Créée le, 24/05/2005

 Mise à jour le, 27/07/2015

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Physique - Champ d'Action - Champ Électrique :




 

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PHYSIQUE     "2ème PARTIE"

Cette dernière leçon de physique traite de la nature, de l'origine et de l'action des différents champs électrique, magnétique et électromagnétique.

1. - CHAMP D'ACTION

1. 1. - CHAMP GRAVITE

Souvenons-nous de l'expérience de la sphère citée en référence de la figure 10, on peut prendre le même schéma pour une autre explication.

Il s'agissait d'une sphère qu'on laissait tomber du haut d'un gratte-ciel et qui, sous l'action de la gravité terrestre, suivait un parcours rigoureusement vertical.

Imaginons maintenant que nous laissions tomber une sphère identique d'un point très proche du premier : elle suit un nouveau parcours vertical, voisin du précédent.

Supposons que nous répétions la même expérience en déplaçant progressivement le point de départ des différentes sphères tout au long d'un côté du gratte-ciel. Cela déterminerait un ensemble de lignes verticales proches les unes des autres. L'ensemble de ces lignes verticales déterminerait ce que l'on appelle le champ d'action de la gravité ou plus simplement champ de gravité.

1. 2. - CHAMP ÉLECTRIQUE

Dans une autre partie de cet ouvrage, il est dit qu'autour d'un corps électrisé, il se manifeste des forces électriques. Ces forces agissent dans l'espace environnant comme la force de gravité terrestre agit sur les sphères de l'expérience précédente.

 O1

Examinons par exemple deux plaques métalliques, l'une étant chargée d'électricité positive et l'autre d'électricité négative, et disposées comme l'indique la figure 1.

Si une particule chargée d'électricité négative se détache de la plaque supérieure (négative), elle tombe sur la plaque inférieure (positive) après avoir suivi un parcours rectiligne comme les sphères de l'expérience précédente.

Le déplacement de cette particule est en partie dû à la force de gravité mais surtout à la force électrique qui agit dans l'espace compris entre les deux plaques. Si l'on considère cette dernière force, nous dirons que l'espace compris entre les deux plaques constitue un champ d'action électrique ou plus simplement, qu'entre les deux plaques existe un champ électrique.

Examinons les différentes actions pouvant se produire dans un champ électrique (figure 2). Elles diffèrent selon le type de charge des corps, charge qui peut être positive et symbolisée par le signe +, ou négative et symbolisée par le signe -.

O2.gif

La figure 2-a montre l'action existant entre deux charges de même signe (charges positives dans l'exemple, mais qui auraient pu être négatives) : les deux corps électrisés se repoussent. Autrement dit, il se crée entre les deux corps un champ de répulsion.

Pour étudier le champ existant entre les deux corps, il nous faut placer en différents points de l'espace qui les entoure des particules électrisées positivement. Chaque fois que les particules sont laissées libres de se mouvoir, en partant d'un point proche de la surface de chaque corps, elles parcourent des trajets semblables à ceux tracés sur la figure 2.

Ces trajets représentent la direction des forces à l'intérieur du champ et on les désigne généralement sous le nom de lignes de force.

Comme nous le disions plus haut et comme nous venons de le voir, un champ de répulsion se crée entre deux charges de même signe. Notre exemple considérait deux charges positives (figure 2-a). Si nous prenions maintenant deux charges négatives, nous constaterions la formation du même champ de répulsion, mais les flèches des lignes de force seraient dirigées en sens inverse. Autrement dit, les lignes de force auraient la même direction mais en sens opposé.

La figure 2-b montre ce qui se passe lorsque les corps ont des charges électriques de signes contraires. Ici, les lignes de force qui partent des deux corps se réunissent et se renforce mutuellement. Cela signifie que la particule positive soumise au champ est non seulement repoussée par le corps positif, mais aussi attirée par le corps négatif.

Revenons un instant à l'expérience de la figure 1. Dans celle-ci, le parcours effectué par la particule était inversé puisqu'elle s'éloignait de la plaque négative en se rapprochant de la plaque positive. Cependant, si l'on remplaçait la particule négative par une autre mais positive, on constaterait que le champ électrique entre les deux plaques est formé de lignes de force parallèles. Un champ de ce genre, dans lequel les lignes de force sont parallèles et où les forces électriques sont d'intensité égale aux points se trouvant à égale distance des deux plaques, est appelé champ uniforme.

La constitution particulière du champ uniforme de la figure 1 est due à la linéarité des plaques et à leur parallélisme.

La figure 2-c montre des champs radiaux, autrement dit les champs créés par des corps positifs ou négatifs, isolés, c'est-à-dire non soumis à l'influence d'un autre champ. Dans les deux cas, les lignes de force se présentent sous la forme de rayons s'éloignant du corps positif en convergeant vers le corps négatif.

