Le magnétisme : qu'est ce que c'est ?

La dernière fois nous avons parlé de l'électricité et donc du champ électrique. Pour compléter cet article, j'aimerais vous parler du magnétisme et donc du champ magnétique.

Quand j'étais petit, je jouais souvent avec des Géomags, ces petits aimants qui s'attirent d'un côté et se repoussent de l'autre. Et je me suis toujours posé la même question : comment est-il possible que deux objets s'attirent ou se repoussent ? Et ce alors qu'il n'y a aucune source d'énergie évidente... . Et bien ce n'est qu'en deuxième année de Licence que j'ai eu la réponse ! Et aujourd'hui vous allez savoir pourquoi 😉

 

Le magnétisme fait parler de lui depuis l'antiquité. Au VIème siècle avant J.C lorsque les philosophes tentaient de comprendre les effets des minerais riches en magnétite qui étaient prélevés pour la plupart dans la cité de Magnésie (d'où le nom du phénomène). Il fallut attendre le XIXème siècle pour que le magnétisme soit étudié par des physiciens et que la théorie électromagnétique commence à prendre forme. En particulier, Gauss, Laplace, Faraday, Ampère, Maxwell, Michelson et Morley sont les pionniers de la théorie électromagnétique actuelle. Cette dernière est par ailleurs une des théories les mieux comprises et des plus précises en Physique.

Et le magnétisme dans tout ça ?

Ben on le connait très bien, on sait le créer, on sait le modéliser, on sait d'où il vient, il reste deux ou trois petites questions - rien de bien méchant (c'est ce que les physiciens disaient à l'aube de la relativité et de la mécanique quantique) - mais pour le moment c'est quelque chose que les physiciens maîtrisent très bien.

La force de Laplace

La première chose qu'il faut évoquer lorsqu'on parle de magnétisme, c'est la force à laquelle il est associé parce que c'est par l'intermédiaire de celle-ci que l'on peut décrire le magnétisme. Je vous en fait donc une très brève introduction.

La force de Laplace est la force qui permet à deux objets aimantés de s'attirer et de se repousser. Mais c'est un peu plus compliqué que ça, elle agit sur des objets qui peuvent avoir une charge électrique ou pas, mais dans tous les cas elle met en jeu des déplacement de charges électriques. Elle permet en particulier aux aimants de se repousser ou de s'attirer suivant leur orientation. Mais ou se trouvent les charges électriques dans cette histoire ? On verra ça plus tard 😉

Chez les objets ou les particules chargées électriquement (l'électron par exemple) elle crée un mouvement de rotation. C'est à dire que la force de Laplace s'applique perpendiculairement au sens de déplacement de la particule. En particulier, la force de Laplace est responsable de l'accélération du freinage et de la lévitation des rames de train à lévitation magnétique.

Schéma représentant le système de lévitation magnétique d'un train. Des électroaimants sont alimentés afin de produire un champ magnétique puissant et modulable afin de permettre au train de léviter et d'avancer.
Schéma représentant le système de lévitation magnétique d'un train. Des électroaimants sont alimentés afin de produire un champ magnétique puissant et modulable afin de permettre au train de léviter et d'avancer.

On en parlera plus tard mais sachez que la force de Laplace n'existe jamais seule. Elle est en fait couplée à la force de Coulomb qui est associée au champ électrique. Pour les curieux tout se trouve dans les équations de Maxwell 😉

Le champ magnétique

Le champ magnétique s'exprime en Teslas (unité du système international) ou en Gauss (unité très utilisée en Astrophysique stellaire). A titre indicatif, le champ magnétique moyen généré par un aimant moyen (un Géomag par exemple) est de l'ordre de quelques dizaines de milliTesla. Le champ magnétique constant le plus puissant que les physiciens savent produire avoisine les 40 Teslas. Si vous vous trouvez proche d'une source à 40 Teslas, autant dire que vous ne survivrez pas longtemps.

