Les Champs Magnétiques
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Historique
A l’époque (jusqu’en 1820), seul le magnétisme connu était celui des aimants en fer et des aimants naturels de minerais riches en fer.
En effet, les aimants sont connus depuis l’antiquité : ils ont été découverts en Turquie dans la ville de Magnesia où on a trouvé une petite pierre nommée magnétite. Le champ magnétique provient donc de cette découverte.
Les premières boussoles étaient en réalité composées d’une aiguille de magnétite posée sur de la paille flottant sur de l’eau dans un récipient gradué.
Puis, Oersted en 1820 réalisa une expérience plaçant un fil conducteur au dessus d’une boussole. Après avoir fait passer du courant, il remarqua alors que l’aiguille de la boussole était déviée. Cette découverte permet alors à Oersted d’établir un lien entre courant électrique et champ magnétique. Elle symbolisera la théorie de l’électromagnétisme.
Mais la mise en place de la théorie sur l’électromagnétisme mit en jeu beaucoup de grands physiciens tels Ampère, Faraday, Foucault, Lorenz, Maxwell, Hertz ; car si elle commença avec l’expérience d’Oersted en 1820, elle fut réellement expliquée qu’en 1905 avec la loi de relativité d’Einstein.
La relation entre les aimants et le champ magnétique terrestre fut découverte en 1600, par William Gilbert, un physicien anglais et médecin de la reine Elisabeth I. Cette théorie est la première concernant des caractéristiques globales de la Terre, avant la gravité d'Isaac Newton. Il démontra comment une boussole placée à la surface d'une boule magnétisée (la "Terrella") indique toujours le même point, comme elle le fait sur la Terre.
Les aimants
La magnétite, découverte à Magnésia en Turquie, a pour propriété particulière d’attirer des morceaux de Fer. Cette propriété se nomme alors magnétisme ; les corps la possédant sont : les aimants.
De plus, il existe 5 éléments qui possèdent aussi cette propriété : le Cobalt, le Manganèse, le Fer, le Gadolinium et le Dysprosium.
Pour en revenir aux aimants, une expérience qui consiste à mettre deux aimants en présence l’un de l’autre, permet de constater qu'ils s'attirent, et que plus particulièrement, leurs pôles types différents s'attirent alors que les pôles de même type se repoussent.
Que se passe-t’il si nous sectionnons en 2 parties un barreau aimanté ?
Et bien, on pourrait croire que l’on obtient une partie « sud » et une partie « nord ». Il n’en est rien : les 2 parties deviennent chacune un nouvel aimant, avec un pôle Nord et un pôle Sud. On doit imaginer qu’un aimant est constitué de très nombreux petits aimants, tous orientés dans la même direction.
En réalité, les aimants créent tout autour d’eux un champ magnétique. Effectivement, on peut le montrer grâce à l’utilisation d’un aimant et de la limaille de Fer:
(La limaille de Fer va se comporter comme une minuscule aiguille aimantée. Ils vont alors se structurer en fonction des lignes du champ magnétique. )
On peut donc, grâce à cette image, apprécier le champ magnétique créé par un aimant droit.
Pourquoi le Fer est attiré par l’aimant ?
Comme on peut le voir en réalisant de simples expériences, les aimants n’attirent pas que des aimants. Ils peuvent se coller à certains métaux et plus particulièrement au Fer. Tout simplement parce que le Fer acquiert une aimantation : la présence d’un aimant transforme le fer en aimant.
En l’absence d’aimant, le fer ne se comporte pas du tout comme tel : les petites molécules de fer que contient la limaille sont toutes orientées n’importe comment; en revanche dès qu’il y a un aimant, les petites molécules de fer vont s’orienter suivant les lignes du champ magnétique. (Apparition d’une aimantation induite temporaire dans le fer)
Manipulation permettant de vérifier cette affirmation
Prendre deux trombones en métal et un aimant. Prendre le trombone, et regarder comme il se plaque sur l'aimant. Puis, le mettre à la verticale par rapport à l'aimant, vers le bas.
Observation(s) : Il est maintenant capable lui aussi de coller au deuxième trombone ! Cette expérience prouve donc bien que l'aimant transforme provisoirement le premier trombone en aimant, qui a son tour est capable de transformer le second en aimant et de l'attirer.
A la fin de la manipulation, si on enlève l’aimant après avoir retiré nos trombones, on remarquera alors que les trombones perdent leur aimantation. (L’aimant n’étant plus là, ils ne sont plus capables de « faire aimant »)
Attention car ce n’est pas vrai pour tous les matériaux : certains après avoir été en contact avec l’aimant vont conserver cette capacité et vont donc pouvoir attirer à leur tour. On dit que le matériau est devenu aimant permanent.
Champ magnétique Terrestre
Le champ magnétique terrestre est un immense champ magnétique qui entoure la Terre de manière non circulaire.
Comment s’explique ce phénomène ?
Il y a quelques milliards d’années, tandis que la terre commence à se former, l’énergie dégagée lorsque des matériaux heurtent la planète produit de la chaleur. La chaleur devient si forte que même la roche se met à fondre. C’est alors que les éléments plus légers de la terre en fusion remontent à la surface tandis que les éléments les plus lourds, dont le fer, s’enfoncent vers le centre. Ils y forment un noyau en fusion. C’est ce noyau de fer qui nous protège des effets meurtriers des rayons du soleil. Le noyau terrestre possède une action dynamo-électrique qui produit un champ magnétique. Ainsi, les courants du Fer liquide génèrent des champs magnétiques. Concrètement, le mouvement rotatif du noyau crée un bouclier magnétique autour de la terre.
