Les champs sont tout autour de nous. Que ce soit le champ gravitationnel provoqué par la masse de la Terre ou les champs électriques créés par des particules chargées comme les électrons, il y a des champs invisibles partout, représentant des potentiels et des forces invisibles capables de déplacer des objets avec des caractéristiques appropriées.

Par exemple, un champ électrique dans une zone signifie qu'un objet chargé peut être dévié de son chemin d'origine lorsqu'il pénètre dans la région, et le champ gravitationnel dû à la masse de la Terre vous maintient fermement sur la surface de la Terre à moins que vous ne fassiez un travail pour surmonter son l'influence.

Les champs magnétiques sont la cause des forces magnétiques, et les objets qui exercent des forces magnétiques sur d'autres objets le font en créant un champ magnétique. Les champs magnétiques peuvent être détectés en déviant les aiguilles de la boussole qui s'alignent avec les lignes de champ (le nord magnétique de l'aiguille pointant vers le sud magnétique). Si vous étudiez l'électricité et le magnétisme, en savoir plus sur les champs magnétiques et la force magnétique est une étape cruciale de votre voyage.
Qu'est-ce qu'un champ magnétique?

En physique en général, les champs sont des vecteurs avec des valeurs dans chaque région de l'espace qui vous indiquent la force ou la faiblesse d'un effet à ce point et la direction de l'effet. Par exemple, un objet avec une masse, comme le soleil, crée un champ gravitationnel, et d'autres objets avec une masse entrant dans ce champ sont affectés par une force en conséquence. C'est ainsi que l'attraction gravitationnelle du soleil maintient la Terre en orbite autour d'elle.

Plus loin dans le système solaire, comme à la portée de l'orbite d'Uranus, la même force s'applique, mais la force est beaucoup inférieur. Il est toujours dirigé directement vers le soleil; si vous imaginez une collection de flèches entourant le soleil, toutes pointant vers lui mais avec des longueurs plus longues à des distances rapprochées (force plus forte) et des longueurs plus petites à de longues distances (force plus faible), vous avez essentiellement imaginé le champ gravitationnel dans le système solaire.

De la même manière que cela, les objets chargés créent des champs électriques et les charges en mouvement génèrent des champs magnétiques
qui peuvent donner lieu à une force magnétique dans un objet chargé proche ou d'autres matériaux magnétiques .

Ces champs sont un peu plus compliqués en termes de forme que les champs gravitationnels, car ils ont des lignes de champ magnétique en boucle qui émergent du positif (ou pôle nord) et se terminent au négatif (ou pôle sud) , mais ils remplissent le même rôle de base. Ils sont comme des lignes de force qui vous indiquent comment un objet placé à un endroit se comportera. Vous pouvez clairement le visualiser à l'aide de limaille de fer, qui s'alignera avec le champ magnétique externe.

Les champs magnétiques sont toujours des champs dipolaires, il n'y a donc pas de monopôles magnétiques. Généralement, les champs magnétiques sont représentés par la lettre B
, mais si un champ magnétique traverse un matériau magnétique, celui-ci peut se polariser et générer son propre champ magnétique. Ce deuxième champ contribue au premier champ, et la combinaison des deux est désignée par la lettre H
, où H \u003d B /μ _{m, et μ m \u003d K m μ 0, avec μ 0 \u003d 4π × 10 ^{- 7 H /m (c'est-à-dire la perméabilité magnétique de l'espace libre) et K m étant la perméabilité relative de le matériau en question.}}

La quantité de champ magnétique traversant une zone donnée est appelée flux magnétique. La densité de flux magnétique est liée à l'intensité du champ local. Puisque les champs magnétiques sont toujours dipolaires, le flux magnétique net à travers une surface fermée est de 0. (Toutes les lignes de champ sortant de la surface, y pénètrent nécessairement à nouveau, s'annulant.)
Unités et mesure

L'unité SI de l'intensité du champ magnétique est le tesla (T), où:

1 tesla \u003d 1 T \u003d 1 kg /A s ^{2 \u003d 1 V s /m 2 \u003d 1 N /A m}

Une autre unité largement utilisée pour la force du champ magnétique est le gauss (G), où:

1 gauss \u003d 1 G \u003d 10 ^{- 4 T}

Le tesla est une unité assez grande, donc dans de nombreuses situations pratiques, le gauss est un choix plus utile - par exemple, un aimant de réfrigérateur aura une force d'environ 100 G, tandis que le champ magnétique de la Terre à la surface de la Terre est d'environ 0,5 G.
Causes des champs magnétiques

L'électricité et le magnétisme sont fondamentalement entrelacés parce que les champs magnétiques sont générés par des charges en mouvement (comme les courants électriques) ou des champs électriques changeants, tandis qu'un champ magnétique changeant génère un champ électrique.

Dans un aimant en barre ou un objet magnétique similaire, le champ magnétique résulte de l'alignement de plusieurs «domaines» magnétiques, qui sont à leur tour créés par le mouvement des électrons chargés autour des noyaux de leurs atomes. Ces mouvements produisent de petits champs magnétiques dans un domaine. Dans la plupart des matériaux, les domaines auront un alignement aléatoire et s'annuleront mutuellement, mais dans certains matériaux, les champs magnétiques des domaines voisins s'alignent, ce qui produit un magnétisme à plus grande échelle.