Les corps électrisés peuvent être extrêmement petits. On peut même considérer que le plus petit corps électrisé négativement est l'électron que nous connaissons, et que parallèlement, le plus petit corps électrisé positivement est le proton. Dans ces cas, on ne parle plus de corps électrisés mais de charges électriques ponctuelles ou plus simplement de charge positive pour le proton et de charge négative pour l'électron.

Des expériences précédentes et de ce que nous venons de préciser, nous pouvons généraliser :

Un électron au repos est entouré d'un champ électrique. Entre deux électrons, il se manifeste une force répulsive qui dépend de la distance qui les sépare. De la même façon, deux protons se repoussent. Un proton attire un électron comme un électron attire un proton, ce sont précisément ces forces qui permettent en partie la stabilité du système constitué par l'atome.

On exprime aussi cela en disant que les électricités de signes contraires s'attirent, alors que les électricités de même signe se repoussent.

Le champ électrique se propage théoriquement à l'infini autour d'un électron ; mais comme son intensité diminue proportionnellement au carré de la distance, elle ne tarde pas à devenir négligeable.

Le champ électrique se manifeste dans les deux situations que peut occuper une charge électrique : repos ou mouvement. Il n'en est pas de même du champ magnétique, qui est un autre mode d'influence de l'électron.

HAUT DE PAGE 1. 2. - CHAMP MAGNÉTIQUE

Définissons d'abord ce que l'on entend par champ magnétique : c'est tout point de l'espace où se fait sentir l'action d'un aimant. Cette définition nous amène tout naturellement à parler des aimants, qu'ils soient, comme nous le verrons, naturels ou artificiels.

Les aimants naturels sont des fragments de certains oxydes de fer dits magnétiques que l'on trouve en abondance dans certains pays, comme la SUEDE.

Les Grecs connaissaient déjà les pierres d'aimant et en ramassaient aux environs d'une ville de l'ASIE MINEURE nommée MAGNESIA, d'où le nom «magnétite» donné à cette pierre.

Ce n'est qu'au XII ième siècle qu'on sut réaliser des aimants artificiels à l'aide de barreaux de fer qu'on laissait pendant un certain temps dans un champ magnétique intense.

Un aimant attire le fer, l'acier, et à un degré beaucoup moins marqué, le nickel et le colbat. D'une manière générale, on nomme substances magnétiques toutes celles qui sont attirées par un aimant.

Un aimant possède toujours au moins deux pôles, qui sont deux points au voisinage desquels l'action magnétique est la plus intense. Entre deux pôles, on trouve une ligne neutre le long de laquelle il n'y a aucune propriété magnétique.

S'il s'agit d'un barreau droit aimanté, les pôles sont aux deux extrémités et la ligne neutre est la ligne médiane (figure 3).

O3

Il est facile d'observer que les deux pôles d'un aimant ont des propriétés différentes.

Si un aimant est suspendu par son centre de gravité, dans un endroit éloigné de tout champ magnétique artificiel, il s'oriente de telle sorte qu'un des pôles, toujours le même, soit dirigé vers le nord magnétique (légèrement différent du nord géographique). Ce pôle est dit pôle nord, l'autre pôle étant le pôle sud. C'est le principe de la boussole magnétique, constituée simplement par une légère aiguille aimantée, posée sur un pivot.

A l'aide d'un aimant droit et d'une boussole, il est facile d'observer que les pôles de même nom se repoussent et que les pôles de noms contraires s'attirent (figure 4).

O4

La figure 5 montre les lignes de force entre deux pôles de même nom, c'est-à-dire lorsqu'il y a répulsion (figure 5-a), et deux pôles de noms contraires, c'est-à-dire lorsqu'il y a attraction figure 5-b).

 O5

C'est par convention que l'on distingue pôle nord et pôle sud. On peut même voir une sorte de contradiction dans le fait que le pôle nord d'un aimant est précisément celui qui est attiré vers le nord géographique.

Nous savons qu'un aimant a toujours au moins deux pôles et une ligne neutre. Si nous rompons ou coupons un aimant suivant la ligne neutre A-B figure 6-a, nous faisons immédiatement apparaître deux nouveaux pôles, de part et d'autre de la coupure. Et si nous faisons la même opération sur chacun des deux fragments (figure 6-b), nous constituerons quatre aimants possédant chacun deux pôles et une ligne neutre.

