Champ magnétique

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Classe(s) : Tle ST2S | Thème(s) : Champ magnétique

Champ magnétique

1Le vecteur champ magnétique

Le champ magnétique B en un point a la direction et le sens d’une petite aiguille aimantée (sur pivot pour qu’elle puisse tourner) du pôle sud vers le pôle nord :

Phys_05_01_stdi     Phys_05_02_stdi

La valeur du champ magnétique est mesurée en utilisant un teslamètre.

Le champ magnétique s’exprime en Tesla (T).

Ordres de grandeurs de champ magnétiques

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Un champ magnétique ayant une valeur de 1 tesla est intense.

2Champ magnétique créé par un aimant

Attraction et répulsion

Un aimant comporte deux pôles :

– un pôle nord ;

– un pôle sud.

Deux pôles de même nom se repoussent et deux pôles de noms différents s’attirent.

Spectre magnétique d’un aimant droit

Phys_05_03_BDLorsqu’on saupoudre de la limaille de fer sur une feuille transparente horizontale au-dessous de laquelle se trouve un aimant droit, on observe que les grains de limaille se placent selon des lignes appelées lignes de champ magnétique (voir illustration ci-contre).

Les aiguilles aimantées placées à proximité de l’aimant prennent une direction tangente à la ligne de champ et s’orientent du pôle nord vers le pôle sud de l’aimant. Le champ magnétique est donc un champ vectoriel. Il est tangent aux lignes de champ.

L’aimant modifie les propriétés de l’espace, en créant un champ magnétique dans son voisinage. Le spectre magnétique de l’aimant est l’ensemble des lignes de champ.

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Spectre magnétique d’un aimant en U

Les lignes de champ sont parallèles et se resserrent dans l’entrefer de l’aimant : c’est une zone où le champ magnétique est uniforme, c’est-à-dire qu’il a la même direction, le même sens et la même valeur en tout point.

La valeur du champ magnétique créé par les aimants courants est de l’ordre de quelques mT à quelques dizaines de mT.

3Champ magnétique créé par un courant

A Solénoïde

Une bobine longue est un solénoïde, si sa longueur L est supérieure à dix fois son rayon r (L > 10 r). Les spires sont régulièrement réparties.

Lorsque le courant électrique est continu, les lignes de champ sont parallèles à l’intérieur du solénoïde (voir photo) et la valeur du champ magnétique est constante et proportionnelle à l’intensité du courant : le champ magnétique créé est uniforme à l’intérieur du solénoïde.

Phys_05_05_BD

La valeur B du champ magnétique à l’intérieur du solénoïde en tesla (T) est :

µ0 = 4.π.10−7 S.I (perméabilité magnétique du vide)

 N : nombre de spires du solénoïde

B = µ0.n.I = µ0.NL.I L : sa longueur en mètre (m)

 n = NL : nombre de spires par mètre (m−1)

 I : intensité du courant circulant dans le solénoïde en ampère (A).

EXEMPLE

Un solénoïde comportant n = 600 spires par mètre est traversé par un courant d’intensité I = 5,0 A. La valeur du champ magnétique à l’intérieur de ce solénoïde est B = µ0.n.I, soit B = 4 × 3,14 × 10−7 × 600 × 5,0 = 3,8 × 10−3 T = 3,8 mT.

Le solénoïde traversé par un courant crée un champ magnétique uniforme en son sein et se comporte donc comme un aimant droit avec deux pôles à l’extérieur.

B Électro-aimant

Un électro-aimant est un gros solénoïde contenant un noyau de fer doux (au niveau de l’axe) qui intensifie le champ magnétique. On obtient alors des valeurs de champ magnétique plus importantes : 0,1 T. Le champ magnétique n’existe que si l’intensité n’est pas nulle.

Électro-aimant supraconducteur

Pour atteindre des valeurs encore plus élevées, il faut utiliser des matériaux supraconducteurs à très basse température. Il faut travailler à – 260 °C avec un refroidissement assuré par de l’azote liquide.

Le métal constituant le solénoïde n’est plus résistant au passage du courant : il n’y a plus de pertes thermiques liées à l’effet Joule. Il est donc possible d’imposer un courant d’intensité très élevée dans la bobine et donc de créer des champs magnétiques encore plus intenses : de 2 à 20 T.

4Une utilisation de champs magnétiques intenses : l’IRM

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) utilise des champs magnétiques constants très intenses (de 2 à 10 T), créés par les électro-aimants supraconducteurs. Sous l’action du champ magnétique intense, certains éléments chimiques comme l’hydrogène se comportent comme des aiguilles aimantées et s’alignent selon le champ magnétique imposé. Si l’on ajoute un autre champ magnétique ayant une orientation différente, alors les atomes d’hydrogène oscillent. Lorsque le second champ magnétique est coupé, ils se replacent en position d’équilibre et restituent un signal qui dépend de leur environnement. On obtient alors une vue en deux ou trois dimensions de la partie du corps étudiée.

Cette technique indolore et inoffensive permet de diagnostiquer des tumeurs et de révéler des anomalies en fournissant des images de grande qualité.