Le magnétisme est une force de la nature générée par le mouvement des charges électriques. Quelques fois, ces déplacements sont minuscules et se produisent à l’intérieur d’une matière nommée "aimants". Les aimants ou les champs magnétiques produits par le mouvement de charges électriques peuvent attirer ou éloigner d’autres aimants et modifier la trajectoire de certaines particules chargées.
La trajectoire du champ magnétique provoqué par un courant électrique peut être trouvée en utilisant la règle de la poignée de la main droite. Le champ magnétique agit autour du courant dans la direction des doigts recourbés. Si l’alignement des électrons non appariés persiste sans l’application d’un champ magnétique externe ou d’un courant électrique, il produit un aimant permanent. Les aimants permanents sont le résultat du ferromagnétisme.
Des morceaux de magnétite peuvent être dispersés sur ou près de la surface de la Terre. Les scientifiques ont alors vite compris qu’ils pouvaient magnétiser une aiguille de fer en le frottant avec une magnétite. Ces frottements provoquent le positionnement de la grande partie des électrons non appariés dans l’aiguille dans une trajectoire. C’est dans ce contexte que des scientifiques chinois ont découvert, vers l’an 1000, qu’un aimant en déplacement dans un bocal d’eau s’alignait toujours dans la direction nord-sud.
Le champ magnétique est donc le produit d’un courant, d’un flux de particules chargées, ou d’un matériau magnétisé. Le pôle d’un aimant, un fil électrique ou une molécule chargée en action dans un champ magnétique sont tous soumis à l’effet de la force magnétique. Découvrez dans ce guide, l’essentiel à savoir sur la notion de champ magnétique. Enfin, le champ magnétique est une des formules les plus utiles.
La loi de Biot Savart définit une formule algébrique qui représente le champ magnétique généré par un courant électrique statique. Elle sert à déterminer l’intensité, la dimension et le champ alentour à un courant électrique. Par ailleurs, la loi de Biot et Savart s’identifie à la loi d’Ampère. En d’autres termes, la loi d’Ampère n’est qu’une déclinaison de la loi de Biot et Savart.
La loi de Biot et Savart joue un rôle fondamental en électromagnétisme. Elle est indispensable pour calculer l’amplitude du champ magnétique détecté aux alentours d’un corps conducteur de courant électrique. Cette loi traduit le rapport qui existe entre la force d’un champ magnétique par la source du courant électrique. Ainsi, on distingue trois éléments caractéristiques d’un champ magnétique en électromagnétisme. Ce sont l’amplitude, la longueur ainsi que les espaces alentour au courant électrique.
On considère une boucle de courant de rayon R avec un courant électrique d’intensité i. Le champ électrique produit à une distance (l) du pivot de la boucle en raison d’un élément (ds), s’obtient avec la formule ci-après : d→B = μ04π i d→s ×^rr2.
Par contre, la loi de Biot et Savart est limitée dans son champ d’application. Elle ne peut s’appliquer à un espace libre. En effet, le calcul des champs magnétiques qui se trouvent à proximité des matériaux ferromagnétiques n’est pas souvent exact. Un grand écart se révèle entre la force mesurée et la force calculée.
La loi d’Ampère sert au calcul des champs magnétiques à partir du rapport entre les courants électriques produits par lesdits champs. Ce principe énonce que pour une boucle fermée, l’addition sur les éléments qui composent le champ magnétique est égale au courant électrique multiplié par la perméabilité du vide.
La loi d’Ampère propose une technique efficace pour le calcul du champ magnétique créé par une répartition de courant. En conséquence, la loi de Biot et Savart est dérivable à partir de la loi d’Ampère et inversement. Toutefois, dans des conditions symétriques données, la loi d’Ampère se révèle la meilleure. En électromagnétisme, le champ magnétique a une unité universellement reconnue dans le Système international d’unités.
