$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Les champs magnétiques sont fondamentaux pour l’électromagnétisme et sous-tendent de nombreuses applications pratiques allant des boussoles à l’imagerie par résonance magnétique.
Les champs magnétiques ou les champs B peuvent être générés par des charges en mouvement, telles qu’un courant électrique, ou des objets tels que des barres magnétiques en raison de la dynamique microscopique des charges à l’intérieur du matériau magnétique.
Cette vidéo illustre comment visualiser les champs magnétiques produits par un conducteur porteur de courant et une barre magnétique permanente. De plus, cette vidéo montrera également la force exercée par les champs magnétiques produits par un courant sur un autre fil porteur de courant.
Les champs magnétiques peuvent être visualisés à l’aide de lignes de champ magnétique. Il s’agit de lignes fictives qui aident à comprendre la distribution et la direction des champs magnétiques.
La tangente d’une ligne de champ magnétique reflète la direction locale du champ magnétique, et la densité des lignes reflète l’intensité du champ magnétique local, qui, dans le cas d’une barre magnétique, diminue à mesure que nous nous éloignons de sa surface. Différentes configurations de conducteurs de courant produisent différentes variations dans la distribution des champs magnétiques.
Par exemple, un long fil droit transportant un courant électrique produit un champ magnétique, dont la direction, représentée par les « lignes de champ magnétique », est le long de la direction tangente circulaire autour du fil.
Dans le cas d’un aimant à barres, les lignes de champ magnétique quittent le pôle nord de l’aimant et entrent dans le pôle sud de l’aimant. Ceci est similaire au modèle de champ magnétique produit par un solénoïde, qui est une bobine cylindrique de fil qui transporte du courant.
La direction du champ magnétique produit par un courant peut être déterminée par la « règle de la main droite ». La règle stipule que si le pouce pointe dans la direction du courant, les doigts qui s’enroulent autour du conducteur indiquent la direction du champ magnétique. Ainsi, un aimant en barre, lorsqu’il est rapproché du conducteur, s’aligne avec le champ magnétique local généré.
Nous savons maintenant que les champs magnétiques, produits par n’importe quel conducteur ou aimant, interagissent avec les matériaux magnétiques proches. De plus, les champs magnétiques générés interagissent également avec les charges électriques en mouvement, comme celles trouvées dans un deuxième conducteur porteur de courant.
Lorsqu’une charge mobile 'q' est introduite dans un champ magnétique 'B', le champ exerce une force 'F' sur la charge. C’est ce qu’on appelle la force de Lorentz. La force est proportionnelle au champ magnétique 'B', à la charge 'q' et à sa vitesse 'v', et est déterminée par le produit vectoriel de la vitesse de la charge et du champ magnétique, multiplié par la charge. La force pointe donc dans une direction perpendiculaire à la fois au mouvement de la charge et au champ magnétique déterminé par la « règle du pouce droit ».
Après avoir passé en revue les bases des champs magnétiques, effectuons une expérience simple pour visualiser ces lignes de champ magnétique et démontrer comment la force de Lorentz exercée par un champ magnétique généré affecte un fil parallèle porteur de courant.
Rassemblez le matériel et les instruments nécessaires, à savoir une source de courant continu, une carte en plastique montée avec plusieurs aiguilles de boussole et un fil conducteur droit passant par son centre, et une barre aimantée permanente.
Observez le panneau en plastique avec un trou en son centre. Il est monté avec plusieurs aiguilles de boussole autour du trou central à l’aide de goupilles, de sorte que les aiguilles sont libres de tourner.
Notez également que le fil conducteur est alimenté par le trou central de la carte. Assurez-vous que le fil est perpendiculaire à la carte. Connectez le fil à l’alimentation en courant continu à l’aide de câbles avec des pinces.
Allumez la source de courant et réglez l’alimentation en courant sur +5 ampères. Observez le comportement des aiguilles de la boussole.
Ensuite, coupez l’alimentation électrique et échangez les câbles positif et négatif. Ensuite, allumez l’alimentation électrique pour inverser la direction du courant circulant dans le fil et observez à nouveau les aiguilles de la boussole.
Maintenant, éteignez et débranchez l’alimentation en courant et obtenez une carte en plastique similaire montée avec des aiguilles magnétiques, mais sans le fil conducteur qui y est passé. Ensuite, identifiez le pôle nord de la barre magnétique.
