Champ magnétique - Définition

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Introduction

Vue d'artiste de la magnétosphère terrestre.
Ferrofluide soumis à un champ magnétique dont l'instabilité provoque des pointes qui l'emportent sur la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) et la tension superficielle (À la surface d'un milieu dense (liquide ou solide) ou à l'interface entre deux milieux...) du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...).

En physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...), le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) d'une intensité et d'une direction, définie en tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) point (Graphie) de l'espace, et déterminée par la position et l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) d'aimants, d'électroaimants et le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) de charges électriques. La présence de ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) se traduit par l'existence d'une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) agissant sur les charges électriques en mouvement (dite force de Lorentz), et divers effets affectant certains matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) (paramagnétisme, diamagnétisme (Le diamagnétisme est l'un des comportements de la matière lorsqu'elle est soumise à un champ...) ou ferromagnétisme (Le ferromagnétisme est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter très...) selon les cas). La grandeur qui détermine l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) entre un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) et un champ magnétique est la susceptibilité magnétique.

Le champ magnétique forme, avec le champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) les deux composantes du champ électromagnétique (Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force...) décrit par l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude...). Des ondes de champs électrique et magnétique mêlées peuvent se propager librement dans l'espace, et dans la plupart des matériaux. Ces ondes sont appelées ondes électromagnétiques, et correspondent à toutes les manifestations de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), dans tous les domaines de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) (ondes radio, domaine micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire...), infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...), domaine visible, ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur...), rayons X et rayons gamma). La discipline qui étudie les champs magnétiques statiques (ne dépendant pas du temps) est la magnétostatique (La magnétostatique est l’étude du magnétisme dans les situations où le...).

Les applications de la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) de ce champ sont nombreuses, même dans la vie (La vie est le nom donné :) courante : outre le fait que celui-ci est une composante de la lumière, il explique l'attraction des aimants, l'orientation des boussoles et permet entre autres la construction d'alternateurs et de moteurs électriques. Le stockage d'informations sur bandes magnétiques ou disques durs se fait à l'aide de champs magnétiques. Des champs magnétiques de très forte intensité sont utilisés dans les accélérateurs de particules ou les tokamaks pour focaliser un faisceau de particules très énergétiques dans le but de les faire entrer en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...). Les champs magnétiques sont également omniprésents en astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...), où ils sont à l'origine de nombreux phénomènes comme le rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs...) et le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est...), ainsi que la formation de jets dans les régions où l'on observe un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une...) d'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par...). Le rayonnement synchrotron (Le terme synchrotron désigne un grand instrument électromagnétique destiné...) est également abondamment utilisé dans de nombreuses applications industrielles.

Mathématiquement, le champ magnétique est décrit par un champ pseudo vectoriel, qui se rapproche d'un champ de vecteurs (En mathématiques, un champ de vecteurs ou champ vectoriel est une fonction qui associe un...) par plusieurs aspects, mais présente quelques subtilités au niveau des symétries. Les équations décrivant l'évolution du champ magnétique sont appelées équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois...), en l'honneur de James Clerk Maxwell (James Clerk Maxwell (13 juin 1831 à Édimbourg, en Écosse -...) qui les a finalisées en 1873. C'est cependant Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...) qui en 1905 en a proposé le premier la vision la plus cohérente, dans le cadre de la relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein...) qu'il venait de découvrir et qui en est indissociable.

Historique

Dès le VIe siècle av. J.-C., les philosophes grecs décrivaient — et tentaient d'expliquer — l'effet de minerais riches en magnétite (La magnétite est une espèce minérale composée d'oxyde de fer(II,III),...). Ces roches étaient issues entre autres de la cité (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la...) de Magnésie : elle donna son nom au phénomène.

La magnétite, minerai présentant des propriétés magnétiques, intriguait déjà les Grecs il y a 2 600 ans.

L'aiguille « Montre-sud » est mentionnée pour la première fois au XIe siècle par Chen Koua et, même s'il y a des attestations de la connaissance de l'aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le...) en Chine dès le IIIe siècle av. J.-C., le problème du magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...) terrestre apparaît beaucoup plus tard. L'utilisation de la boussole (Une boussole est un instrument de navigation constitué d’une aiguille...) dans les techniques de navigation (La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :) daterait du XIIe siècle et son usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) exact reste à préciser du fait d'une navigation essentiellement côtière à cette époque. Les boussoles faisaient usage du champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe –...), qui se trouve être aujourd'hui à peu près aligné avec l'axe de rotation terrestre, raison pour laquelle une boussole, en indiquant le pôle magnétique (Un pôle magnétique est un point de "convergence" des lignes de champ magnétique présentes...), indique aussi (quoique approximativement) la direction du pôle géographique (Un pôle géographique est, en géographie, un point, l'une des deux extrémités de l'axe de...) terrestre.

