Par S. Hussain Ather • Mis à jour le 30 août 2022
Les aimants se repoussent parfois les uns les autres et se rapprochent parfois. Comprendre la physique subtile qui régit ce comportement est essentiel pour tout, des moteurs électriques aux appareils d'imagerie médicale.
Comme les charges électriques, les pôles magnétiques sont de deux sortes :nord (N) et sud (S). Un pôle nord attire toujours un pôle sud, tandis que deux pôles nord ou deux pôles sud se repoussent. Cette règle simple est à la base du fonctionnement des boussoles, des roulements magnétiques et de nombreuses applications industrielles.
Lorsque des particules chargées se déplacent, elles génèrent des champs magnétiques qui exercent des forces sur d’autres charges en mouvement. La loi de Biot-Savart quantifie cette interaction :
F = \frac{\mu_0 q_1 q_2}{4\pi |r|^2} \; v_1 \times (v_2 \times r)
Ici, μ₀ =12,57×10⁻⁷H/m est la perméabilité au vide, q₁ et q₂ sont les accusations, v₁ et v₂ leurs vitesses, et r le vecteur de séparation. Le produit vectoriel indique que la force dépend des directions relatives de mouvement et de séparation.
Contrairement aux forces électriques, les forces magnétiques n’agissent que sur des charges en mouvement et jamais sur des monopôles magnétiques statiques, c’est-à-dire des particules qui ne posséderaient qu’un seul pôle magnétique. Aucune preuve expérimentale de tels monopoles n'a encore été trouvée.
Le signe du produit vectoriel détermine si deux charges en mouvement s'attirent ou se repoussent. Si les vecteurs de force résultants se dirigent l’un vers l’autre, les charges s’attirent; s'ils pointent du doigt, les charges repoussent. Le même principe s'applique aux aimants macroscopiques :l'orientation de leurs moments magnétiques détermine s'ils poussent ou tirent.
Le courant dans un fil produit un champ magnétique qui peut être visualisé avec la règle de droite. Pointez votre pouce dans la direction du courant conventionnel ; vos doigts recourbés montrent la direction du champ. Deux fils parallèles transportant des courants dans la même direction s'attirent, tandis que les courants dans des directions opposées se repoussent :un effet exploité dans les électro-aimants et la lévitation magnétique.
La loi de la force de Lorentz étend cette idée aux particules chargées se déplaçant à travers des champs externes :
F = qE + qv \times B
où E est le champ électrique, B le champ magnétique, et v la vitesse de la particule. Le produit vectoriel détermine à nouveau la direction du composant magnétique.
Chaque aimant se comporte comme un minuscule dipôle avec un moment magnétique m . Lorsqu'il est placé dans un champ externe B , il subit un couple :
τ = m \times B = |m||B|\sin\theta
Ce couple aligne le dipôle avec le champ, comme le montre l'aiguille d'une boussole pointant vers le nord géographique. L'énergie potentielle d'un dipôle dans un champ est U = -m\cdot B = -|m||B|\cos\theta , atteignant un minimum lorsque le dipôle s'aligne avec le champ.
Les atomes avec des électrons non appariés (paramagnétiques) sont attirés par les champs magnétiques, tandis que les atomes avec tous les électrons appariés (diamagnétiques) sont repoussés. L'oxygène gazeux (O₂) est paramagnétique, tandis que l'azote gazeux (N₂) est diamagnétique. Le comportement découle de l'interaction des dipôles magnétiques atomiques avec des champs externes.
Lorsqu'un puissant aimant en néodyme est déplacé le long d'un tournevis en acier, le tournevis devient temporairement magnétisé. Le retrait de l'aimant laisse un magnétisme résiduel :une illustration réelle de l'induction magnétique et de la force d'attraction entre les dipôles alignés.
Comprendre ces principes permet aux ingénieurs et aux scientifiques de concevoir des moteurs plus efficaces, des roulements magnétiques sécurisés et des systèmes d'imagerie médicale avancés.