On l'a vu dans l'article sur l'électricité, le champ électrique est défini comme une propriété de l'espace générée par une source chargée électriquement. Pour le champ magnétique, c'est un peu plus compliqué. Celui-ci est également défini comme une propriété de l'espace mais n'est pas généré par une source chargé magnétiquement (cela n'existe pas !). Il est en fait généré par une source chargée électriquement qui subit une accélération. Étrange non ?

Une charge qui aurait un mouvement circulaire uniforme (on parle de boucle de courant) créerait le champ magnétique suivant.

Boucle
Champ magnétique créé par une boucle de courant représentée ici en rouge. Une charge possédant un mouvement circulaire uniforme peut aussi être associée à une boucle de courant. On observe ce que l'on appelle des lignes de champ magnétique (ici appelées lignes de force). On constate que les lignes de champ magnétique sont fermées (à l'inverse des lignes de champ électriques) ce qui signifie que la force de Laplace associée à ses lignes de champ est conservative et surtout finie.

Les lignes que l'on voit (lignes de force) sont les lignes du champ magnétique. Si maintenant on aligne de nombreuses boucles de courant de manière à obtenir un tube assez long, on obtient ce que l'on appelle un solénoïde et le champ magnétique aura la forme suivante.

solenoide1
Nous observons qu'au centre du solénoïde le champ magnétique est rectiligne uniforme.

C'est le principe de la bobine (ou de l'inductance) que l'on retrouve dans les circuits LC ou RLC que vous avez probablement vu au lycée ou en licence. Je pourrais vous représenter de nombreuses autres lignes de champ magnétiques mais je garde ça pour plus tard 😉

Ce qu'il est important de voir ici, c'est que les lignes de champ magnétique sont toujours fermées. Ceci explique indirectement pourquoi il n'existe pas de monopôle magnétique (ou charge magnétique).

Les sources de magnétisme

Les sources de magnétisme sont nombreuses et sont très différentes et leurs caractéristiques dépendent généralement de leur structure matérielle. En particulier pour les matériaux "normaux" on trouve différent types de magnétisme : le paramagnétisme, le ferromagnétisme et le diamagnétisme.

Le paramagnétisme

Un milieu matériel paramagnétique ne possède pas d'aimantation spontanée. Ce milieu acquiert une aimantation dirigée dans le même sens que le champ d'excitation. Cette aimantation disparaît quand le champ d'excitation est coupé.

Paramagnétisme
Les flèches noires représentent l'orientation spécifique des molécules qui composent le matériau étudié. En réalité, à chaque atome ou molécule on peut associer un dipôle magnétique qui est représenté par les vecteurs en noir et qui agit un peu comme un mini-aimant. Les flèches bleues représentent le champ magnétique extérieur que l'on appelle aussi champ d'excitation.

On constate qu'en l'absence de champ magnétique, l'orientation des champs magnétiques créés par les atomes qui composent le matériau est aléatoire. Lorsque le matériau est soumis à un champ magnétique externe, les champs magnétiques microscopiques s'alignent ensemble dans la même direction que le champ d'excitation.

Ferromagnétisme

Un matériau ferromagnétique s'aimante sous l'effet d'un champ magnétique externe et garde une partie de cette aimantation lorsqu'il n'est plus soumis à un champ magnétique externe.

Ferromagnétisme
Nous constatons que lorsque le matériau est soumis à un champ d'excitation, les molécules qui le composent s'alignent presque parfaitement. Lorsque le champ est coupé, les molécules gardent leur alignement mais le perdent petit à petit. La conséquence est que le matériau devient aimanté pendant un certain temps.

Le matériau perd petit à petit son aimantation sous forme de chaleur, on parle de relaxation du système et le temps de relaxation de celui-ci peut être très très long !

En particulier on trouve deux catégories de matériaux ferromagnétiques :

  • Les ferromagnétiques durs (aimants permanents) : qui ont un temps de relaxation long
  • Les ferromagnétiques doux : qui ont un temps de relaxation court

On comprend donc qu'un aimant permanent ne restera jamais aimanté pour l'éternité. Il est possible de démagnétiser un aimant en lui appliquant un champ magnétique suffisamment fort pour changer l'orientation des champs magnétiques microscopiques qui participent au magnétisme du matériau.