En Occident (L'Occident, ou monde occidental, est une zone géographique qui désignait initialement...), Pierre de Maricourt fut l'un des premiers à travailler sur le magnétisme et publia son Epistola de magnete à peu près à la même époque que les savants chinois. Au-delà du simple problème des priorités, il serait intéressant de savoir comment certaines techniques ont pu voyager et s'il n'est pas possible que des développements parallèles, et chronologiquement presque concomitants, se soient produits.

Pour les encyclopédistes des Lumières, « le magnétisme est le nom général qu’on donne aux différentes propriétés de l’aimant ». Ils attribuent ses effets à une « matière subtile, différente de l’air » (parce que ces phénomènes ont également lieu dans le vide) qu’ils appellent magnétique. Plus loin ils affirment que « c’est encore une question non moins difficile que de savoir s’il y a quelque rapport entre la cause du magnétisme & celle de l’électricité, car on ne connoît guère mieux l’une que l’autre. »

Jusqu'au début des années 1820, on ne connaissait que le magnétisme des aimants naturels à base de magnétite. Hans Christian Ørsted montra en 1821 qu'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) parcourant un fil influence l'aiguille d'une boussole située à proximité. Il fut cependant incapable d'expliquer ce phénomène à la lumière des connaissances de l'époque. La même année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...), Michael Faraday (Michael Faraday (Newington, 22 septembre 1791 - Hampton Court,...) énonce la loi de Faraday, qui trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le...) un premier lien entre électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) et magnétisme.

En 1822, le premier moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) électrique est inventé : la roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe...) de Barlow.

André-Marie Ampère (André-Marie Ampère, né à Lyon le 20 janvier 1775 et mort à...) proposa peu après une loi phénoménologique, aujourd'hui démontrée dans le cadre général de l'électromagnétisme, appelé théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une...) d'Ampère (Ampère peut désigner :), qui relie le champ magnétique aux courants. Peu après, en 1825, l'électricien (Électricien est le nom donné au métier qu'exercent les hommes de l'art en matière...) William Sturgeon crée le premier électroaimant (Un électro-aimant est un organe électrotechnique produisant un champ électromagnétique...).

En 1873, James Clerk Maxwell unifie le champ magnétique et le champ électrique, au sein de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de l'électromagnétisme. Ce faisant, il découvre une incompatibilité entre les lois de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) classique et les lois de l'électromagnétisme. Ces dernières prédisent que la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...) est indépendante de la vitesse (On distingue :) d'un observateur par rapport à la source qui émet la lumière, hypothèse incompatible avec les lois de la mécanique classique.

En 1873, l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature...) belge Zénobe Gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et...) découvre le premier moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) électrique à courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un...), utilisable à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...).

En 1887, les Américains Albert A. Michelson et Edward Morley vérifient expérimentalement (expérience de Michelson-Morley) les prédictions de Maxwell.

En 1905, Albert Einstein résout le paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un...) découvert par Maxwell en montrant que les lois de la mécanique classique doivent en réalité être remplacées par d'autres lois, celles de la relativité restreinte.

En 1933, Walther Meissner et Robert Ochsenfeld découvrent qu'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) supraconducteur plongé dans un champ magnétique a tendance à expulser celui-ci de son intérieur (effet Meissner).

En 1944, Lars Onsager (Lars Onsager (27  novembre  1903 à Oslo, Norvège - 5  octobre  1976...) propose le premier modèle (dit modèle d'Ising) décrivant le phénomène de ferromagnétisme.

En 1966, le docteur Karl Strnat découvre les premiers aimants samarium-cobalt, d'une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) phénoménale (18 à 30 MGOe).

En 1968 sont découverts les pulsars, cadavres d'étoiles extraordinairement denses, siège des champs magnétiques les plus intenses existant aujourd'hui dans la nature (4×108 teslas pour le pulsar (Un pulsar est le nom donné à une étoile à neutrons, tournant très...) du Crabe (Crabe est un nom vernaculaire ambigu utilisé en français pour désigner de nombreuses...), par exemple).

En 1983, une équipe internationale crée des aimants néodyme-fer-bore, les plus puissants aimants permanents connus à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) (35 MGOe soit environ 1,25 tesla).

En 1998, une équipe russe crée un champ magnétique pulsé par une explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) qui atteint 2 800 T.

Le 12 décembre 1999, une équipe américaine crée un champ magnétique continu d'une intensité de 45 T.

En 2006, des champs magnétiques pulsés ont atteint 100 T sans destruction.

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