Intensité de champ magnétique - Définition

Introduction

L'unité de l'intensité d'un champ magnétique dans le système international est le tesla (T). On utilise parfois le gauss (G), sachant que :

Ordre de grandeurs d'intensité de champs magnétiques

• Source = cerveau humain ; champ mesuré à la surface du crâne :

• Champ typique dans le vide interstellaire, mesuré par une sonde spatiale :

• Source = Terre ; champ mesuré à la surface:

• Source = fil rectiligne infini parcouru par un courant de I = 10 A ; champ mesuré à une distance r = 2 cm du fil :

• Source = aimant permanent ; champ mesuré à quelques cm :

• Source = électro-aimant à bobinage ; champ mesuré à l'intérieur :

• Source = magnétar, un type d'étoile à neutrons :

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Champs magnétiques intenses

Fabrication

La fabrication de champ magnétiques intenses (supérieurs à 1 T) nécessite l'emploi d'un électro-aimant constitué d'un bobinage de fil conducteur appelé solénoïde parcouru par un courant électrique.

Problèmes rencontrés

Le dispositif de l'électro-aimant est sujet à deux limitations :

• L'effet Joule, qui tend à faire fondre les fils du bobinage lorsque l'énergie à dissiper sous forme de chaleur devient trop grande pour le matériau.

• La « pression magnétique », action mécanique sur le bobinage résultante des forces de Lorentz sur les fils. Cette pression magnétique radiale est dirigée vers l'extérieur de la bobine et tend à faire éclater celle-ci.

Solutions techniques

• Pour contrer l'effet Joule, deux possibilités sont utilisées :
  • l'utilisation d'un matériau supraconducteur sous sa température critique. Cette possibilité est limitée, car il existe un champ magnétique critique au-dessus duquel la supraconductivité du matériau disparait.
  • le refroidissement liquide du bobinage pour évacuer l'excédent d'énergie Joule. Un débit typique de 300 litres d'eau par seconde permet d'atteindre une trentaine de teslas...

• Pour contrer la pression magnétique, il faut utiliser un conducteur plus solide que le cuivre et construire des renforts mécaniques extérieurs au bobinage.

Ordre de grandeurs

Champs statiques

• Source = électro-aimant de Faraday (1840) :

• Source = électro-aimant de 50 tonnes installé au laboratoire Bellevue (début du XX^e siècle), consommant une puissance de 100 kW  :

• Source = électro-aimant à bobinage supraconducteur (début du XXI^e siècle) :

• Source = électro-aimant à refroidissement liquide (début du XXI^e siècle) :

• Source = électro-aimant hybride (supraconducteur + refroidissement liquide - début du XXI^e siècle) consommant une puissance de 20 MW :

Il n'est guère possible de faire mieux actuellement. Pour aller plus haut, on utilise un courant transitoire, qui ne circule que pendant une brève durée, de façon à laisser le bobinage refroidir ensuite. On fabrique ainsi des champs dit pulsés.

Champs pulsés sans destruction de la source

• Source = électro-aimant monolithique renforcé (début du XXI^e siècle) :

• Source = bobines gigognes (début du XXI^e siècle) :

Champs pulsés avec destruction de la source

• Source = bobine monospire (début du XXI^e siècle) :

• Source = générateur à compression de flux électromagnétique : striction axiale par forces électromagnétiques (début du XXI^e siècle) :

• Source = générateur magnéto-cumulatif : électro-aimant + confinement magnétique des lignes de champ par explosif (milieu du XX^e siècle) :