11.4. Champs magnétiques et lignes de champ magnétique

On dit qu’Einstein était fasciné par une boussole lorsqu’il était enfant, peut-être en réfléchissant à la façon dont l’aiguille ressentait une force sans contact physique direct. Sa capacité à réfléchir profondément et clairement à l’action à distance, en particulier pour les forces gravitationnelles, électriques et magnétiques, lui a permis plus tard de créer sa théorie révolutionnaire de la relativité. Étant donné que les forces magnétiques agissent à distance, nous définissons un champ magnétique pour représenter les forces magnétiques. La représentation picturale des lignes de champ magnétique est très utile pour visualiser la force et la direction du champ magnétique. Comme le montre la Fig. 11.12, la direction des lignes de champ magnétique est définie comme étant la direction dans laquelle pointe l’extrémité nord de l’aiguille d’une boussole. Le champ magnétique est traditionnellement noté champ \(\vec{B}\) (ou juste \(B\)).

Fig. 11.12 Les lignes de champ magnétique sont définies comme ayant la direction indiquée par une petite boussole lorsqu’elle est placée à un endroit. (a) Si de petites boussoles sont utilisées pour cartographier le champ magnétique autour d’un barreau magnétique, elles pointeront dans les directions indiquées : loin du pôle nord de l’aimant, vers le pôle sud de l’aimant. (Rappelez-vous que le pôle nord magnétique de la Terre est en fait un pôle sud en termes de définitions des pôles sur un barreau magnétique.) (b) La connexion des flèches donne des lignes de champ magnétique continues. L’intensité du champ est proportionnelle à la proximité (ou à la densité) des lignes. (c) Si l’on pouvait sonder l’intérieur de l’aimant, on trouverait que les lignes de champ forment des boucles fermées continues.

Les petites boussoles utilisées pour tester un champ magnétique ne le perturberont pas. (C’est analogue à la façon dont nous avons testé les champs électriques avec une petite charge d’essai. Dans les deux cas, les champs ne représentent que l’objet qui les a créés et non la sonde qui les teste.) La Fig. 11.13 montre comment le champ magnétique apparaît pour une boucle de courant et un long fil droit, comme on pourrait l’explorer avec de petites boussoles. Une petite boussole placée dans ces champs s’alignera parallèlement à la ligne de champ à son emplacement, son pôle nord pointant dans la direction de \(B\). Notez les symboles utilisés pour l’entrée et la sortie du champ.

Fig. 11.13 De petites boussoles pourraient être utilisées pour cartographier les champs représentés ici. (a) Le champ magnétique d’une boucle de courant circulaire est similaire à celui d’un barreau magnétique. (b) Un fil long et droit crée un champ avec des lignes de champ magnétique formant des boucles circulaires. (c) Lorsque le fil est dans le plan du papier, le champ est perpendiculaire au papier. Notez que les symboles utilisés pour le champ pointent vers l’intérieur (comme la queue d’une flèche) et le champ vers l’extérieur (comme la pointe d’une flèche).

Établir des liens : le concept d’un champ

Un champ est un moyen de cartographier les forces entourant tout objet qui peut agir sur un autre objet à distance sans connexion physique apparente. Le champ représente l’objet qui le génère. Les champs gravitationnels cartographient les forces gravitationnelles, les champs électriques cartographient les forces électriques et les champs magnétiques cartographient les forces magnétiques.

Une exploration approfondie des champs magnétiques a révélé un certain nombre de règles strictes. Nous utilisons des lignes de champ magnétique pour représenter le champ (les lignes sont un outil pictural, pas une entité physique en soi). Les propriétés des lignes de champ magnétique peuvent être résumées par ces règles :

1. La direction du champ magnétique est tangente à la ligne de champ en tout point de l’espace. Une petite boussole pointera dans la direction de la ligne de champ.

2. L’intensité du champ est proportionnelle à la proximité des lignes. Il est exactement proportionnel au nombre de lignes par unité de surface perpendiculaire aux lignes (appelée densité surfacique).

3. Les lignes de champ magnétique ne peuvent jamais se croiser, ce qui signifie que le champ est unique en tout point de l’espace.

4. Les lignes de champ magnétique sont continues, formant des boucles fermées sans début ni fin. Ils vont du pôle nord au pôle sud. La dernière propriété est liée au fait que les pôles nord et sud ne peuvent pas être séparés. C’est une différence distincte avec les lignes de champ électrique, qui commencent et se terminent sur les charges positives et négatives. Si des monopôles magnétiques existaient, alors les lignes de champ magnétique commenceraient et se termineraient sur eux.