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Le champ magnétique d'un aimant

Lignes de champ, boussoles et le bouclier magnétique de la Terre

§1.L'aimant : un dipôle magnétique

Un aimant possède toujours deux pôles : Nord (N) et Sud (S). Les pôles contraires s'attirent, les pôles identiques se repoussent - tout comme les charges électriques. Mais à la différence de l'électricité, il est impossible d'isoler un seul pôle magnétique (un monopôle). Si tu casses un aimant en deux, tu obtiens deux aimants complets, chacun avec son N et son S.

Le champ magnétique B est le champ de force qui décrit l'influence de l'aimant sur son environnement. En chaque point de l'espace, il possède une direction (une flèche) et une intensité (un module). Une boussole - ou n'importe quelle petite aiguille magnétisée - s'oriente dans la direction de B en ce point.

§2.Lignes de champ magnétique

Définition: Les lignes de champ sont des courbes tangentes en chaque point au vecteur B. Elles permettent de visualiser le champ magnétique sans dessiner des milliers de vecteurs.; Exemple. La limaille de fer s'aligne naturellement le long des lignes de champ - c'est une façon expérimentale de les visualiser.
Sens et direction: À l'extérieur de l'aimant, les lignes de champ partent du pôle Nord et arrivent au pôle Sud. À l'intérieur, elles vont de S vers N (le champ est continu, les lignes sont des courbes fermées).; Exemple. Une boussole placée entre N et S pointe vers S (elle suit la ligne de champ de N vers S).
Densité des lignes = intensité du champ: Plus les lignes sont serrées, plus le champ est intense. Les pôles, où les lignes convergent ou divergent, ont le champ le plus fort. Loin de l'aimant, les lignes s'écartent et le champ est faible.; Exemple. Un aimant attire fortement le métal quand on l'approche d'un pôle (lignes denses), faiblement sur le côté (lignes espacées).
Les lignes ne se croisent jamais: En un point donné, le champ B a une direction unique. Deux lignes qui se croisent impliqueraient deux directions différentes au même point - impossible.; Exemple. Propriété fondamentale : on peut donc toujours construire une carte non ambiguë du champ en dessinant des lignes sans croisements.

§3.Champ d'un dipôle magnétique (modèle de l'aimant droit)

Le champ magnétique d'un dipôle décroît en 1/r³ (beaucoup plus vite que le champ électrique d'une charge, en 1/r²).

Variables

Intensité du champ magnétique- T (tesla)
Perméabilité magnétique du vide- 4π×10⁻⁷ T·m/A
Moment magnétique de l'aimant- A·m²
Distance au centre du dipôle- m

-Doubler la distance → le champ est divisé par 8 (= 2³). Le champ d'un aimant chute très vite avec la distance.
-Tripler la distance → le champ est divisé par 27. C'est pour ça qu'un aimant n'attire le métal qu'à courte portée.
-L'unité Tesla est grande : un IRM médical atteint 1,5–3 T. Le champ magnétique terrestre à Dakar vaut ~30 000 nT = 0,00003 T.

§4.La Terre, un gigantesque aimant

Origine du champ terrestre: Le noyau externe de la Terre est composé de fer liquide en convection. Ces courants de métal conducteur génèrent un champ magnétique par effet dynamo - exactement comme un électro-aimant.; Exemple. Le champ terrestre varie et se déplace lentement. Il y a ~780 000 ans, les pôles magnétiques se sont inversés (N ↔ S). Cela s'est produit des centaines de fois dans l'histoire de la Terre.
Pourquoi la boussole pointe au Nord: Le pôle Nord géographique de la Terre est en réalité un pôle SUD magnétique (les pôles opposés s'attirent). L'aiguille nord de la boussole est attirée vers ce pôle sud magnétique, situé près du nord géographique.; Exemple. Ce n'est pas tout à fait le nord géographique : la déclinaison magnétique à Dakar est d'environ -5° (l'aiguille pointe légèrement à l'ouest du nord géographique).
Bouclier magnétique - la magnétosphère: Le champ terrestre dévie les particules chargées du vent solaire (protons, électrons). Sans ce bouclier, l'atmosphère serait progressivement soufflée comme sur Mars (qui a perdu son champ magnétique il y a 4 milliards d'années).; Exemple. Mars n'a plus de champ magnétique → son atmosphère est 100× plus mince que la Terre → pas d'eau liquide en surface. La magnétosphère protège la vie sur Terre.
Aurores boréales et australes: Aux pôles, le champ terrestre est presque vertical. Les particules solaires peuvent y pénétrer et exciter les atomes d'oxygène et d'azote à haute altitude. Ceux-ci émettent de la lumière verte (O) et rose/rouge (N, O) - les aurores.; Exemple. Aurores boréales en Laponie, Islande, Alaska. Aurores australes en Antarctique, Tasmanie. Leur intensité augmente lors des tempêtes solaires (éjections de masse coronale).

À retenir

Un aimant est un dipôle magnétique (N+S inséparables). Impossible d'isoler un seul pôle.
Les lignes de champ sortent du N et entrent par le S (à l'extérieur). Elles ne se croisent jamais.
Densité des lignes = intensité du champ B. Champ d'un dipôle ∝ 1/r³ (décroît très vite).
La Terre est un dipôle magnétique (noyau de fer en convection). Pôle nord géo ≈ pôle sud magnétique.
La magnétosphère protège l'atmosphère du vent solaire. Sans elle, la Terre ressemblerait à Mars.
Une boussole s'oriente dans la direction du vecteur B en chaque point de l'espace.