La science des lignes de champ magnétique

Un champ magnétique entoure toute charge électrique en mouvement. Le champ magnétique est continu et invisible, mais sa force et son orientation peuvent être représentées par des lignes de champ magnétique. Idéalement, les lignes de champ magnétique ou les lignes de flux magnétique indiquent l’intensité et l’orientation d’un champ magnétique. Cette représentation est utile parce qu’elle permet de visualiser une force invisible et parce que les lois mathématiques de la physique tiennent facilement compte du « nombre » ou de la densité des lignes de champ.

• Les lignes de champ magnétique sont une représentation visuelle des lignes de force invisibles dans un champ magnétique.
• Par convention, les lignes tracent la force du pôle nord au pôle sud d’un aimant.
• La distance entre les lignes indique l’intensité relative du champ magnétique. Plus les lignes sont proches, plus le champ magnétique est fort.
• De la limaille de fer et une boussole peuvent être utilisées pour tracer la forme, l’intensité et la direction des lignes de champ magnétique.

Un champ magnétique est un vecteur, ce qui signifie qu’il a une magnitude et une direction. Si le courant électrique circule en ligne droite, la règle de droite indique la direction dans laquelle les lignes de champ magnétique invisible circulent autour d’un fil. Si vous vous imaginez en train de saisir le fil avec votre main droite, le pouce pointant dans la direction du courant, le champ magnétique se déplace dans la direction des doigts autour du fil. Mais, que faire si vous ne connaissez pas la direction du courant ou si vous voulez simplement visualiser un champ magnétique ?

Comment voir un champ magnétique

Comme l’air, un champ magnétique est invisible. Vous pouvez voir le vent indirectement en jetant de petits morceaux de papier en l’air. De même, placer des morceaux de matériel magnétique dans un champ magnétique vous permet de suivre son chemin. Les méthodes les plus simples sont les suivantes :

Utiliser une boussole

Un groupe de boussoles peut indiquer les directions des lignes de champ magnétique.

Le fait d’agiter une seule boussole autour d’un champ magnétique indique la direction des lignes de champ. Pour cartographier réellement le champ magnétique, placer plusieurs boussoles indique la direction du champ magnétique en tout point. Pour tracer des lignes de champ magnétique, il faut relier les « points » de la boussole. L’avantage de cette méthode est qu’elle indique la direction des lignes de champ magnétique. L’inconvénient est qu’elle n’indique pas l’intensité du champ magnétique.

Utiliser de la limaille de fer ou du sable magnétite

Le fer est ferromagnétique. Cela signifie qu’il s’aligne le long des lignes de champ magnétique, formant de minuscules aimants avec les pôles nord et sud. De minuscules morceaux de fer, comme la limaille de fer, s’alignent pour former une carte détaillée des lignes de champ parce que le pôle nord d’une pièce s’oriente pour repousser le pôle nord d’une autre pièce et attirer son pôle sud. Mais vous ne pouvez pas simplement saupoudrer la limaille sur un aimant parce qu’elle est attirée par celui-ci et qu’elle s’y colle plutôt que de tracer le champ magnétique.

Pour résoudre ce problème, de la limaille de fer est saupoudrée sur du papier ou du plastique par un champ magnétique. Une technique utilisée pour disperser la limaille consiste à la saupoudrer sur la surface à partir d’une hauteur de quelques centimètres. On peut ajouter de la limaille pour rendre les lignes de champ plus claires, mais seulement jusqu’à un certain point.

Les alternatives à la limaille de fer sont les boulettes d’acier BB, la limaille de fer étamé (qui ne rouille pas), les petits trombones, les agrafes ou le sable de magnétite. L’avantage d’utiliser des particules de fer, d’acier ou de magnétite est que ces particules forment une carte détaillée des lignes de champ magnétique. Cette carte donne également une indication approximative de l’intensité du champ magnétique. Des lignes denses et rapprochées apparaissent là où le champ est le plus fort, tandis que des lignes éparses et largement séparées indiquent les endroits où il est plus faible. L’inconvénient de l’utilisation de la limaille de fer est qu’elle ne donne aucune indication sur l’orientation du champ magnétique. Le moyen le plus simple de surmonter cet inconvénient est d’utiliser une boussole avec de la limaille de fer pour cartographier l’orientation et la direction.

Essayez le film à visionnement magnétique

Le film de visualisation magnétique est un plastique souple contenant des bulles de fluide lacées par de minuscules tiges magnétiques. Les films apparaissent plus ou moins foncés selon l’orientation des tiges dans un champ magnétique. Le film de visualisation magnétique est le plus efficace pour cartographier la géométrie magnétique complexe, comme celle produite par un aimant de réfrigérateur plat.

Lignes de champ magnétique naturel

Les lignes des aurores suivent les lignes du champ magnétique terrestre.

Les lignes de champ magnétique apparaissent également dans la nature. Lors d’une éclipse solaire totale, les lignes de la couronne tracent le champ magnétique du Soleil. De retour sur Terre, les lignes d’une aurore indiquent la trajectoire du champ magnétique de la planète. Dans les deux cas, les lignes visibles sont des flux incandescents de particules chargées.

Règles relatives aux lignes de champ magnétique

En utilisant les lignes de champ magnétique pour construire une carte, certaines règles deviennent évidentes :

1. Les lignes de champ magnétique ne se croisent jamais.
2. Les lignes de champ magnétique sont continues. Elles forment des boucles fermées qui se poursuivent tout au long du parcours à travers un matériau magnétique.
3. Les lignes de champ magnétique se regroupent là où le champ magnétique est le plus fort. En d’autres termes, la densité des lignes de champ indique l’intensité du champ magnétique. Si les lignes de champ autour d’un aimant sont cartographiées, son champ magnétique le plus fort se situe à l’un ou l’autre des pôles.
4. À moins que le champ magnétique ne soit cartographié à l’aide d’une boussole, la direction du champ magnétique peut être inconnue. Par convention, la direction est indiquée en traçant des pointes de flèche le long des lignes du champ magnétique. Dans tout champ magnétique, les lignes vont toujours du pôle nord au pôle sud. Les noms « nord » et « sud » sont historiques et peuvent ne pas avoir d’incidence sur l’orientation géographique du champ magnétique

Source

• Durney, Carl H. et Curtis C. Johnson (1969). Introduction à l’électromagnétisme moderne. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-018388-9.
• Griffiths, David J. (2017). Introduction à l’électrodynamique (4e éd.). Cambridge University Press. ISBN 9781108357142.
• Newton, Henry Black et Harvey N. Davis (1913). Physique pratique. The MacMillan Co., États-Unis.
• Tipler, Paul (2004). La physique pour les scientifiques et les ingénieurs : Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5e éd.). W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.