La présence du champ est traduite par l’existence d’une force agissant sur les charges électriques en mouvement. On appelle cette force Force de Lorentz. Elle agit sur les protons et électrons.
Ici, nous voyons que les particules chargés négativement sont déviées vers le haut, les particules chargées positivement sont déviées vers le bas, et les particules non-chargées (neutrons) ne sont pas déviées. Prenons l’exemple de l’atome d’hydrogène H. Il a 1 proton, 1 électron et 0 neutron. Son électron sera dévié vers le haut, tandis que son proton sera dévié vers le bas.
La grandeur qui détermine l'interaction entre un matériau et un champ magnétique est la susceptibilité magnétique. Pour expliquer simplement, nous pouvons utiliser l’exemple d’un ciseau et d’un morceau de cuir. Si l’on approche un aimant d’un ciseau (en fer) nous verrons une attraction entre les ciseaux et l’aimant. En revanche, quand nous approchons le cuir de l’aimant, rien ne se passe. La susceptibilité d’un matériau dépend de la nature du matériau est donc son "attraction à un aimant". On la note ?. Cette grandeur n’a pas d’unité. Elle varie selon les matériaux.
Pour décrire un champ magnétique en un point M dans l’espace, on utilise un vecteur champ magnétique dont les caractéristiques sont :
Nous voyons à travers les caractéristiques d’un champ magnétique, que ce dernier est lié aux aimants.
Tout barreau aimanté s'oriente naturellement dans la direction nord-sud suivant les lignes du champ magnétique terrestre, pour peu qu'on lui laisse un axe de rotation libre de toutes contraintes. Cette propriété est utilisée dans la fabrication des boussoles.
Un matériau plongé dans un champ magnétique peut générer une densité de dipôles magnétiques pour que celles-ci créent un champ magnétique à leur tour, qui soit mesurable. On appelle ce phénomène, l’aimantation.
Un matériau ferromagnétique possède une aimantation spontanée, c’est-à-dire qu’elle ne nécessite pas un champ extérieur pour exister. Cependant, dans ce cas-ci, on appelle champ magnétique la somme du champ crée par le matériau ferromagnétique et du champ extérieur (comme dans l’expérience d’Oersted). On est parfois amené à différencier le champ initial (noté H) du champ total (noté B).
Les lignes de champ magnétiques mentionnées au-dessus sont matérialisées par la juxtaposition des grains de limaille de fer (voir expérience ci-dessous). La représentation dans un plan d’un ensemble de lignes de champ magnétique est appelé spectre magnétique.
Expérience lignes du champ magnétique.
Prenons un aimant. On le place loin de tout corps magnétique. On laisse tomber de la poudre ferromagnétique autour de cet aimant (à une distance de quelques centimètres). Nous remarquons alors que l’orientation de cette poudre révèle des lignes. Ces lignes sont celles du champ magnétique.
NB : Dans cette expérience, des aiguilles aimantés ont été utilisés et non de la poudre, mais le résultat est le même.
Nous pouvons donc observer le spectre magnétique de l’aimant matérialisé par les aiguilles aimantées.
Le champ magnétique forme avec le champ électrique (objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer l’influence exercée à distance par des particules chargées électriquement) les deux composantes du champ électromagnétique décrit par l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ électromagnétique : le champ électromagnétique est produit par les sources du champ que sont les charges et leurs mouvements. Ce champ produit agit à son tour sur les charges).
Les champs magnétiques sont issus du courant électrique. Un électron autour d’un noyau crée un courant électrique générant un faible mais existant champ magnétique et se comporte comme un dipôle magnétique. En effet, La rotation de l'électron sur lui-même, Spin, provoque un moment magnétique Ms. La rotation de l'électron e-, charge électrique négative, autour du noyau provoque un moment magnétique Mo . Un moment magnétique est une grandeur vectorielle qui permet de mesurer l'intensité d'une source magnétique. Cela donne lieu à 3 types de phénomènes, en fonction du matériau (et donc, des propriétés de ce matériau) :
Un courant électrique crée un champ magnétique dont l’intensité augmente avec celle du courant électrique. Oersted montra cela.
