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 GRAVITÉ
Souvenons-nous de l'expérience de la sphère citée
en référence de la figure 10, (en cliquant ici), 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.
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 -.
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.
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).
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).
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).
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 possèdant chacun deux pôles et une ligne neutre.
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 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).
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.
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 Φ
(phi).
Sa valeur est déterminée par la relation :
Φ = BS
Dans laquelle :
- Φ 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).
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.
Laperméabilité
(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.
Champ magnétique
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