Une simple manipulation permet de mettre en évidence le fait que des courants engendrent un champ magnétique
Prendre de la limaille de fer qu’on répartit autour d’un rouleau de fer (ce rouleau de fer représente le noyau de la terre). La limaille de Fer va révéler la forme de tout champ magnétique.
En branchant le rouleau sur une source électrique, la limaille de fer va s’aligner avec le champ magnétique. Les lignes du champ magnétique passent à travers le centre et s’enroulent aux extrémités. La même chose se produit à une plus grande échelle avec le noyau de la terre.
Son champ magnétique dote la terre de ses pôles Nord et Sud ; ils s’étirent loin dans l’espace. (= Magnéthosphère).
Description du Champs Magnétique Terrestre
L'ensemble des lignes de champ magnétique de la Terre situées au-dessus de l'ionosphère, soit à plus de 1000 km, est appelé magnétosphère.
Le pôle Nord magnétique terrestre est en réalité un pôle de magnétisme « sud » qui attire le pôle « nord » de l'aimant que constitue l'aiguille de la boussole. Cette erreur historique d'appellation conventionnelle des pôles de magnétisme nord sera difficile à rectifier ; noter que le pôle de magnétisme nord de l'« aimant terrestre » pointe vers le sud géographique. L'axe géomagnétique, passant par les deux pôles magnétiques, fait un angle de 11.5° par rapport à l'axe de rotation de la Terre et de ce fait, le pôle nord magnétique (Nm) est à environ 1000 km du pôle nord géographique (Ng), en direction du Canada. Le pôle nord magnétique se rapproche actuellement du pôle nord géographique à une vitesse moyenne de 40 km/an. La position du pôle magnétique varie au cours de la journée, se déplaçant ainsi de plusieurs dizaines de km autour de sa position moyenne.
La création de ce champ magnétique permet l’orientation des boussoles
Qu’est ce qu’une boussole ?
Les boussoles sont des objets présents depuis bons nombres d’années désormais (invention chinoise). Elles se présentent comme étant un instrument de navigation : elle est dotée d’une aiguille magnétisée tournant librement sur un pivot qui s’aligne sur le champ magnétique de la Terre.
Cette aiguille magnétisée indique le Nord magnétique (et non le nord géographique). Le pôle Nord magnétique terrestre est en réalité un pôle de magnétisme « sud » qui attire le pôle « nord » de l'aimant que constitue l'aiguille de la boussole. Les lignes du champ magnétique terrestre sur lesquelles l'aiguille de la boussole s'aligne, pointent sous terre au niveau des pôles nord et sud.
La boussole contient aussi les points cardinaux : Nord, Est, Sud et Ouest.
La boussole nous prouve encore une fois que la Terre est dotée d’un champ magnétique. Ce champ peut être comparé à un aimant droit : cependant, comme on peut le voir sur le schéma ci-contre, le Pôle géographique Nord de la Terre « abrite » un pôle magnétique Sud.
(C’est ce qu’indique la boussole lorsqu’on l’oriente dans ce sens)
Selon certaines études, le pôle Nord se déplace de de l'Amérique du Nord vers la Sibérie. Le voyage vers la Sibérie prendra fin d'ici 50 ans. En 2001, le pôle Nord s’est déplacé de 40Km/an. Mais Le pôle Sud ne s'est pas déplacé de la même façon.
Champ magnétique crée par un courant électrique
Effectivement, il semblerait que les champs magnétiques aient des effets sur les courants électriques. Pour comprendre ce phénomène, il faut se projeter à une plus petite échelle.
Un courant électrique est parcouru par des électrons. Si on approche alors un aimant d’un courant électrique, on pourra observer un changement de trajectoire : la trajectoire de l’électron va se courber.
En effet, la présence de l’aimant fait tourner les électrons sans changer pour autant leur vitesse. Une force magnétique s’exerce alors sur eux : elle est dûe au champ magnétique crée par l’aimant.
Manipulation permettant de vérifier cette affirmation
Une expérience simple permet de la vérifier : Prendre un aimant et le placer devant une télévision allumée (l’image obtenue sur le téléviseur est dûe à des électrons heurtant l’écran par derrière). En présence de l’aimant, l’image va être altérée (les couleurs vont changer etc..).
Explications : L’aimant dévie les électrons de leur trajectoire prévue. En la changeant, il les fait heurter un autre endroit sur l’écran : c’est ce qui entraine les différentes altérations visuelles.
Voici un petit schéma représentant 2 électrons. Celui de gauche a une trajectoire rectiligne, il n’est donc pas influencé par un quelconque champ magnétique. L’électron de droite en revanche commence à avoir une trajectoire plutôt circulaire, elle se courbe : il est donc influencé par un champ magnétique.
Cependant, un champ magnétique n’est pas crée seulement par un aimant. En effet, tout courant électrique crée autour de lui un champ magnétique !
En fait, n’importe quel fil électrique produit un champ magnétique. Le schéma ci-contre est la représentation d’un fil électrique ; celui-ci parcouru par une intensité I, et crée donc un champ magnétique de très faible intensité (ou ondes magnétiques B).
Principe de l’électro-aimant : rouleau de fer entouré d’un fil électrique.
Les deux sources de champ magnétique sont : les aimants et les courants électriques.
[La terre produit un champ magnétique (vu plus haut) : du au mouvement de la matière à l’intérieur. Ce champ magnétique est donc produit par des courants électriques.(action dynamo-électrique)]
Crédits : Spirit - MIMATA