Dans le Système international d’unités, l’unité de mesure du champ magnétique est le Tesla (T). Une Tesla désigne le champ que produit une force équivalente à 1 Newton (N) sur une charge électrique de valeur 1 Coulomb. Cette force se déplace dans l’espace et est orthogonale à la direction des lignes du champ magnétique. Elle se déplace à une vitesse de 1 m/s. En revanche, Tesla étant une unité très grande, le champ magnétique se mesure quelques fois en Gauss (G) avec 10 000 G qui équivaut à 1 T. Le champ électromagnétique rassemble les champs magnétiques et électrostatiques. Les deux, quoique similaires, présentent des points de dissemblances.
Les études sur cette invention faite par le mathématicien et physicien français Pierre de Maricourt ont évolué dans le temps. Le concept de champ magnétique a vu le jour en 1269 et ce n’est qu’en 1865 que Maxwell énonce les premières théories sur l’électromagnétisme. Le champ magnétique est une donnée utilisée en physique, notamment en électromagnétisme. Il désigne un périmètre alentour à un courant électrique ou un champ électrique dans lequel s’observe une force magnétique. Le champ magnétique est un champ vectoriel généré par des particules électriques mouvante et des moments magnétiques exclusifs.
Un champ magnétique est capable de déclencher plusieurs réactions en fonction des éléments en présence. Généralement, il provoque trois types d'effets, à savoir : le ferromagnétisme, le paramagnétisme et le diamagnétisme. Le champ magnétique se symbolise par les lettres alphabétiques B ou H. Il se mesure en Tesla T, et son unité de base est Newton par seconde. En outre, le champ magnétique existe en différents types et s’illustre également de différentes manières.
On distingue 2 types de champs magnétiques à savoir : le champ magnétique variable et le champ magnétique constant. Le premier est susceptible de générer des bouleversements dans les corps conducteurs de courant électrique comme l’homme. Le second quant à lui ne provoque aucune perturbation. Un champ magnétique s’illustre soit par un vecteur de champ magnétique, soit par une ligne de champ magnétique.
Les premières études sur le champ électrostatique ont été l’œuvre du physicien et chimiste d’origine britannique Michael Faraday. Le champ électrostatique se définit comme un champ imperceptible qui se crée autour d’une particule qui comporte des charges électriques. C’est un espace dans lequel se produisent des phénomènes électriques.
Le champ électrostatique ne doit pas être confondu avec le champ électrique. Certes, les deux désignent presque la même chose, mais à une nuance près. On parle de champ électrostatique en présence d’un champ électrique composé de charges électriques inertes. Le champ électrostatique se crée par des particules qui comportent des charges électriques immobiles. La force de l’interaction entre ces particules se calcule en suivant la loi de Coulomb.
Le champ électrostatique se caractérise par une force électrostatique qu’il exerce dans un espace. Cette force électrostatique est le quotient du champ électrique par la charge en présence. Le champ électrostatique se symbolise par la lettre alphabétique E. Il constitue une grandeur vectorielle et se mesure en Newton par Coulomb. On distingue trois types de champs électrostatiques. Le champ électrostatique généré par des charges ponctuelles, le champ électrostatique créé par une répartition modérée de charges ponctuelles et le champ électrostatique créé par une répartition continue de charges ponctuelles.
Avant d’évoquer ce que l’électromagnétisme et l’électrostatique ont de différent, c’est important de faire le point sur leurs similitudes. Le champ magnétique et le champ électrostatique sont tous deux des forces qui conservent de l’énergie. Ils sont des forces attractives et répulsives soumises à la loi du carré inverse.
En revanche, on note 2 points fondamentaux de dissemblances entre le champ magnétique et le champ électrostatique. Le premier critère tient à la façon dont les deux champs peuvent être générés. Le champ magnétique peut se créer soit par un courant électrique, soit par une variation du champ électrique, alors que le champ électrostatique émane uniquement des charges électriques. Le second critère de distinction est relatif à leur fonctionnement. On note que le champ électrostatique ne subit aucune variation dans le temps tandis que le champ magnétique est dynamique. On distingue différentes méthodes de calcul du champ magnétique. Cependant, on utilise généralement une formule par défaut.