Le diamagnétisme

Les matériaux diamagnétiques sont sont des matériaux qui, lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique externe créent un champ magnétique plus faible qui s'oppose au champ magnétique d'excitation. Cette caractéristique est souvent cachée par le caractère paramagnétique ou ferromagnétique du matériau.

Mais que ce passe t-il à l'échelle microscopique ? 

Vous n'avez peut être pas compris pourquoi j'ai représenté des champs magnétiques microscopiques, je vais vous expliquer pourquoi.

Vous le savez déjà, la matière "normale" est composée d'atomes qui sont eux mêmes constitués d'un noyau chargé positivement autour duquel tournent des électrons chargés négativement. On peut représenter un atome comme une boucle de courant c'est à dire une charge électrique qui possède un mouvement circulaire uniforme et qui engendre un certain champ magnétique. Vu de loin, on peut le représenter comme une boucle de courant par le schéma suivant.

Boucle_courant
On peut représenter un atome comme une boucle de courant (schéma plus haut). Si maintenant on regarde cette boucle de courant de très loin, on observe que les seules lignes de champ magnétiques visibles sont celles qui passent parfaitement par le centre de la boucle. C'est ce que l'on appelle en Physique l'approximation dipolaire de la boucle de courant.

Le noyau se trouve au centre de la boucle tandis que le courant de charge représente la moyenne du déplacement des électrons qui constituent l'atome. On obtient un "micro-aimant". C'est la somme de ces "petits aimants" associée aux autres propriétés du matériau (viscosité, température, arrangement, conductivité ...) qui lui confèrent ses caractéristiques magnétiques.

Bien-sûr, hormis les aimants et autres matériaux magnétiques classiques, on retrouve d'autres sources de champ magnétique un peu plus complexes mais qui sont basées sur le même principe fondamental : L'accélération de charges électriques.

  • Le champ magnétique terrestre : Il est issu de la rotation sur elle-même de la Terre et des mouvements convectifs dans le manteau interne et dans le noyau, il est de l'ordre de la centaine de milliTeslas. Celui-ci est très important car il nous protège des particules cosmiques et solaires hautement énergétiques par l'intermédiaire de la force de Laplace déviant ainsi leur trajectoire.
Voici une simulation informatique représentant les lignes du champ magnétique terrestre. L'absence de symétrie révèle que notre planète n'est ni parfaitement ronde, ni homogène et uniforme.
Voici une simulation informatique représentant les lignes du champ magnétique terrestre. L'absence de symétrie révèle que notre planète n'est ni parfaitement ronde, ni homogène et uniforme.
  • Les champs magnétiques stellaires : Les champs magnétiques des étoiles sont beaucoup plus intenses que le champ magnétique terrestre, ils vont de quelques Tesla à plus d'une trentaine de Teslas pour les plus magnétiques. La quantité de matière accélérée est beaucoup plus importante et souvent l'étoile tourne plus rapidement. Les champs magnétiques stellaires dépendent également des mouvements de plasma à l'intérieur de l'étoile. C'est le champ magnétique qui est à l'origine des éruptions solaires (jets de matière à haute vitesse dans l'espace).
Photo représentant une éruption solaire. On constate que les jets de matière suivent les lignes du champ magnétique.
Photo représentant une éruption solaire. On constate que les jets de matière suivent les lignes du champ magnétique.

Le magnétisme est une chose simple en apparence, c'est en fait un sujet extrêmement vaste qui touche de nombreux domaines de la Physique. On le retrouve en Physique appliquée : Physique des matériaux, Micro-électronique, Nano-technologies, Astrophysique ... et puis en Physique fondamentale : Mécanique Quantique, Relativité, Cosmologie, Physique des hautes énergies ... . Il existe un lien très fort entre le magnétisme et l'électricité, je ne vous laisserai pas sur votre faim, je vous expliquerai tout ça dans un prochain article 😉

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