Faraday : une nouvelle vision du champ magnétique

De la magnétostatique à la magnétodynamique

Un courant est stationnaire si son intensité ne varie pas avec le temps. Si le courant qui génère un champ magnétique est stationnaire, alors le champ magnétique qu’il génère est statique (ses lignes de force ne bougent pas).

Un champ magnétique statique ne génère pas de courant : un aimant posé à côté d'une bobine ne fait pas passer de courant dans la bobine. Mais qu’est-ce qui se passe dans le cas d’un champ magnétique qui varie avec le temps  ?

La découverte de l'induction magnétique

Pour répondre à cette question, Michael Faraday fit une expérience dans laquelle le fil électrique marqué a dans la Fig. 1 était enroulé autour d’un côté d'un anneau de cuivre. Lorsque les extrémités du fil étaient connectées aux pôles d’une pile, le courant qui passait dans la bobine générait un champs magnétique B dans l’anneau. Les cercles rouges en Fig. 1 montrent ses lignes de forces.

Après avoir coupé le courant, il enroula un deuxième fil électrique marqué b autour de l’autre côté de l’anneau et il relia ces extrémités à un galvanomètre c, un instrument qui mesure l’intensité du courant qui passe dans le circuit. Chaque fois qu’il connectait ou qu'il déconnectait les extrémité du fil a à la pile, le galvanomètre détectait le passage d’un courant transitoire dans le fil b. La variation soudaine du champs magnétique à l’intérieur de la bobine b, fusse-t-elle sous forme d'apparition ou de disparition, générait une force électrique (la force électromotrice) qui mettait les charges en mouvement et donc causait le passage d’un courant dans la circuit b.

On pourrait imaginer que c’est le cuivre qui transporte la force électromagnétique et que, sans l’anneau de cuivre, le courant dans le circuit a n’aurait aucun impact sur ce qui se passe dans le circuit b. Une autre expérience, toujours par Faraday, dément cette hypothèse. Dans la deuxième expérience (Fig. 2), les bobines était enroulées sur des cylindres creux. Les circuits a et b étaient complètement déconnectés. Pourtant, le résultat ne changeait pas. Chaque fois que Faraday fermait ou ouvrait le circuit a, le galvanomètre mesurait un courant transitoire dans le circuit b.

Faraday fit aussi l’expérience de rapprocher et éloigner la bobine a de la bobine b lorsque les extrémités du fil a étaient connectées à la pile et un courant stationnaire circulait dans le circuit. Quand la bobine a était plus proche, le champs magnétique à l’intérieur de la bobine b était plus intense. Quand elle était plus lointaine, il devenait plus faible. Les variations du champ magnétique était détectées par des mouvements soudains de l’aiguille du galvanomètre.

Le champ magnétique comme entité physique

Faraday refusait la notion d’une action à distance d’un circuit sur l'autre. En même temps, c’était évident que ce n’était pas le cuivre qui transportait la force, parce que le phénomène se produisait aussi bien dans l’air, qui a des propriétés électriques complètement différentes de celles du cuivre. L'explication de Faraday était que l’interaction se passait à travers la médiation du champ magnétique lui même, que Faraday voyait comme une entité physique et non pas comme un simple concept mathématique pour décrire une force dont l’intensité dépend de la position.

Le courant qui s’instaure dans la bobine connectée à la batterie génère un champ magnétique, qui monte en intensité et se propage dans l'espace jusqu'à l’intérieur de l’autre bobine, avec l’effet d’y induire un courant (voici pourquoi on appelle ce phénomène induction électromagnétique). Quand le champ magnétique généré par le courant dans la bobine b atteint sa valeur finale, il devient statique. A ce point-là, l'« onde d’électricité » disparaît comme une vague de tsunami après son passage dévastateur et le courant dans le circuit de la batterie cesse d'avoir aucun effet sur le circuit du galvanomètre.

L’explication proposée par Faraday fut reçue avec scepticisme par ses contemporains. Non seulement la notion de lignes de force y était introduite pour la première fois et sans formalisation mathématique rigoureuse, mais aussi Faraday était le premier voir le champ magnétique non pas comme une abstraction mathématique, mais comme une entité physique qui remplissait l’espace, se propageait dans l’espace et transportait une force.