Le champ magnétique terrestre est également généré en déplaçant la charge, mais dans ce cas, c'est le mouvement de la couche fondue entourant le noyau terrestre qui crée le champ magnétique. Ceci est expliqué par la théorie de la dynamo
, qui décrit comment un fluide en rotation, électriquement chargé génère un champ magnétique. Le noyau externe de la Terre contient du fer liquide en mouvement constant, avec des électrons voyageant à travers le liquide et générant le champ magnétique.

Le soleil a également un champ magnétique, et l'explication de son fonctionnement est très similaire. Cependant, les vitesses de rotation variables de différentes parties du soleil (c.-à-d. Le matériau fluide sous différentes latitudes) entraînent l'enchevêtrement des lignes de champ au fil du temps ainsi que de nombreux phénomènes associés au soleil, comme les éruptions solaires et les taches solaires. et le cycle solaire d'environ 11 ans. Le soleil a deux pôles, tout comme un aimant en barre, mais les mouvements du plasma du soleil et l'activité solaire qui augmente progressivement font basculer les pôles magnétiques tous les 11 ans.
Formules des champs magnétiques

Les champs magnétiques en raison de différentes dispositions de déplacement de la charge doivent être dérivées individuellement, mais il existe de nombreuses formules standard que vous pouvez utiliser pour ne pas avoir à «réinventer la roue» à chaque fois. Vous pouvez dériver des formules pour pratiquement n'importe quel arrangement de charge mobile en utilisant la loi de Biot-Savart ou la loi d'Ampère-Maxwell. Cependant, les formules résultantes pour des arrangements simples de courant électrique sont si couramment utilisées et citées que vous pouvez simplement les traiter comme des "formules standard" plutôt que de les dériver de la loi de Biot-Savart ou Ampère-Maxwell à chaque fois.

Le champ magnétique d'un courant linéaire est déterminé à partir de la loi d'Ampère (une forme plus simple de la loi d'Ampère-Maxwell) comme:
B \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 π r}

Où μ
_{0 est tel que défini précédemment, I
est le courant en ampères et r
est la distance du fil sur lequel vous mesurez le champ magnétique.}

Le champ magnétique au centre d'une boucle de courant est donné par:
B \u003d \\ frac {μ_0 I} {2 R}

Où R
est le rayon de la boucle , et les autres symboles sont tels que définis précédemment.

Enfin, le champ magnétique d'un solénoïde est donné par:
B \u003d μ_0 \\ frac {N} {L} I

Où N
est le nombre de tours et L
est la longueur du solénoïde. Le champ magnétique d'un solénoïde est largement concentré au centre de la bobine.
Exemples de calculs

Apprendre à utiliser ces équations (et celles qui leur ressemblent) est la principale chose que vous devrez faire lors du calcul un champ magnétique ou la force magnétique qui en résulte, donc un exemple de chacun vous aidera à résoudre le type de problèmes que vous êtes susceptible de rencontrer.

Pour un long fil droit transportant un courant de 5 ampères (c.-à-d. I \u003d 5 A), quelle est la force du champ magnétique à 0,5 m du fil?

L'utilisation de la première équation avec I \u003d 5 A et r \u003d 0,5 m donne:
\\ begin {aligné} B &\u003d \\ frac {μ_0 I} {2 π r} \\\\ &\u003d \\ frac {4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × 5 \\ text {A}} {2π × 0,5 \\ text { m}} \\\\ &\u003d 2 × 10 ^ {- 6} \\ text {T} \\ end {aligné}

Maintenant pour une boucle de courant portant I \u003d 10 A et avec un rayon de r \u003d 0,2 m, ce qui est le champ magnétique au centre de la boucle? La deuxième équation donne:
\\ begin {aligné} B &\u003d \\ frac {μ_0 I} {2R} \\\\ &\u003d \\ frac {4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × 10 \\ texte {A}} {2 × 0,2 \\ texte {m}} \\\\ &\u003d 3,14 × 10 ^ {- 5} \\ texte {T} \\ end {aligné}

Enfin, pour un solénoïde avec N \u003d 15 tours dans une longueur de L \u003d 0,1 m, transportant un courant de 4 A, quelle est la force du champ magnétique au centre?

La troisième équation donne:
\\ begin {aligné} B &\u003d μ_0 \\ frac {N} {L} I \\\\ &\u003d 4π × 10 ^ {- 7} \\ text {H /m} × \\ frac {15 \\ text {tours}} {0.1 \\ text {m}} × 4 \\ text {A} \\\\ &\u003d 7,54 × 10 ^ {- 4} \\ text {T} \\ end {aligné}

D'autres exemples de calculs de champ magnétique peuvent fonctionner un peu différemment - par exemple, en vous indiquant le champ au centre de un solénoïde et le courant, mais en demandant le rapport N /L - mais tant que vous êtes familier avec les équations, vous n'aurez aucun problème à y répondre.