Expérience d’Oersted (liant électricité et magnétisme)
On place un fil de cuivre rectiligne au dessus d’une boussole. On fait circuler un courant continu dans la boussole. L’aiguille change de position. La direction sud nord est maintenant orientée vers la droite. Il se crée un champ magnétique dans le fil. L’aiguille s’oriente selon la direction du champ magnétique : le champ magnétique résultant. Ce champ magnétique est égal à la somme vectorielle du champ magnétique terrestre (parallèle au fil) avec le champ magnétique crée dans le fil.
(I représente l’intensité, donc la présence ou absence de courant)
Unité utilisée pour exprimer un champ magnétique :
Maintenant que l’on sait ce qu’est un champ magnétique, intéressons-nous maintenant au champ magnétique terrestre.
Comment fonctionne le champ magnétique terrestre ? Le champ magnétique de la Terre est comparable à celui produit par un aimant droit dipôle. Cependant, aucun champ magnétique ne peut résister à une température aussi intense : c.f. température de Curie. Donc nous pouvons nous poser la question suivante :
De plus, on sait qu’un champ magnétique décroit au cours du temps. Donc, en regardant l’intensité du champ magnétique terrestre aujourd’hui, on remarquera sa forte intensité et on comprendra qu’il est régénéré au cours du temps. Une deuxième question se pose alors :
La séismologie nous apprend que le noyau externe de la Terre est constitué de fer en fusion et réagit comme un liquide; il est conducteur d'électricité. Comme la dynamo, quand le noyau externe est plongé dans un champ magnétique, en l'occurrence le champ magnétique interplanétaire, des courants électriques prennent naissance accompagnés d'un champ magnétique. Mais en raison de leur résistance ohmique, ces courants décroissent rapidement et ont une durée de vie relativement brève. Il existe donc un mécanisme de régénération des courants électriques qui maintient l'activité du champ magnétique terrestre.
C'est ici qu'intervient la dynamo auto-excitée : l'idée de Larmor est de supprimer l'aimant permanent du modèle théorique et de le remplacer par des spires électriques. Un solénoïde parcouru par un courant générant un champ magnétique, on suppose que plusieurs milliers de kilomètres sous terre il existe de faibles courants électriques (ceux notamment induits par le champ magnétique interplanétaire et le vent solaire) qui remontent en spirale vers la surface suite à la rotation de la Terre. Ils génèrent autant de petits champs magnétiques qui produisent à leur tour du courant; le système dynamo est ainsi auto-excité. Les intensités de faibles courants s'accumulant, elles donnent finalement naissance au champ magnétique terrestre.
Donc le facteur permettant d’expliquer la régénération du champ magnétique terrestre est le champ magnétique terrestre lui-même.
Maintenant, intéressons-nous à l’existence du champ magnétique. Les mouvements de convection permettent de se débarrasser de cette chaleur. En effet, ce procédé est le même que les cellules de convection du vent : le vent chaud vient de la mer vers la terre (par exemple), puis du vent froid circule de la terre vers la mer, créant ainsi une cellule de convection. Sur ce schéma, nous voyons que chaque groupe de flèches représente une cellule de convection. Ces cellules sont présentes tout autour de la Terre.
En conclusion, nous pouvons affirmer que le champ magnétique est traduit par l’existence d’une force agissant sur les particules ; que le champ magnétique utilise le principe des aimants ; qu’il existe des lignes définies pour chaque corps magnétique : les lignes de champ magnétique ; et finalement que le champ magnétique est lié fortement à l’électricité.
Nous pouvons également affirmer que le champ magnétique terrestre peut-être modélisé comme une dynamo auto-excité. En effet, en 2007, des chercheurs français ont démontré que l’idée de la dynamo auto-excité était juste : le champ magnétique terrestre est provoquée les mouvements turbulents de liquides conducteurs à l’intérieur de la Terre. (Cette réussite revient au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), à l’Ecole Normale Supérieur (ENS) de Paris, à l’ENS de Lyon et au Commissariat à l’Energie Atomique (CEA). Ils l’ont prouvé en créant un champ magnétique dans un écoulement très turbulent de sodium liquide.