Avec l’axe long de la barre magnétique parallèle à la planche, rapprochez le pôle nord de la planche par le côté. Observez les aiguilles de la boussole pour tout changement d’orientation.
Maintenant, retournez la barre magnétique de manière à ce que le pôle sud soit plus proche de la carte. Encore une fois, observez les aiguilles de la boussole pour tout changement d’orientation.
Assemblez d’abord un cadre avec deux barres, l’une d’entre elles est horizontale le long du haut du cadre et l’autre est verticale qui relie la base à la première barre. Ensuite, ancrez ou collez la section médiane des deux longs fils conducteurs au cadre. Pendez une extrémité des deux fils au cadre de sorte que les deux fils soient parallèles l’un à l’autre.
Maintenant, connectez l’extrémité des deux fils à l’interrupteur et aux bornes. Connectez ensuite la configuration à une batterie.
Assurez-vous que les fils sont connectés de manière à ce que le courant circule dans le même sens dans les deux fils. Ensuite, basculez l’interrupteur pour connecter la batterie aux fils conducteurs.
Observez les deux fils lorsque le courant les traverse. Ensuite, éteignez l’interrupteur pour arrêter le flux de courant à travers les fils.
Inversez la direction de l’interrupteur afin de changer la direction du flux de courant à travers les fils. Observez les deux fils lorsque le courant est activé.
Maintenant, après avoir examiné les protocoles, passons en revue les résultats des expériences effectuées.
Dans l’expérience avec les aiguilles de la boussole, initialement, les aiguilles sont orientées de manière aléatoire. Lors de l’application du courant, les aiguilles de la boussole s’alignent avec le champ magnétique local selon un motif circulaire.
En inversant la direction du courant, le champ magnétique local s’inverse, ce qui inverse à son tour l’orientation des aiguilles de la boussole.
De même, lorsque le pôle nord de la barre magnétique est rapproché des aiguilles de la boussole, il crée un champ magnétique local, et les aiguilles de la boussole s’alignent le long de ces lignes de champ magnétique locales.
Et lorsque la barre magnétique est retournée, la direction du champ magnétique s’inverse également, ce qui inverse l’orientation des aiguilles de la boussole.
Dans l’expérience avec les deux longs fils, les fils sont attirés l’un vers l’autre lorsque le courant qui y circule a la même direction. Cela est dû à la force de Lorentz générée par le champ magnétique.
Selon la règle de la main droite, le fil gauche produit un champ magnétique, qui pointe dans la direction perpendiculaire au flux de courant à l’endroit du fil droit. Maintenant, utilisez la règle de l’autre main droite et placez les doigts dans le sens du courant et des champs magnétiques. Ensuite, le pouce étendu donne la direction de la force de Lorentz. Dans ce cas, la force est vers le fil gauche et donc attrayante.
D’autre part, lorsque le flux de courant dans les deux fils est dans des directions opposées l’un par rapport à l’autre, la règle de la main droite montre que la direction de la force de Lorentz au site du fil droit est éloignée du fil gauche, ce qui rend la force répulsive. Par conséquent, les deux fils sont écartés.
Les champs magnétiques se trouvent partout autour de nous et sont actuellement utilisés dans des applications allant de la navigation à l’environnement clinique. Examinons maintenant quelques applications courantes des champs magnétiques.
Il y a des siècles, la dynastie Song de Chine a inventé la première boussole magnétique utilisée pour la navigation. Depuis lors, nous nous appuyons sur la boussole, qui fonctionne en tandem avec le champ magnétique terrestre, pour nous diriger.
Le pôle sud magnétique de la Terre est situé près de son pôle nord géographique. Ainsi, le pôle nord magnétique de l’aiguille d’une boussole s’aligne sur le champ magnétique terrestre et pointe vers le nord géographique de la terre.
Les champs magnétiques ont également une multitude d’applications dans le domaine de la médecine et du diagnostic médical. L’utilisation la plus courante des champs magnétiques est l’imagerie par résonance magnétique ou IRM. Les scanners IRM utilisent des champs magnétiques puissants et des gradients de champ pour générer des images de l’intérieur du corps.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE aux champs magnétiques. Vous devriez maintenant savoir comment visualiser les champs magnétiques à l’aide des aiguilles de la boussole et comprendre comment la force de Lorentz d’un champ magnétique produit par un courant affecte un autre courant presque parallèle. Merci d’avoir regardé !
