Le champ magnétique
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• mettre en évidence un champ magnétique et donner les caractéristiques du vecteur champ magnétique ;
• mesurer sa valeur avec un teslamètre ;
• trouver le champ créé en un point par deux sources (somme vectorielle) ;
• matérialiser un spectre magnétique et tracer des lignes de champ ;
• reconnaître un champ magnétique uniforme ;
• décrire le champ magnétique terrestre, sa déclinaison et son inclinaison.
Situation
L'imagerie par résonance magnétique (IRM) photographie l'intérieur du corps grâce à un champ magnétique très intense. Qu'est-ce qu'un champ magnétique, et comment le décrire en chaque point ?
I. Le vecteur champ magnétique
1. Caractéristiques du vecteur champ magnétique
Loin de tout aimant, une aiguille aimantée sur pivot s'oriente selon la direction sud-nord. Près d'un aimant, ou d'une bobine parcourue par un courant, elle prend une autre orientation, qui change d'un point à l'autre : il règne dans cette région un champ magnétique. Les sources de champ magnétique sont les aimants et les courants.
Comme le champ électrique est caractérisé en chaque point par un vecteur E→, un champ magnétique est caractérisé en chaque point M par un vecteur champ magnétique noté B→ :
• Direction : celle de la position d'équilibre stable d'une aiguille aimantée placée au point M ;
• Sens : du pôle sud vers le pôle nord de l'aiguille aimantée ;
• Valeur : dans le système international, elle s'exprime en tesla (T) ; on la mesure avec un teslamètre (à sonde à effet Hall).
Le vecteur B→ change d'un point à l'autre : sa valeur est plus grande lorsqu'on s'approche d'un pôle de l'aimant. Ordres de grandeur : champ terrestre, quelques 10-5 T ; aimant usuel, de 10-2 à 10-1 T ; IRM, de 1 à 3 T.
2. Superposition de deux champs magnétiques
Une aiguille aimantée placée en A subit l'action simultanée de deux aimants (1) et (2) dont les directions sont perpendiculaires. Seul, l'aimant (1) crée en A le champ B→1 ; seul, l'aimant (2) crée le champ B→2.
Avec les deux aimants, l'aiguille s'oriente suivant le vecteur somme :
Le champ magnétique total en un point est la somme vectorielle des champs créés par chaque source.
II. Spectre magnétique et lignes de champ
1. Le spectre magnétique
Saupoudrons de la limaille de fer sur une plaque de verre posée sur un aimant droit, puis tapotons légèrement la plaque : les grains de fer, d'abord orientés dans toutes les directions, se répartissent suivant des lignes allant d'un pôle à l'autre.
Ces courbes sont appelées lignes de champ. L'ensemble des lignes de champ constitue le spectre magnétique de l'aimant.
Chaque grain de limaille s'aimante et se comporte comme une petite aiguille aimantée : il s'oriente suivant le vecteur B→ du point où il se trouve.
2. Les lignes de champ magnétique
Une ligne de champ est une courbe tangente en chacun de ses points au vecteur champ B→ ; elle est orientée dans le sens de B→.
• À l'extérieur de l'aimant, les lignes sont orientées du pôle Nord vers le pôle Sud ;
• les lignes de champ ne se coupent jamais ;
• elles se resserrent près des pôles, où le champ est plus intense ;
• l'axe de l'aimant est une ligne de champ particulière ;
• elles existent dans tout l'espace où règne le champ, et pas seulement dans le plan de la plaque.
3. Le champ magnétique uniforme
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