Intensité du champ magnétique, caractéristiques, sources, exemples

Il champ magnétique C'est l'influence du déplacement des charges électriques sur l'espace environnant. Les charges ont toujours un champ électrique, mais seuls ceux en mouvement peuvent générer des effets magnétiques.

L'existence du magnétisme est connue depuis longtemps. Les Grecs anciens ont décrit un minéral capable d'attirer de petits morceaux de fer: c'était la magnétite ou la pierre de magnétite.

Figure 1. Échantillon de magnétite. Source: Wikimedia Commons. Rojinegro81 [cc by-sa 3.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0)].

Les sages de Miletus et Platon ont pris soin de l'enregistrement des effets magnétiques dans leurs écrits; Au fait, ils connaissaient également l'électricité statique.

Mais le magnétisme ne s'associe à l'électricité qu'au XIXe siècle, lorsque Hans Christian Oersted a observé que la boussole était détournée près d'un fil de conducteur qui transportait le courant.

Aujourd'hui, nous savons que l'électricité et le magnétisme sont pour ainsi dire, les deux côtés de la même monnaie.

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Champ magnétique en physique

En physique, le terme champ magnétique C'est une magnitude vectorielle, avec un module (sa valeur numérique), une direction dans l'espace et la direction. Il a également deux significations. Le premier est un vecteur qui est parfois appelé induction magnétique Et il est indiqué avec B.

L'unité de B Dans le système international des unités se trouve le Tesla, abrégé t. L'autre ampleur également appelée champ magnétique est H, aussi connu sous le nom Intensité du champ magnétique Et dont l'unité est amperio / mètre.

Les deux amplitudes sont proportionnelles, mais elles sont définies de cette manière pour prendre en compte les effets que les matériaux magnétiques ont sur les champs qui les traversent.

Si un matériau est placé au milieu d'un champ magnétique externe, le champ résultant dépendra de cela et également de la réponse magnétique du matériau. Pour cela B et H Ils sont liés à travers:

B = μ_mH

Ici μ_m  C'est une constante qui dépend du matériau et a des unités adéquates afin qu'en multipliant par H Le résultat est Tesla.

Caractéristiques d'un champ magnétique

-Le champ magnétique est une ampleur vectorielle, donc il a une magnitude, une direction et une signification.

-L'unité du champ magnétique B Dans le système international, c'est la Tesla, abrégée comme t, tandis que H C'est ampère / mètre. D'autres unités qui apparaissent fréquemment dans la littérature sont les Gauss (G) et les Oersted.

-Les lignes de champ magnétique sont toujours des liens fermés, qui quittent un pôle Nord et entrent dans un pôle Sud. Le champ est toujours tangent aux lignes.

-Les poteaux magnétiques apparaissent toujours dans le couple nord-sud. Il n'est pas possible d'avoir un poteau magnétique isolé.

-Il provient toujours du mouvement des charges électriques.

-Son intensité est proportionnelle à l'ampleur de la charge ou du courant qui le produit.

-L'amplitude du champ magnétique diminue avec l'inverse au carré de la distance.

-Les champs magnétiques peuvent être constants ou variables, le temps et l'espace.

-Un champ magnétique est capable d'exercer une force magnétique sur une charge mobile ou sur un fil qui transporte le courant.

Pôles d'un aimant

Un aimant à barre a toujours deux poteaux magnétiques: le pôle Nord et le pôle Sud. Il est très facile de vérifier que les pôles de signe égal se reproduisent, tandis que ceux de différents types sont attirés.

C'est tout à fait comme ce qui se passe avec les charges électriques. On peut également voir que plus ils sont proches, plus la force avec laquelle ils attirent ou repoussent.

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Les aimants à barres ont un modèle distinctif de lignes de champ. Ce sont des courbes fermées, qui quittent le pôle Nord et entrent dans le pôle Sud.

Figure 2. Lignes de champ magnétique d'un aimant à barre. Source: Wikimedia Commons.

Une expérience simple pour observer ces lignes, consiste à étaler des fichiers de fer sur une feuille de papier et à placer un aimant de barre en dessous.

L'intensité du champ magnétique est donnée en fonction de la densité des lignes de champ. Celles-ci sont toujours plus denses près des pôles et s'étendent à mesure que nous nous éloignons de l'aimant.

L'aimant est également connu sous le nom de dipôle magnétique, dans lequel les deux pôles sont précisément les pôles magnétiques nord et sud.

