carte mentale magnétisme physique

Comprendre le sujet

Le magnétisme est la branche de la physique qui étudie les interactions entre aimants, courants électriques et matériaux sensibles aux champs magnétiques. Il repose sur la notion de champ magnétique, grandeur vectorielle créée par des aimants ou des charges en mouvement. Le magnétisme explique le fonctionnement des boussoles, des moteurs électriques, des transformateurs et du stockage de données. Il est étroitement lié à l'électricité : les deux phénomènes forment l'électromagnétisme, dont les équations de Maxwell décrivent l'ensemble des manifestations.

Champ magnétique et lignes de champ
Le champ magnétique B décrit l'état magnétique de l'espace en chaque point. Il se représente par des lignes de champ tangentes à la direction de B, orientées à l'extérieur d'un aimant du pôle nord vers le pôle sud, puis refermées à l'intérieur. Ces lignes ne se croisent jamais et leur densité traduit l'intensité du champ. Contrairement aux lignes de champ électrique qui partent des charges, les lignes magnétiques sont toujours fermées, ce qui reflète l'absence de monopôles magnétiques isolés. Une boussole s'aligne localement sur ce champ, ce qui en fait un détecteur simple mais efficace.

Lien entre électricité et magnétisme
Longtemps considérés comme des phénomènes distincts, l'électricité et le magnétisme furent unifiés au XIXe siècle. En 1820, Oersted observa qu'un courant électrique dévie une aiguille aimantée, montrant qu'un courant crée un champ magnétique. Ampère formalisa ensuite les forces entre conducteurs parcourus par des courants. Inversement, Faraday démontra en 1831 qu'un champ magnétique variable induit un courant dans un circuit. Cette symétrie entre les deux phénomènes culmina avec les équations de Maxwell, qui décrivent la lumière comme une onde électromagnétique.

Forces de Lorentz et de Laplace
Deux forces magnétiques fondamentales se distinguent. La force de Lorentz agit sur une charge q se déplaçant à la vitesse v dans un champ B : elle vaut q v × B et est toujours perpendiculaire à la vitesse, si bien qu'elle ne travaille pas et courbe la trajectoire sans changer l'énergie de la particule. La force de Laplace est son analogue macroscopique : elle s'exerce sur un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ. C'est elle qui met en rotation la bobine d'un moteur électrique, convertissant l'énergie électrique en énergie mécanique.

Induction et production d'électricité
L'induction électromagnétique est le principe à la base de presque toute la production d'électricité. Lorsque le flux magnétique à travers un circuit varie, une force électromotrice apparaît, proportionnelle à la vitesse de variation : c'est la loi de Faraday. La loi de Lenz précise que le courant induit s'oppose à la cause qui lui donne naissance, ce qui garantit la conservation de l'énergie. En faisant tourner une bobine dans un champ magnétique, l'alternateur convertit l'énergie mécanique en courant. Le transformateur, lui, transfère cette induction entre deux circuits couplés pour élever ou abaisser la tension.