Le passage du courant électrique dans un fil crée un champ magnétique autour de lui. De plus, ce champ magnétique généré forme des cercles coaxiaux aux alentours du fil. Le sens que prend le champ magnétique est fonction du sens du courant qui le traverse.
Ainsi, le champ magnétique peut s’identifier à base de la « règle de la main droite ». Cette règle stipule que : le champ magnétique dans un espace donné peut se déterminer en dirigeant le pouce de la main droite dans le sens du courant.
Ainsi, la formule du champ magnétique comporte la constante tμ0. Cette constante est encore appelée perméabilité de l’espace libre et a une valeur μ 0 = 4π×10−7 (T⋅m/A). Quand on parle de champ magnétique, on fait référence à un vaste système qui prend en compte plusieurs éléments. Ainsi, les champs magnétiques peuvent se classer en différentes variantes.
On distingue trois variantes du champ magnétique, à savoir le champ magnétique naturel, le champ magnétique statique et le champ électromagnétique à très basse fréquence. Chacun d’eux se manifeste dans une sphère précise et apporte ses lots d’avantages et d’inconvénients.
L’homme est continuellement sous l’effet de nombreux champs électromagnétiques naturels. Parmi ces champs, certains sont indispensables à l’existence humaine tandis que d’autres ne le sont pas. Par exemple, la lumière du soleil est une émission électromagnétique naturelle comparable aux ondes radio. Le champ magnétique naturel est identifiable au champ magnétique terrestre.
Le champ magnétique terrestre est assimilable au champ magnétique d’un gigantesque aimant à barres. En effet, la terre se compose de deux pôles magnétiques : un pôle Nord et un pôle Sud qui ressemblent à des barres d’aimant. De même, la terre dispose de deux pôles géographiques qui sont les points de la surface de la Terre où la ligne de l’axe de rotation de la Terre rencontre la surface. En matière de champ magnétique terrestre, une notion fondamentale suscite l’intérêt : la boussole magnétique.
Une boussole magnétique est une pièce très critique de l’équipement de navigation maritime. Il dispose d’une aiguille magnétisée qui se suspend librement. Il pointe vers le Nord en raison des forces causées par le champ magnétique terrestre. Après avoir connu le Nord, les autres directions sont aisément trouvables.
La boussole magnétique fonctionne parce que la Terre ressemble à un gigantesque aimant entouré d’un vaste champ magnétique. La Terre a deux pôles magnétiques près des pôles Nord et Sud. Ce champ magnétique de la Terre fait basculer facilement une aiguille magnétisée de fer ou d’acier dans une position nord-sud.
La boussole fonctionne simplement en utilisant le magnétisme de la Terre afin de trouver des directions. Depuis l’invention de la boussole, les gens ont la capacité de naviguer sur de longues distances à travers la mer. Une boussole pointe vers le Nord parce que tous les aimants ont deux faces qui constituent respectivement les pôles nord et sud.
Le pôle Nord d’un aimant est attiré vers le pôle Sud d’un autre aimant. Ainsi, l’extrémité nord d’un aimant de boussole est conçue pour s’aligner sur le champ magnétique de la Terre. Puisque le pôle Nord magnétique de la Terre attire les extrémités « nord » d’autres aimants, il est donc techniquement le « pôle Sud » du champ magnétique de notre planète.
Le champ magnétique statique présente des spécificités et se manifeste dans des domaines précis. De même, il influe sur la vie de l’homme aussi bien positivement que négativement.