Mais ils ne peuvent jamais se séparer. Si l'aimant est coupé en deux, deux aimants sont obtenus, chacun avec leurs pôles nord et sud respectifs. Les pôles isolés sont appelés Monopoles magnétiques, Mais à ce jour, personne n'a pu isoler.

Sources

Vous pouvez parler de diverses sources de champ magnétique. Ils vont des minéraux magnétiques, à travers le pays lui-même, qui se comporte comme un grand aimant, jusqu'à ce que vous atteigniez des électromaignes.

Mais la vérité est que chaque champ magnétique a son origine dans le mouvement des particules chargées.

Plus tard, nous verrons que la source principale de tout le magnétisme se trouve dans les minuscules courants à l'intérieur de l'atome, principalement ceux qui se produisent en raison des mouvements des électrons autour du noyau et des effets quantiques présents dans l'atome.

Cependant, en termes d'origine macroscopique, vous pouvez penser aux sources naturelles et aux sources artificielles.

Les sources naturelles en principe ne sont pas «désactivées» les aimants permanents, mais il faut tenir compte du fait que la chaleur détruit le magnétisme des substances.

Quant aux sources artificielles, l'effet magnétique peut être supprimé et contrôlé. Par conséquent, nous avons:

-Des aimants d'origine naturelle, en minéraux magnétiques tels que la magnétite et le maghémitique, les deux oxydes de fer, par exemple.

-Courants électriques et électromimans.

Minéraux magnétiques et électromêtres

Dans la nature, il existe divers composés qui présentent des propriétés magnétiques notables. Ils sont capables d'attirer des pièces de fer et de nickel, par exemple, ainsi que d'autres aimants.

Les oxydes de fer mentionnés, tels que la magnétite et la maghemita, sont des exemples de ce type de substances.

La susceptibilité magnétique C'est le paramètre utilisé pour quantifier les propriétés magnétiques des roches. Les roches ignées de base sont la sensibilité la plus élevée, en raison de sa teneur élevée en magnétite.

D'un autre côté, à condition qu'il y ait un fil qui est courant, il y aura un champ magnétique associé. Ici, nous avons un autre moyen de générer un champ qui, dans ce cas, adopte la forme de circonférences concentriques avec le fil.

Le sens de la circulation du champ est donné par la règle du pouce droit. Lorsque le pouce de la main droite pointe dans le sens du courant, les quatre doigts restants indiqueront le sens dans lequel les lignes de champ sont incurvées.

figure 3. Règle du pouce droit pour obtenir la direction et le sens du champ magnétique. Source: Wikimedia Commons.

Un électroaigrement est un appareil qui produit le magnétisme à partir de courants électriques. Il a l'avantage de pouvoir s'allumer et s'éteindre à volonté. Lorsque le courant cesse, le champ magnétique disparaît. De plus, l'intensité du champ peut également être contrôlée.

Les électromagnes font partie de divers appareils, parmi lesquels sont des orateurs, des disques durs, des moteurs et des relais, entre autres.

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Force magnétique sur une charge en mouvement

Vous pouvez vérifier l'existence d'un champ magnétique B à travers une charge d'essai électrique - q- Et cela se déplace avec la vitesse V. Pour cela, la présence de champs électriques et gravitationnels est exclue au moins pour le moment.

Dans ce cas, la force que la charge éprouve q, qui est désigné comme F_B, C'est entièrement dû à l'influence du champ. Qualitativement ce qui suit est observé:

-L'ampleur de  F_B  Il est proportionnel à  q Et à la vitesse V.

-Oui V est parallèle au vecteur de champ magnétique, l'ampleur de F_B C'est nul.

-La force magnétique est perpendiculaire aux deux V comme B.

-Enfin, l'ampleur de la force magnétique est proportionnelle à sin θ, être θ L'angle entre le vecteur de vitesse et le vecteur de champ magnétique.

Tout ce qui précède est valable pour les charges positives et négatives. La seule différence est que la signification de la force magnétique est inversée.

Ces observations sont d'accord avec le produit vectoriel entre deux vecteurs, de sorte que la force magnétique ressentie par une charge ponctuelle q, qui se déplace avec la vitesse V Au milieu d'un champ magnétique, c'est:

F_B = q V X B

Dont le module est:

F_B = q.V.B.sin θ

Figure 4. Règle de la main droite pour la force magnétique sur une charge ponctuelle positive. Source: Wikimedia Commons.

Comment un champ magnétique est-il généré?

Il existe plusieurs façons, par exemple:

-Au moyen d'une substance appropriée.

-Passer un courant électrique à travers un fil de pilote.

Mais l'origine du magnétisme en la matière s'explique en se rappelant qu'elle doit être associée au mouvement des charges.

