Champs magnétiques et lignes de champ

À la surface de la Terre, le champ vaut environ 25 à 65 microteslas ; dans le solénoïde d’un appareil d’IRM hospitalier, il est des dizaines de milliers de fois plus fort.

Une carte des forces

Un aimant attire ou repousse un autre aimant sans le toucher. Pour décrire cette action à distance, les physiciens associent à l’espace autour d’un aimant un champ magnétique, le champ B. En chaque point, ce champ possède une direction, un sens et une intensité. Son sens est défini à l’aide d’une petite boussole : c’est celui vers lequel pointe l’extrémité nord de l’aiguille. La boussole est assez petite pour ne pas perturber le champ qu’elle mesure.

Dispose des boussoles autour d’un aimant droit et relie les directions qu’elles indiquent : tu obtiens des lignes de champ. OpenStax les résume en quatre règles. D’abord, en chaque point, le champ est tangent à la ligne : la boussole s’aligne donc sur elle. Ensuite, le rapprochement des lignes indique l’intensité : des lignes serrées signalent un champ intense. Troisièmement, les lignes ne se croisent jamais, car le champ n’a qu’une direction et un sens en chaque point. Enfin, elles forment des boucles fermées, sans début ni fin : à l’extérieur de l’aimant, elles vont du pôle nord au pôle sud ; à l’intérieur, elles reviennent du sud au nord.

Les lignes de champ sont un outil de représentation, pas des fils dans l’espace. Tu peux toutefois voir leur forme en saupoudrant de la limaille de fer sur une feuille posée au-dessus d’un aimant. Chaque grain devient un petit aimant et s’oriente selon le champ : la limaille dessine alors des courbes qui suivent les lignes.

Mesurer l’intensité du champ : le tesla

L’unité SI du champ magnétique est le tesla (T). Un tesla correspond à un champ intense : un fil de 1 m parcouru par 1 A et perpendiculaire à un champ de 1 T subit une force de 1 N, donc 1 T = 1 N/(A·m). Les champs courants sont bien plus faibles : on emploie souvent le microtesla (μT, un millionième de tesla) et le nanotesla (nT, un milliardième). Une unité ancienne, le gauss, reste courante en géologie et sur les étiquettes d’aimants : 1 gauss = 10⁻⁴ T = 100 000 nT.

Quelques valeurs donnent des repères. Les National Centers for Environmental Information de la NOAA indiquent un champ terrestre en surface d’environ 25 000 à 65 000 nT, soit 25 à 65 μT ou 0.25 à 0.65 gauss. OpenStax l’arrondit souvent à 5.0 × 10⁻⁵ T, soit 50 μT. Ses exemples utilisent 1.50 T pour un puissant aimant de laboratoire et 2.01 T à l’intérieur d’un grand solénoïde du type utilisé en IRM. Cela représente environ 40 000 fois le champ terrestre.

Deux aimants : les champs s’additionnent

Quand deux aimants sont proches, le champ en chaque point est la somme de leurs deux champs, additionnés comme des vecteurs. Place un pôle nord face à un pôle sud : les lignes traversent l’intervalle d’un aimant à l’autre ; le champ y est intense et les aimants s’attirent. Place deux pôles nord face à face : les lignes sont déviées sur les côtés. À mi-distance des pôles, les deux champs se compensent en un point. Une boussole placée exactement là n’a pas de direction privilégiée : seul le faible champ terrestre l’oriente.

Cette addition explique aussi pourquoi une boussole posée sur un bureau peut te tromper. L’armature en acier du bureau, l’aimant d’un haut-parleur ou le courant d’un fil voisin produisent leur propre champ. Tout près, celui-ci peut dépasser les 25 à 65 μT du champ terrestre. L’aiguille s’oriente alors selon le champ total, et non vers le nord. Pour obtenir une indication fiable, éloigne la boussole des objets métalliques et des appareils électriques.