Les champs magnétiques statiques sont des champs immuables, dont l’intensité ou la direction ne varient pas au fil du temps. Ils diffèrent des autres champs oscillants à basse et haute fréquence. En conséquence, les champs électromagnétiques statiques ont une fréquence de 0 Hz. Ils exercent une force d’attraction sur les objets métalliques fabriqués à base du fer ou du cobalt par exemple. Le fonctionnement de la boussole est dû à une force qu’exerce le champ géomagnétique de la terre. Les champs magnétiques qui se créent du fait de certains types d’équipements industriels et médicaux, tels que les appareils d’imagerie par résonance médicale (IRM) ont un flux assez élevé.
Les champs statiques magnétiques influencent les systèmes biologiques de différentes manières. Les champs magnétiques exercent des forces physiques aussi bien sur les objets métalliques que sur les charges électriques en mouvement. Quant au fonctionnement biologique, l’exposition à des champs magnétiques statiques risque d’affecter les particules et les cellules. La force magnétique est capable d’accentuer ou de baisser le déplacement des particules sensibles. Un autre mécanisme consiste à utiliser des interactions électroniques complexes qui peuvent affecter le taux de réactions chimiques spécifiques.
En revanche, les effets d’une exposition au champ magnétique statique s'avèrent perceptibles dans deux cas. D’une part, ces effets s’observent lorsque les sujets sont exposés à de forts champs magnétiques tels que ceux engendrés par l’équipement d’IRM. Et d’autre part, lorsqu’ils travaillent en permanence dans des unités où des appareils fortement magnétisés sont présents. Les champs de 2-3 T ou plus peuvent entraîner des sensations transitoires telles que des nausées et des vertiges. Ceux-ci proviennent de la génération de petits courants électriques dans l’organe d’équilibre de l’oreille. Les courants envoient des signaux au cerveau qui fournissent différentes données de celles obtenues par la vision, ce qui occasionne ces sensations. Par contre, les effets ressentis ne sont pas nuisibles à la santé en soi, bien qu’ils puissent être embarrassants et nuire au fonctionnement normal. Mais les preuves relatives aux effets indésirables d’une exposition à des champs magnétiques statiques ne sont pas établies.
Les champs magnétiques à très basses fréquences sont particulièrement dangereux. De plus, ils sont très présents dans l’environnement immédiat de l’homme.
Les champs électromagnétiques à très basse fréquence (ELF) occupent la partie inférieure du spectre électromagnétique dans la gamme de fréquences 0-3000 Hz. Ils résultent de particules chargées électriquement. Les sources artificielles sont les sources dominantes des champs électromagnétiques à très basse fréquence. Ces champs sont souvent associés à la production, à la distribution et à l’utilisation d’électricité. Le champ électrique est généré par la tension alors que le champ magnétique est créé par le courant.
La mesure du champ électromagnétique ELF se fait dans le but de caractériser les émissions qui proviennent des sources et l’exposition de personnes ou de sujets expérimentaux. La force du champ électrique est calculée en unités de volts par mètre (V/m). La force du champ magnétique est calculée en unités d’ampères par mètre (A/m). Cependant, elle s’exprime pour la plupart du temps en termes de densité de flux magnétique.
Le champ électromagnétique à très basse fréquence provient des sources naturelles et artificielles. L’utilisation généralisée de l’électricité fait que les gens sont exposés aux champs électromagnétiques ELF. Qu’ils soient à la maison, dans l’environnement et sur le lieu de travail. L’exposition résidentielle aux champs électromagnétiques à très basse fréquence dépend de nombreux facteurs. Les principaux facteurs sont : la distance de la maison par rapport aux lignes électriques locales, le nombre et le type d’appareils électriques utilisés dans la maison, ainsi que la configuration et la position du câblage électrique domestique.