Un électron en orbite autour du noyau est essentiellement un minuscule circuit fermé de courant, mais capable de contribuer considérablement au magnétisme de l'atome. Il y a beaucoup d'électrons dans un morceau de matériau magnétique.

Cette contribution au magnétisme de l'atome est appelée Moment magnétique orbital. Mais il y a plus, car la traduction n'est pas le seul mouvement de l'électron. Cela possède aussi Moment magnétique de Spin, un effet quantique dont l'analogie est celle d'une rotation d'électrons sur son axe.

En fait, le moment magnétique d'Espín est la principale cause du magnétisme d'un atome.

Gars

Le champ magnétique est capable d'adopter de nombreuses formes, en fonction de la distribution des courants qui l'origine. À son tour, il peut varier non seulement dans l'espace, mais aussi dans le temps ou les deux en même temps.

-À proximité des pôles d'un électroaim, il y a un champ approximativement constant.

-Également à l'intérieur d'un solénoïde, une intensité élevée et un champ uniforme sont obtenus, avec les lignes de champ dirigées le long de l'axe axial.

-Le champ magnétique de la Terre est assez bien au champ d'un aimant de barre, en particulier à proximité de surface. De plus, le vent solaire modifie les courants électriques et le déforme considérablement.

-Un fil qui transporte le courant a un champ sous forme de circonférences concentriques avec le fil.

Quant à savoir si le champ peut varier ou non dans le temps, ils ont:

-Champs magnétiques statiques, lorsque ni leur ampleur ni leur direction n'ont changé au fil du temps. Le champ d'un aimant de barre est un bon exemple de ce type de champ. Aussi ceux qui proviennent des fils qui transportent les courants stationnaires.

-Champs variables au fil du temps, si l'une de ses caractéristiques varie dans le temps. Une façon de les obtenir provient de générateurs de courant alternatifs, qui utilisent le phénomène d'induction magnétique. Ils se trouvent dans de nombreux appareils à usage commun, par exemple les téléphones portables.

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La loi biot-araveute

Lorsqu'il est nécessaire de calculer la forme du champ magnétique produit par une distribution des courants, la loi biot-savart peut être utilisée, découverte en 1820 par les physiciens français Jean Marie Biot (1774-1862) et Felix Savart (1791-1841).

Pour certaines distributions actuelles avec des géométries simples, une expression mathématique pour le vecteur de champ magnétique peut être obtenue directement.

Supposons que vous ayez un segment de fil de longueur différentielle dl qui transporte un courant électrique Toi. On suppose également que le fil est dans le vide. Le champ magnétique qui produit cette distribution:

-Diminue avec l'inverse au carré de la distance au fil.

-Il est proportionnel à l'intensité du courant Toi qui voyage sur le fil.

-Votre adresse est tangentielle à la circonférence radio r centré sur le fil et sa signification est donnée par la règle du pouce droit.

Ces observations sont combinées dans l'expression suivante:La constante de proportionnalité est le Perméabilité sous vide μ_soit, par lequel il est obtenu:Où:

-μ_soit = 4π. dix^-7 T.M / A 

-dB C'est un différentiel de champ magnétique.

-Toi C'est l'intensité du courant qui circule sur le fil.

-r C'est la distance entre le centre du fil et le point où vous voulez trouver le champ.

-dl C'est le vecteur dont l'ampleur est la longueur du segment différentiel dl.

-r C'est le vecteur qui passe du fil au point où vous souhaitez calculer le champ.

Exemples

Ci-dessous, il y a deux exemples de champ magnétique et leurs expressions analytiques.

Champ magnétique produit par un très long fil rectiligne

Par le biais. Lors de l'intégration le long du conducteur et de la prise du cas de limite dans laquelle cela est très long, l'ampleur des résultats du champ:

 La direction et la direction du vecteur b sont indiquées par la règle du pouce droit, comme on peut le voir sur la figure 3.

Champ créé par Helmholtz Coil

La bobine Helmholtz est formée par deux bobines circulaires identiques et concentriques, que le même courant est passé. Ils servent à créer un champ magnétique approximativement uniforme à l'intérieur.

Figure 5. Schéma de bobines Helmholtz. Source: Wikimedia Commons.

Son ampleur au centre de la bobine est:

Et est dirigé le long de l'axe axial. Les facteurs de l'équation sont:

-N représente le nombre de virages des bobines

-Toi C'est l'ampleur du courant

-μ_soit C'est la perméabilité magnétique du vide

-R C'est le rayon des bobines.

Les références

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