magnétiques champ B : autre terme pour champ magnétique lignes de champ magnétique : la représentation imagée de l’intensité et de la direction d’un champ magnétique direction des lignes de champ magnétique : la direction vers laquelle pointe l’extrémité nord d’une aiguille de boussole

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