Par contre, l’exposition sur le lieu de travail est variable. Dans l’industrie de l’alimentation électrique, les travailleurs peuvent être dangereusement exposés. Ils peuvent subir des champs magnétiques avoisinants 2 000 μT et des champs électriques qui vont jusqu’à 30 kV/m. Mais les employés de bureau sont souvent exposés à des champs de niveau beaucoup plus bas. En effet, ils n’utilisent généralement que des équipements tels que des ordinateurs et des photocopieuses, très peu magnétisés. Toutefois, les travailleurs de certaines professions non électriques peuvent également être exposés à des champs électromagnétiques ELF.
L’exposition continue à des niveaux élevés de champs électromagnétiques à très basse fréquence peut affecter le fonctionnement du système nerveux. Par contre, cette exposition est extrêmement rare, sauf les cas d’expositions médicales de patients ou de certains professionnels.
Aucune preuve n’est encore établie sur les effets à long terme d’une exposition au champ électromagnétique à très basse fréquence. Des investigations en épidémiologie indiquent un rapport entre le contact prolongé à des champs magnétiques ELF plus élevés que la normale à des taux accrus de leucémie infantile. Par ailleurs, quelles que soient les variantes du champ magnétique, ils sont mesurables à base de l’induction magnétique.
L’induction magnétique ou flux magnétique est une taille physique vectorielle qui décrit le champ magnétique. Il détermine la force de Lorentz par laquelle le champ magnétique agit sur une particule chargée électriquement en mouvement.
L’induction magnétique est un produit de la perméabilité magnétique de l’agent μ et de la force du champ magnétique H. La formule du champ magnétique donne ainsi B = μ H. Dans un champ magnétique homogène, l’induction magnétique est la même en chaque point de l’espace et les forces du champ magnétique sont parallèles.
Lorsqu’une surface plane croise verticalement la direction des forces magnétiques parallèles, alors l’induction magnétique est égale à la quantité de flux magnétiques de Φ et à la surface de la surface plane S : B = Φ/S. L’unité de mesure d’une induction magnétique est tesla (T = Wb/m²). De même qu’on mesure l’induction magnétique, l’intensité du champ magnétique peut se calculer également.
L’intensité du champ magnétique désigne la relation entre la force magnétomotrice (MMF) indispensable à la création d’une densité de flux dans un certain matériau par unité de longueur du matériau. Le flux magnétique est la somme des lignes de champs magnétiques qui s’introduisent dans un espace donné. Ainsi, la densité du flux magnétique tend à baisser au fur et à mesure que l’espace de la ligne qui relie le binôme de pôles magnétiques à proximité desquels se situe le champ magnétique est constant.
L’intensité du champ magnétique constitue aussi une donnée quantitative qui sert d’instrument de mesure de l’intensité du champ magnétique. Elle sert à mesurer les forces et faiblesses d’un champ magnétique. Elle se mesure en ampère par mètre A/m et se symbolise par la lettre alphabétique H.
En somme, on retient que le champ magnétique fait partie de l’environnement de l’homme. C’est un phénomène physique invisible à l’œil nu qui se produit dans l’environnement. Les études sur l’électromagnétisme ont connu de grandes avancées dans le temps. Il faut donc retenir que l’électromagnétisme est une discipline très vaste et évolutive. Il regroupe deux disciplines distinctes, mais complémentaires, à savoir l’électrostatique et le magnétisme. L’électrostatique fait référence à des charges de particules immuables dans un espace donné alors qu’en magnétisme, les particules sont dynamiques et varient dans le temps. La densité de celles-ci s’évalue suivant une formule bien définie.
La discipline de l’électromagnétisme obéit à des règles et principes donnés. C’est dans ce sens que plusieurs lois énoncées au fil des années se révèlent applicables à ce domaine. La loi la plus connue est celle de Biot et Savart qui permet d'obtenir certaines données indispensables au calcul du champ magnétique. Dans un champ magnétique s’observe un flux magnétique lorsque les charges se déplacent. On distingue également plusieurs variantes du champ magnétique. Les principaux sont le champ magnétique naturel, le champ magnétique statique et le champ électromagnétique à très basse fréquence.