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Magnétisme

Qu'est-ce que le magnétisme ?

Le magnétisme est un terme générique qui désigne l'ensemble des phénomènes attribués aux forces magnétiques. Historiquement, les forces magnétiques ont été observées pour la première fois sur des pierres de la ville grecque de Magnésie. L'aimant et le magnétisme portent le nom de cette ville. Le fondement physique des forces magnétiques et électriques n'a été clarifié qu'au 19e siècle et formulé mathématiquement en 1864 par James Clerk Maxwell à l'aide des équations de Maxwell.
Table des matières

Histoire du magnétisme

Par magnétisme, on entend la manifestation physique des forces magnétiques. Dès 500 avant J.-C., les Grecs ont constaté les forces d'attraction et de répulsion électriques et magnétiques. Des preuves existent concernant l'observation des forces d'attraction électriques entre des morceaux de papier et de l'ambre frotté. Les forces qui agissent ici sont dues à la charge électrostatique de l'ambre frotté. Thalès de Milet décrivit, en 500 avant J.-C., dans la Grèce antique, les effets de force des pierres de la ville de Magnésie sur les particules de fer. Le lieu de découverte près de Magnésie donna son nom au phénomène du magnétisme. On suppose même que les Chinois ont reconnu les forces de la roche magnétique dès 800 avant J.-C., 300 ans avant les observations documentées par les Grecs. Vers l'an 1000 après J.-C., une première boussole primitive a été développée en Chine.

De nombreux chercheurs se sont penchés sur le phénomène du magnétisme depuis la Renaissance (vers 1500). Il existait souvent des confusions entre magnétisme et électricité. Certains chercheurs ont même considéré que les deux phénomènes étaient fondamentalement différents. En 1785, Coulomb a confirmé qu'il est impossible, contrairement à l'électricité, de séparer un aimant en son pôle nord et son pôle sud. Lorsque l'on brise un aimant permanent, on obtient toujours des aimants plus petits, chacun ayant un pôle nord et un pôle sud.

En 1820, Oersted, bien conscient de la différence entre l'électricité et le magnétisme, a découvert la relation entre les forces électriques et magnétiques lorsqu'il a observé la déviation d'une aiguille de boussole à l'aide d'un fil parcouru par un courant électrique.

Équations de Maxwell : Les équations fondamentales du magnétisme

Ce n'est qu'en 1864 que le physicien James Clerk Maxwell a donné une explication complète de tous les phénomènes électriques et magnétiques au sens strict de la physique et de la mathématique. Il a écrit les équations de Maxwell qui portent son nom et qui décrivent entièrement les champs électriques et magnétiques ainsi que les forces qui en résultent. Les équations fondamentales du magnétisme sont deux des quatre équations de Maxwell qui décrivent les champs vectoriels de la densité de flux magnétique.

Ces deux équations de Maxwell en fonction du temps pour la relation entre la densité de flux magnétique \(\vec{B}\) avec la densité de courant \(\vec{j}\) et la variation de l'intensité de champ électrique \(\dot{\vec{E}}\) sont :

\(\nabla\cdot\vec{B} = 0\)
et

\(\nabla{\times{\vec{B}}} =\mu_0\cdot\vec{j}+\frac1{c^2}\dot{\vec{E}}\).


La constante de perméabilité du vide \(\mu_0\), la densité de courant \(\vec{j}\) et la vitesse de la lumière c interviennent alors.

Selon les équations de Maxwell, il n'existe que des lignes de champ magnétiques fermées. Ceci est décrit par l'équation \(\nabla\cdot\vec{B} = 0\). L'équation indique que la partie "ouverte" des lignes de champ, c'est-à-dire ce que l'on appelle la divergence du champ magnétique, est égale à zéro. Mathématiquement, ceci est équivalent à l'absence de monopôles magnétiques, c'est-à-dire des aimants avec seulement un pôle nord ou seulement un pôle sud.

