Magnétisme et courants

Un courant génère un champ magnétique

Les courants ne produisent pas de champs électriques, donc elles n'ont aucune influence sur les charges statiques. Mais, déjà en 1820, le physicien danois Ørsted avait découvert qu'un courant peut pertuber fortement le fonctionnement d'un boussole : les courants génèrent des champs magnétiques. En fait, ils sont les sources du champ magnétique, de la même manière que les charges sont les sources du champ électrique.

En présence d'un courant suffisamment intense, l'aiguille aimantée ne pointe plus vers le nord. Elle s'oriente plutôt dans la direction de la tangente à un cercle qui (Fig. 1a) : a) est centré sur le fil électrique (en orange), b) appartient à un plan perpendiculaire au fil et c) passe par le centre de l'aiguille.

Champ magnétique généré par un courant rectligne

L'orientation de l'aiguille suit les lignes de force du champs magnétique, qui ont une forme circulaire (Fig. 1a, cercles noirs) dans le cas du champ magnétique généré par un fil électrique rectiligne. La direction du champ magnétique est déterminée par la règle de la main droite (Fig. 1b). Si le pouce pointe dans la direction du courant, les autres quatre doigts montrent la direction des lignes de force du champs magnétique.

L'intensité du champs magnétique B à une distance r du fil vaut (loi de Biot-Savart), où I est l'intensité du courant dans le fil et est une constante fondamentale, appelée perméabilité magnétique du vide. Son rôle dans le magnétisme équivaut à celui de la constante de Coulomb dans l'électricité. Les charges sont les sources du champ électrique. Les courants sont les sources du champs magnétique. La constante de Coulomb donne l'intensité du champ électrique par unité de quantité de charge. La perméabilité magnétique du vide donne l'intensité du champ magnétique par unité d'intensité de courant (newton [N] et ampère [A] sont les unités, respectivement, de force et de courant dans le Système International).

Champ magnétique généré par un courant circulaire

Le cas d'un circuit circulaire (Fig. 2a) est un peu plus compliqué, mais un cercle peut toujours être décomposé en une infinité de petits morceaux (segments) rectilignes (huit parmi eux ont été mis en évidence en utilisant une couleur cuivre plus foncée). Chaque segment du fil électrique génère un champ magnétique circulaire autour de lui. Les lignes de force de ce champ magnétique sont montrées par les cercles noirs en Fig. 2a. Leur orientation est déterminées par la règle de la main droite.

La somme de tous les champs magnétiques individuels produits par chaque morceau de fil donne le champ magnétique total de l'anneau (la Fig. 2b montre les lignes de force du champ magnétique résultant).

Champ magnétique d'un aimant. Observation expérimentale des lignes de force

Dans le cas d’un aimant, les lignes de force du champ magnétique peuvent être visualisées expérimentalement en déposant l’aimant sur une surface qui a été saupoudrée de limaille de fer. Les parcelles de fer s’alignent aussitôt avec le champ magnétique (Fig. 3).

Analogie avec le champ magnétique d'une bobine

Le champ magnétique généré par l'aimant en Fig. 3 a la même forme que le champ magnétique généré par une bobine, dans laquelle le fil électrique est enroulé sur un support cylindrique (Fig. 4-a ; un courant doit circuler dans la bobine afin qu'il y ait un champ magnétique).

Cette similarité n'est pas fortuite. Le champ magnétique de l'aimant est dû à des courants microscopiques, dont l'effet résultant équivaut à des courants circulaires tout au long de l'aimant (Fig. 4-b ).