Particules dans les champs magnétiques

Définitions de la force magnétique et du champ magnétique

Expérimentalement, on a découvert que lorsque des charges électriques se déplacent (c'est-à-dire qu'elles ont une vitesse non nulle), on mesurait une autre contribution à la force que subissent les particules chargées, en plus de la force électrique, qui était déjà connue. Cette force mystérieuse était la force électromagnétique (également appelée force magnétique), causée par le mouvement des porteurs de charge à travers un champ magnétique appliqué de l'extérieur.

Une expérience simple que tu peux faire à la maison pour observer l'effet de la force magnétique utilise une bande de papier d'aluminium, une pile et un aimant en fer à cheval. Au départ, l'aimant ne devrait produire aucune force sur la bande de papier d'aluminium, puisqu'elle est faite d'aluminium. Cependant, si nous créons un circuit en attachant chaque extrémité de la bande de papier aluminium aux bornes de la batterie, des électrons (particules chargées) circulent maintenant dans la feuille. Si nous approchons maintenant la bande du champ magnétique, elle va dévier ! Cela prouve qu'une force magnétique est générée par le mouvement des particules chargées à travers le champ magnétique, car la force disparaît lorsque nous déconnectons le circuit de la feuille et que les particules cessent de se déplacer.

La force magnétique 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 ressentir une force 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. L'intensité d'un champ magnétique est généralement appelée densité du flux magnétique ou intensité du champ magnétique et est désignée par le symbole$B.$L'unité de mesure du champ magnétique est le Tesla$\left(\mathrm{T}\right)$, qui équivaut à des newtons par ampère par mètre,${\mathrm{NA}}^{-1}{\mathrm{m}}^{-1}$.

Particules chargées dans un champ magnétique

Comme nous l'avons appris dans le thème de l'électricité, le flux de charges électriques positives constitue un courant électrique classique. Par conséquent, les courants électriques subissent une force lorsqu'ils se trouvent dans un champ magnétique. Si nous pensons aux électrons qui se déplacent en cercle dans un magnétron, comme nous l'avons mentionné au début de l'article, comment pouvons-nous être sûrs que les électrons se déplaceront de cette façon, puisqu'ils ne sont pas contenus dans un fil ? Il s'avère qu'il existe une relation entre les directions du champ magnétique, la force magnétique et le courant. Si nous connaissons la direction de deux de ces quantités, nous pouvons trouver la direction de la troisième.

La règle de la main gauche

La façon de déterminer la direction de la force qu'une charge en mouvement ressentira lorsqu'elle entrera dans un champ magnétique est d'utiliser la règle de la main gauche de Fleming. La règle de la main gauche stipule que tu dois écarter ton pouce, ton index et ton majeur de façon à ce qu'ils forment un angle droit l'un par rapport à l'autre (comme le montre le schéma ci-dessous).

1. Pointe ton index dans la direction du champ magnétique$B$c'est-à-dire du pôle nord au pôle sud.
2. Ton majeur donne la direction du courant conventionnel$I$(le mouvement de la charge positive).
3. Ton pouce pointera dans la direction de la force$F$sur la particule.

La règle de la main gauche est utilisée pour déterminer la direction de la force ressentie par une particule chargée lorsqu'elle se déplace dans un champ magnétique à angle droit. Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

La force exercée sur les particules chargées dans un champ magnétique

La loi générale régissant le comportement d'une charge électrique en présence d'un champ électromagnétique est connue sous le nom de force de Lorentz. L'expression générale inclut également l'effet d'un champ électrique externe, mais nous la limiterons ici aux situations où seul un champ magnétique est présent.

L'expression de la force exercée sur une particule chargée se déplaçant perpendiculairement dans un champ magnétique est donnée par :

$\begin{array}{rcl}\mathrm{Magentic}\mathrm{force}& =& \mathrm{charge}\times \mathrm{speed}\times \mathrm{magnetic}\mathrm{field}\mathrm{strength}\\ F& =& qvB\end{array}$

où$q$est la charge de la particule,$v$est la magnitude de sa vitesse, et$B$est l'intensité du champ magnétique.

Cette équation indique clairement que la particule doit être en mouvement$(v\ne 0)$pour que la force magnétique se fasse sentir. Nous avons une relation dans laquelle la direction du mouvement, la force et le champ sont tous à angle droit les uns par rapport aux autres et peuvent être déterminés en utilisant la règle de la main gauche.

Le mouvement circulaire des particules chargées dans un champ magnétique

Nous avons vu qu'une particule chargée subit une force perpendiculaire à la direction de son mouvement lorsqu'elle pénètre dans un champ magnétique à angle droit. Cela signifie que la direction du mouvement de la particule changera lorsque la force magnétique déviera la particule. Comme la particule chargée a maintenant changé de direction, cela constitue un changement de direction du courant. Si le champ reste constant, mais que le courant change de direction, alors la force magnétique générée doit également changer constamment de direction ! Ce scénario est déroutant, mais il explique comment une particule chargée dans un champ magnétique peut se déplacer le long d'une trajectoire circulaire.

Types de particules dans les champs magnétiques

Nous avons vu comment les électrons sont déviés par les champs magnétiques, mais nous pouvons observer des déviations similaires pour d'autres particules. Nous allons examiner ici trois de ces particules : la particule alpha, la partic ule bêta et la particule gamma.

Particules alpha, bêta et gamma dans un champ magnétique

Nous savons, grâce aux atomes et aux rayonnements, que les particules alpha sont des noyaux d'hélium (ils contiennent deux neutrons et deux protons, ce qui leur confère une charge positive). Elles sont également assez lourdes, du moins par rapport à l'électron, ce qui signifie qu'une force magnétique plus importante est nécessaire pour les dévier d'une même quantité.

Les particules bêta sont des électrons qui se déplacent rapidement et présentent donc le même comportement de déviation que nous avons vu précédemment. La figure ci-dessous montre la différence entre la façon dont une particule alpha et une particule bêta sont déviées par le même champ magnétique uniforme lorsqu'elles le traversent.

Les particules gamma sont des photons à haute énergie émis lors de la désintégration radioactive. Elles sont souvent émises en même temps que les particules alpha et bêta. La grande différence, cependant, est qu'il s'agit de photons et qu'ils ne sont donc pas chargés. Elles ne seront pas déviées par un champ magnétique. Le diagramme ci-dessous montre les trajectoires des particules alpha, bêta et gamma lorsqu'elles se déplacent, initialement en ligne droite, dans une région contenant un champ magnétique.

Les particules alpha et bêta seront déviées si elles se déplacent dans une région avec un champ magnétique. Les particules dévient dans des directions opposées puisqu'elles sont chargées de manière opposée. La particule alpha est moins déviée parce qu'elle est beaucoup plus lourde que la particule bêta. La particule gamma n'est pas déviée par le champ magnétique car elle n'est pas chargée. StudySmarter Originals

La particule alpha est moins déviée que la particule bêta, même si sa charge est plus importante. C'est parce qu'elle est plus lourde (elle a une masse plus importante) et que la force a plus de mal à la faire dévier. Les deux particules dévient dans des directions opposées en raison de leurs charges de signes opposés (les particules alpha sont positives et les particules bêta sont négatives), produisant des forces magnétiques dans des directions opposées. La particule gamma n'interagit pas avec le champ magnétique et traverse la région sans être déviée.