 O6

Si nous chauffons un aimant, nous constatons que ses propriétés magnétiques diminuent. Si l'échauffement est faible, on observe que l'aimant reprend de lui-même son aimantation primitive. Par contre, si le barreau aimanté est chauffé au rouge, il perd définitivement toute aimantation. Un morceau de fer porté au rouge n'est pas attiré par un aimant.

Un morceau d'une substance magnétique mis au voisinage d'un pôle d'aimant devient aimant à son tour. On dit qu'il s'aimante par influence. Après éloignement, certains corps, comme la fonte et l'acier, conservent une certaine aimantation résiduelle ou rémanente et sont devenus des aimants à leur tour.

Nous avons appris qu'une des manifestations inséparables du courant électrique était la présence d'un champ magnétique, c'est-à-dire d'un champ de force capable d'agir sur les aimants. L'aimant crée, lui aussi, un champ magnétique. Des expériences, mille fois répétées et mille fois variées, ont montré que le champ magnétique de l'aimant et celui du courant électrique étaient rigoureusement de même nature. Il serait étrange que les causes ne soient pas identiques.

Nous savons que, dans un métal quelconque, comme le cuivre et le fer, on peut considérer que les électrons, éléments constituants de la matière, sont animés de mouvements circulaires ou elliptiques autour du noyau de l'atome. Ces mouvements sont évidemment des courants électriques élémentaires, puisque, par définition même, un courant électrique est un déplacement d'électrons. Or, à chaque déplacement d'un électron correspond nécessairement l'apparition d'un champ magnétique.

Mais à l'extérieur d'un morceau de cuivre, il n'y a pas de champ magnétique parce que les trajectoires électroniques sont orientées dans tous les sens. Le champ magnétique extérieur est la résultante des des champs magnétiques élémentaires, orientés au hasard, ont forcément une résultante nulle ; on trouve tout naturellement autant de champs élémentaires dans un sens que dans le sens opposé ; par conséquent, leurs effets s'annules à l'extérieur de l'atome et le résultat est nul.

Un aimant est un corps dans lequel les trajectoires électroniques sont parallèles. En conséquence, leurs effets s'ajoutent et se traduisent à l'extérieur par un champ magnétique. Cette explication fort simple, permet d'expliquer toutes les propriétés des aimants : la présence des pôles, de la ligne neutre, l'aimantation par influence, l'action des chocs sur certains aimants...

Quand nous approchons un barreau de fer doux (fer pur) d'un aimant, nous provoquons un changement d'orientation des trajectoires électroniques des atomes. Celles-ci basculent de façon à se placer toutes dans des plans parallèles : le barreau de fer devient aimanté par influence. Dès qu'on l'éloigne de l'aimant, les trajectoires commencent de nouveau à se répartir au hasard et l'aimantation disparaît. Mais, dans certains métaux comme l'acier, les trajectoires conservent au moins partiellement, l'orientation qu'on leur a donnée une première fois ; ils ont la propriété de devenir des aimants permanents.

Le champ magnétique est donc l'endroit où s'exerce la force magnétique. Celle-ci a évidemment une grandeur ou intensité et une direction.

Une aiguille aimantée protégée contre toute autre action magnétique s'oriente dans la direction du champ magnétique. Elle peut ainsi servir à en mesurer les effets.

En un endroit donné, la direction du champ magnétique est définie par une ligne de force. Il va sans dire que ces lignes n'ont aucune existence réelle et qu'en tout point d'un champ magnétique, il passe une ligne de force. A l'extérieur d'un aimant, on admet que le courant magnétique va du pôle nord vers le pôle sud. Il ne s'agit là que d'une vue de l'esprit, car en réalité, il ne circule rien dans un champ magnétique. D'une manière plus précise, on pourrait dire que le champ magnétique en un point est une modification des propriétés de l'espace en ce point.

Bien mieux, le champ magnétique créé par un aimant n'a point de limite. Théoriquement, il s'étend à l'infini autour des pôles. Mais l'attraction magnétique décroît comme le carré de la distance, si bien qu'à une distance relativement faible d'un aimant, l'attraction devient si petite qu'on peut la considérer comme nulle.

On peut, en quelque sorte, matérialiser le champ magnétique d'un aimant et ses lignes de force.

Plaçons une feuille mince de bristol sur un barreau aimanté et laissons tomber une légère pluie de fine limaille de fer. Dans le champ magnétique, chaque parcelle de fer devient un aimant et s'oriente dans le sens des lignes de force. On obtient ainsi un tracé appelé spectre magnétique qui est une véritable image matérialisée des lignes de force (figure 7).