\(\nabla{\times{\vec{B}}} =\mu_0\cdot\vec{j}+\frac1{c^2}\dot{\vec{E}}\) indique que les lignes de champ magnétiques fermées sont soit causées par des courants \(\vec{j}\), c'est-à-dire par des charges en mouvement, soit, de manière générale, par le changement d'un champ électrique \(\dot{\vec{E}}\). Ce dernier est pertinent pour la description des ondes électromagnétiques qui se propagent dans l'espace sous forme de vibrations électriques et magnétiques se générant mutuellement. La dernière équation explique l'observation d'Oersted : L'aiguille magnétique d'une boussole est elle-même un petit aimant permanent. Le fil conducteur traversé par le courant génère néanmoins des lignes de champ magnétiques qui interagissent avec le champ magnétique de l'aiguille de la boussole et exercent une force sur l'aiguille.

Les charges elles-mêmes émettent à leur tour des forces électriques. Ceci est également décrit par deux équations de Maxwell :

\(\nabla\cdot\vec{E} = \frac\rho\epsilon_0\)
et

\(\nabla{\times{\vec{E}}}+\dot{\vec{B}} = 0\).

Ici, ρ désigne la densité de charge comme source principale du champ électrique \(\vec{E}\). ε0 désigne la constante diélectrique du vide. Les lignes de champ fermées (rotations) du champ électrique \(\nabla{\times{\vec{E}}}\) sont analogues aux lignes de champ magnétiques fermées causées par le changement du flux magnétique \(\dot{\vec{B}}\).

Les équations de Maxwell ont permis pour la première fois de distinguer clairement l'électricité du magnétisme et d'unifier la description de l'électricité et du magnétisme en physique. Les forces de l'électricité et du magnétisme y sont expliquées par des champs, à savoir des champs magnétiques et des champs électriques.

La figure montre de manière schématique le champ magnétique d'un courant I (à gauche) (dans les équations de Maxwell, j désigne la densité de courant, c'est-à-dire le courant par rapport à la surface). Le champ magnétique entoure le conducteur en tourbillons fermés. En conséquence, Le champ magnétique d'une boucle de conducteur se forme (au milieu). Plusieurs boucles conductrices ensemble (sous forme
La figure montre de manière schématique le champ magnétique d'un courant I (à gauche) (dans les équations de Maxwell, j désigne la densité de courant, c'est-à-dire le courant par rapport à la surface). Le champ magnétique entoure le conducteur en tourbillons fermés. En conséquence, Le champ magnétique d'une boucle de conducteur se forme (au milieu). Plusieurs boucles conductrices ensemble (sous forme "superposée") constituent le champ magnétique d'une bobine. Celui-ci est identique au champ magnétique d'un aimant permanent (à droite). Dans un aimant permanent, ou dans un matériau magnétisé en général, les spins des électrons sont orientés parallèlement. Cela équivaut à de nombreux courants circulaires avec des moments magnétiques correspondants orientés parallèlement les uns aux autres. Le champ magnétique externe est alors formé par la superposition des contributions de tous les moments magnétiques élémentaires.
Aujourd'hui, on parle de la théorie de l'électromagnétisme. La théorie des champs variables dans le temps en matière d'électricité et de magnétisme est appelée électrodynamique. En électrodynamique, le magnétisme et l'électricité sont donc traités de manière complète.

Les "paramètres matériels", tels que la perméabilité magnétique μ, décrivent l'effet des champs magnétiques sur la matière. Cela peut également être calculé à l'aide des équations de Maxwell. Pour cela, il faut encore intégrer dans les équations les effets comme la magnétisation et la polarisation électrique. Aujourd'hui, c'est surtout une précision croissante dans la détermination des paramètres des matériaux et le traitement des objets quantiques dans l'électrodynamique quantique qui sont venus s'ajouter à l'électrodynamique classique et constituent des domaines de recherche actuels.
En 2007, la découverte de la magnétorésistance géante par le physicien Grünberg a été récompensée par le prix Nobel.



Portrait du Dr Franz-Josef Schmitt
Auteur:
Dr Franz-Josef Schmitt


Dr. Franz-Josef Schmitt est physicien et directeur scientifique des cours pratiques avancés de physique à l'université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Il a travaillé à l'université technique de 2011 à 2019 et a dirigé divers projets pédagogiques ainsi que le laboratoire de projets en chimie. Ses recherches se concentrent sur la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur des macromolécules biologiquement actives. Il est également directeur de Sensoik Technologies GmbH.

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