II. Comment créer un champ magnétique à l'aide d'une bobine

LE CHAMP MAGNETIQUE
I. Les aimants, sources de champ magnétique.
1. Quelques observations expérimentales. * Quel est le comportement d'un aimant vis à vis du fer ?
Un aimant a la propriété d'attirer les objets en fer.
Cette action se manifeste aux deux extrémités de l'aimant, appelées
pôles
Les pôles d'un aimant sont de natures différentes. * Comment se traduit l'interaction entre deux aimants ?
Deux pôles de même nom se repoussent
Deux pôles de noms différents s'attirent * Quel est le comportement d'une aiguille aimantée ?
Un petit aimant mobile sur un pivot vertical constitue une boussole
En un point de la surface terrestre, une aiguille aimantée occupe une
position stable: le pôle nord de l'aiguille indique sensiblement la
direction du Nord géographique. 2. Espace champ magnétique C'est une région dans laquelle une aiguille aimantée s'oriente sous
l'action de forces magnétiques. L'aiguille aimantée constitue un détecteur de champ magnétique.
Parmi les sources de champ magnétique, on peut citer :
- la Terre,
- les aimants,
- les bobines parcourues par des courants électriques (voir
ultérieurement). 3. Comment définir un champ magnétique ? En un point M de l'espace, on caractérise le champ magnétique par un
vecteur [pic] pour lequel il faut préciser la direction, le sens et la
valeur. a) le rôle de l'aiguille aimantée. Placée en M, l'aiguille aimantée nous permet de connaître direction et sens
de [pic] en ce point. Au point M, le vecteur champ magnétique [pic] : - a la direction x'x de l'axe de l'aiguille aimantée, - a le sens S ( N de l'aiguille aimantée.
b) le rôle du teslamètre. Placée en M, la sonde de Hall d'un teslamètre permet de mesurer la valeur
du champ magnétique en ce point.
La valeur d'un champ magnétique est notée B ; elle s'exprime en Teslas
(T).
Quelques ordres de grandeurs.
- champ magnétique terrestre : environ 5.10-5 T (soit 50 µT),
- au voisinage d'un aimant : 10-2 à 10-1 T.
Un champ magnétique de 1 T est un champ magnétique intense. 4. Les spectres magnétiques. Un spectre magnétique est caractérisé par un ensemble de lignes de champ.
En tout point de l'espace, le vecteur champ est tangent aux lignes de champ
et il est orienté dans le même sens.
L'observation d'un spectre magnétique peut s'effectuer à l'aide de limaille
de fer.
Exercice : D'après l'observation des spectres et l'orientation de
l'aiguille aimantée, dessinez quelques lignes de champ magnétique créé par
un aimant droit, puis par un aimant en U.
II. Comment créer un champ magnétique à l'aide d'une bobine ?
1. Expériences Observez le comportement de deux aiguilles aimantées placées de part et
d'autre d'une bobine longue (solénoïde) parcourue par un courant continu. On peut constater que le solénoïde a le comportement d'un aimant: il
possède deux faces N et S dont les positions dépendent du sens du courant
dans l'enroulement.
Les lignes de champ magnétique sont parallèles à l'axe x'x du solénoïde: on
dit que le champ magnétique est uniforme. [pic] est un vecteur constant (si l'on ne s'approche pas trop des faces). 2. Expression de B à l'intérieur d'un solénoïde
Dans le vide (ou dans l'air) la valeur du champ magnétique à l'intérieur
d'un solénoïde est donné par l'expression:
[pic] avec I en Ampère(A) ; L en mètre(m) ; B en Tesla (T)
(0 = 4(.10-7 SI est la perméabilité magnétique du vide (ou de l'air). Indication : Si l'on désigne par [pic] le nombre de spires par mètre, on
peut écrire B = (0.n.I . 3. Comment obtenir un champ magnétique intense ? Plusieurs méthodes sont possibles : Augmenter le nombre de spires par unité de longueur (n) de la bobine. Augmenter la perméabilité magnétique µ du milieu.
On réalise un électroaimant en introduisant un noyau ferromagnétique
(fer doux, alliage) à l'intérieur de la bobine. Le champ magnétique dans l'entrefer du noyau se trouve considérablement
augmenté. Augmenter l'intensité I du courant dans la bobine.
Il s'en suit une élévation importante de température dans les
conducteurs ohmiques par suite de l'effet Joule.
Remède : utiliser la supraconductivité de certains matériaux. Refroidis
à très basse température, certain métaux ont une très faible
résistivité, ce qui limite l'échauffement même pour des courants
intenses.
Les champs magnétiques ainsi créés peuvent atteindre 15 à 20 T. 4. Une application médicale : l'I.R.M. Les premières observations en imagerie par résonance magnétique (I.R.M.)
datent de 1977.
L'I.R.M. permet d'observer les structures anatomiques de certains tissus et
organes. Elle peut donc mettre en évidence certaines formes pathologiques.
On l'utilise lors d'investigations cérébrales, rachidiennes,
cardiologiques.
La résonance magnétique nucléaire (R.M.N.) est obtenue en soumettant le
corps du patient à un champ magnétique intense associé à une onde
radiofréquence: les noyaux d'atomes d'hydrogène (protons) présents dans le
corps humain s'orientent à la manière de minuscules aiguilles aimantées.
Lorsqu'on cesse l'émission radiofréquence, les protons restituent de
l'énergie sous forme d'un signal de R.M.N. Ce signal est traduit en image
sur écran d'ordinateur : c'est l'imagerie par résonance magnétique
(I.R.M.). Cette méthode d'investigation présente de gros avantages :
- pas d'utilisation de rayons X comme en scannographie;
- pas d'utilisation de traceurs radioactifs comme en scintigraphie.
Actuellement, on ne connaît pas d'action nocive de cette méthode sur les
organismes vivants.
Seule précaution d'emploi avec les patients munis de prothèses métalliques,
implants, valves et stimulateurs cardiaque ...
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pôle sud pôle nord aimant droit n s champ
terrestre
x x' B M ( s n ( M2 B1 ligne de champ M1 B2 ( + _ G I x' x ? ? N I S I
bobine noyau entrefer