Principes fondamentaux du magnétisme et électromagnétisme

Propriétés des matériaux magnétiques

Le fer (Fe), le cobalt (Co) et le nickel (Ni) sont des métaux capables d'exercer des forces d'attraction ou de répulsion sur d'autres matériaux.

• William Gilbert : a démontré que le pôle Nord et le pôle Sud sont magnétiques.
• Découverte de l'aimant naturel : la magnétite (oxyde de fer Fe₃O₄), découverte initialement en Magnésie.

Champs et interactions

• Charge au repos : crée un champ électrique ; en mouvement, elle génère un champ électromagnétique.
• Charge électrique ↔ Champ électrique
• Masse ↔ Champ gravitationnel
• Aimant ↔ Champ magnétique

Concepts historiques

• 1831, Michael Faraday : introduction du concept de lignes de force pour expliquer l'action à distance.
• Pierre de Maricourt : a démontré l'inexistence des monopôles magnétiques.

Propriétés du champ magnétique

1. Les lignes de champ s'étendent du pôle Nord vers le pôle Sud magnétique.
2. Intensité : proportionnelle au nombre de lignes de champ par unité de surface.
3. Vecteur B : le vecteur champ magnétique est tangent à la ligne de champ en tout point.
4. Les lignes de champ ne se croisent jamais.
5. Les lignes de champ sont fermées et continues à la surface d'un aimant.

Lois de l'électromagnétisme

• Hans Christian Ørsted : découvre qu'un courant électrique dévie une aiguille aimantée (effet Ørsted).
• André-Marie Ampère : démontre que deux conducteurs parcourus par un courant s'attirent ou se repoussent.
• Magnétisme moléculaire : Ampère suggère que le magnétisme naturel provient de courants électriques au niveau moléculaire.
• Michael Faraday : conclut qu'un courant électrique peut être généré par des champs magnétiques variables.
• 1860, James Clerk Maxwell : conclut que des champs magnétiques peuvent être créés par des champs électriques variables.

Force de Lorentz et Expérience de Thomson

La force de Lorentz est la force subie par une particule chargée entrant dans une région où règne un champ magnétique homogène.

Expérience de J.J. Thomson (1897)

À l'aide d'un tube à rayons cathodiques, Thomson a déterminé expérimentalement le rapport charge/masse (q/m) de l'électron :

q/m ≈ 1,76 × 10¹¹ C/kg

Lorsqu'un faisceau d'électrons est soumis à un champ magnétique uniforme, il subit une déviation due à la force magnétique, égale à la force centripète :

q/m = 2V / (B² * R²)

Force magnétique sur un courant électrique

Pour un conducteur rectiligne de longueur L parcouru par un courant I, placé perpendiculairement à un champ magnétique B, la force magnétique est :

F = I * L * B

Force entre deux conducteurs parallèles

Deux fils conducteurs parallèles parcourus par des courants s'attirent ou se repoussent. Le champ magnétique généré par un conducteur à une distance r est :

B₁ = (μ₀ * I₁) / (2π * r)

La force exercée sur le second conducteur est :

F = (μ₀ * I₁ * I₂ * L) / (2π * r)