O7

Puisqu'une aiguille aimantée tend à prendre une direction déterminée, c'est qu'il existe autour de la terre un champ magnétique. Tout se passe à peu près comme si le globe était un vaste aimant dont les pôles seraient situés au voisinage des pôles géographiques. Il faut remarquer toutefois, que les pôles géographiques ne coïncident pas exactement avec les pôles magnétiques et que, d'ailleurs, ceux-ci se déplacent d'année en année (figure 8). Sur cette figure sont également représentées les lignes de force du champ de gravité. Nous remarquons qu'elles sont toutes dirigées vers le centre de la terre.

O8

De même qu'une masse électrique représente une quantité d'électricité, de même une masse magnétique représente une quantité de magnétisme. On évalue une masse magnétique en mesurant la force qui s'exerce sur elle dans un champ magnétique dont on connaît l'intensité. Ainsi, par exemple, les deux pôles d'un barreau aimanté constituent deux masses magnétiques égales, mais de signes (ou de noms) contraires.

Selon qu'elles sont de noms contraires ou de même nom, deux masses magnétiques m et m' s'attirent ou se repoussent avec une force proportionnelle au produit de leur grandeur et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

Cette loi dite loi de COULOMB pour le magnétisme, se traduit par la formule :

F = m . m' / d2

Dans laquelle :

  • - F est la force exprimée en newton ;

  • - m et m' sont des masses magnétiques exprimées en weber ;

  • - d2 est le carré de la distance séparant les deux masses, exprimée en mètre.

D'autre part, l'intensité d'un champ magnétique existant en un point se mesure par l'action de ce champ sur une aimant dont on connaît les caractéristiques.

L'examen de la loi ci-dessus nous permet de constater que l'intensité du champ magnétique d'un aimant est particulièrement grande au voisinage des pôles et qu'elle décroît rapidement quand on s'en éloigne.

L'intensité du champ magnétique, encore appelée induction magnétique, se mesure en tesla (symbole T) et se désigne par le symbole B. C'est ainsi que l'on dira que l'intensité du champ magnétique terrestre à PARIS est de l'ordre de 0,5 x 10-4 tesla.

Certains champs magnétiques ont dans une grande partie de leur étendue une intensité constante et une direction uniforme. On dit alors qu'il s'agit de champs magnétiques uniformes ; leur spectre magnétique est représenté par des lignes de force parallèles.

Lorsque l'on considère une surface donnée, on peut être amené à considérer une nouvelle grandeur qui est le flux d'induction magnétique. Celui-ci se mesure en weber (Wb) et son symbole est Ø (phi). Sa valeur est déterminée par la relation :

Ø = BS

Dans laquelle :

  • - Ø est le flux d'induction magnétique en weber ;

  • - B est l'induction magnétique en tesla ;

  • - S est la surface considérée en mètre carré.

Plaçons un morceau de fer doux dans le champ d'un aimant et traçons le spectre magnétique. Nous observons que les lignes de force se rassemblent au voisinage du morceau de métal pour le traverser. Tout se passe comme si ces lignes, (imaginaires, nous le répétons), éprouvaient une certaine difficulté à circuler dans l'air alors qu'elles peuvent traverser le métal beaucoup plus facilement.

Le phénomène est encore beaucoup plus net s'il s'agit d'un champ magnétique uniforme. Au voisinage du fer, les lignes cessent d'être parallèles pour se rapprocher les unes des autres et pénétrer dans le métal (figure 9).

 O9

L'aspect de la figure suggère que le métal se laisse plus facilement pénétrer que l'air par des lignes de force. C'est bien cette idée que l'on exprime en disant qu'il est plus perméable.

La perméabilité (coefficient µ) d'un métal se mesure de la manière suivante :

Le métal est placé dans un champ magnétique uniforme. On mesure le flux magnétique à travers une surface quelconque, dans le champ puis dans le métal.

Le rapport entre les deux nombres mesure la perméabilité et est appelé coefficient de perméabilité. 

Ce coefficient est égal à 1 dans le vide. Il est plus grand que 1 dans les corps magnétiques et plus petit que 1 dans les corps diamagnétiques, mais reste toujours dans ce cas très voisin de 1. Dans les gaz, la perméabilité est très voisine de 1 et on peut utiliser ce chiffre dans l'air sans faire d'erreur appréciable.

La perméabilité du fer, dans un champ de faible intensité, est de l'ordre de 2 500 ; dans les mêmes conditions, celle de la fonte grise est de l'ordre de 800. L'induction dans le fer est donc beaucoup plus grande que dans l'air et elle est donnée par la relation.

B = Boµ 

dans laquelle :

- Bo est l'induction dans l'air ;

- µ la perméabilité magnétique relative du fer.

Nous terminons ce chapitre consacré au magnétisme qui, loin d'avoir traité toutes les questions s'y rapportant, est très suffisant pour le niveau fixé à notre étude.

 



 

  




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