Forces et Champs Magnétiques

Définitions de la force magnétique et du champ magnétique

Nous devons faire la distinction entre un champ magnétique et une force magnétique. Nous allons d'abord définir la force magnétique, puis nous ferons le lien avec le champ magnétique. La définition du champ magnétique est la suivante.

C'est une force qui ne diffère des autres que parce qu'elle est générée par des aimants. Elle se mesure en newtons$\left(\mathrm{N}\right)$comme toute autre force. Il est également important de noter que la particule chargée doit se déplacer par rapport au champ magnétique pour qu'elle subisse une force magnétique.

Relation entre la force magnétique et le champ magnétique

Nous devons maintenant découvrir comment les aimants créent cette force, et pour cela, nous devons parler du champ magnétique. La définition du champ magnétique est la suivante.

Un champ magnétique est présent en tout point de l'espace où une particule chargée en mouvement ressent une force. Ceci décrit la relation entre la force magnétique et le champ magnétique. L'unité de mesure du champ magnétique est le Tesla$\left(\mathrm{T}\right)$qui équivaut à Newtons par Ampère par mètre$\left({\mathrm{NA}}^{-1}{\mathrm{m}}^{-1}\right)$.

Pôles magnétiques

Si tu as déjà joué avec des barreaux aimantés, tu as peut-être remarqué que lorsque tu rapproches deux faces des aimants, elles se repoussent. Si tu retournes l'une des faces, les deux faces proches l'une de l'autre s'attirent. Il y a une poussée ou une traction évidente entre les faces, ce qui indique qu'une force magnétique existe entre les aimants. Les objets magnétiques ont deux pôles, ou deux extrémités, qui déterminent s'ils attireront ou repousseront d'autres pôles. On les appelle le pôle nord (N) et le pôle sud (S) et ils sont représentés par la figure suivante d'un barreau aimanté typique.

Un barreau aimanté typique est représenté sur cette image avec les pôles nord (N) et sud (S) indiqués. Le pôle nord attirera le pôle sud d'un autre aimant et vice-versa.

Les forces magnétiques sont déterminées comme suit :

• Les pôlessemblablesse repoussent,
• les pôlesopposés s'attirent.

Cela explique les interactions que nous ressentons lorsque nous approchons des barreaux aimantés les uns des autres. La région dans laquelle le pôle magnétique d'un aimant ressent une force magnétique se trouve dans le champ magnétique de l'autre aimant, et vice versa. Nous pouvons considérer qu'un pôle magnétique produit également des champs magnétiques et qu'il est affecté par les champs magnétiques d'autres pôles magnétiques.

Lignes de champ magnétique

Nous pouvons représenter les lignes le long desquelles les forces magnétiques agissent par des lignes de champ magnétique, que nous pouvons voir dans la figure ci-dessous. Les lignes de champ magnétique ne sont pas visibles, ce sont des abstractions mathématiques qui contiennent des informations sur la façon dont le champ magnétique affecte les charges mobiles dans son voisinage en tout point de l'espace ; nous ne déduisons leur présence qu'en vertu de la force subie par les objets magnétiques placés en chaque point du champ, et même dans ce cas, c'est la force que nous mesurons, et non l'intensité du champ magnétique lui-même.

Les lignes du champ magnétique d'un aimant à barreau typique indiquées sur cette image nous indiquent la direction de la force qui serait exercée sur un second pôle nord qui entrerait dans ce champ magnétique, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0.

Les lignes de champ partent du pôle nord et se terminent sur le pôle sud. Les flèches nous montrent la direction dans laquelle le pôle nord d'un deuxième aimant ressentirait une force magnétique s'il entrait dans le champ magnétique du premier. Il est clair qu'il serait repoussé par le pôle nord et attiré vers le pôle sud du premier aimant. Plus les lignes de champ sont proches les unes des autres, plus le champ magnétique est fort, c'est-à-dire plus la force magnétique ressentie par un autre aimant est importante.

Exemples de champ et de force magnétiques

Nous pouvons utiliser les représentations des lignes de champ magnétique pour des aimants simples que nous avons vues précédemment et essayer d'imaginer à quoi ressembleraient les lignes de champ magnétique lorsque deux aimants sont réunis dans des orientations différentes. Lis les deux exemples ci-dessous et fais bien attention au sens des flèches dans chaque cas.

La formule reliant la force magnétique et le champ magnétique

Nous avons vu la représentation visuelle de l'interaction entre les champs magnétiques des aimants, mais notre définition ci-dessus s'étend également aux charges en mouvement. Cela signifie certainement que les champs magnétiques interagiront également avec les courants électriques, puisqu'un courant électrique est composé de charges en mouvement. Supposons qu'un long fil droit de longueur$L$est placé à angle droit par rapport à un champ magnétique uniforme$B$. Le fil transporte un courant$I$et subit une force puisque les charges mobiles à l'intérieur du fil sont exposées à ce champ magnétique. La force ressentie par le fil est donnée par l'équation suivante

$\begin{array}{rcl}\mathrm{Force}& =& \mathrm{magnetic}\mathrm{field}\mathrm{strength}\times \mathrm{current}\times \mathrm{length}\end{array}$

ou en symboles,

$F=BIL$

La figure ci-dessous illustre cet effet. Un fil est placé perpendiculairement à un champ magnétique entre les pôles de deux aimants. Le champ magnétique pointe de gauche à droite et le courant pointe dans la page. Le fil ressent une force qui va le pousser vers le bas. La direction vers le bas peut être obtenue en appliquant la règle de la main gauche de Fleming. Remarque que le fil peut également former un angle autre que 90° par rapport au champ (c'est-à-dire qu'il n'est pas perpendiculaire), mais le calcul devient un peu plus compliqué et nous n'aborderons pas ce scénario ici.

Un long fil droit, porteur de courant, placé dans un champ magnétique ressentira une force. Cela est dû à l'interaction entre le champ et les charges mobiles du fil, StudySmarter Originals.

Différences entre la force magnétique et le champ magnétique

Il est clair que la force magnétique et le champ magnétique sont deux grandeurs complètement différentes, même si elles peuvent sembler similaires. Le tableau ci-dessous énumère trois différences entre le champ magnétique et la force magnétique sur une particule chargée en un point du champ magnétique.