CHAMP MAGNETIQUE

Après la découverte de la pile Volta, il y eut plusieurs tentatives pour trouver un lien entre le magnétisme et l'électricité. La certitude que ce lien existait était répandue depuis des décennies. L'expérience décisive fut, comme souvent dans l'histoire des grandes découvertes, totalement fortuites.

Le 21 juillet 1820, Hans Oersted, professeur à l'Université de Copenhague, au Danemark, faisait un cours d'électricité à des étudiants. Par hasard, une boussole était posée sur la table parmi d'autres objets et un fil branché à une pile voltaïque passait au-dessus d'elle presque parallèlement à l'aiguille. Quand il ferma le circuit, l'aiguille tourna pour venir se mettre presque perpendiculairement au fil transportant le courant électrique, comme si elle était proche d'un aimant puissant.

La nouvelle de la découverte d'Oersted parvint à Paris le 4 septembre lorsque François Arago la relata à un rassemblement sceptique de l'Académie des Sciences. Un jeune professeur, André Marie Ampère, assistait à la discussion et en deux semaines, il mena une série d'expériences originales. Ampère montra que la force magnétique, subie par l'aiguille d'une boussole près d'une fil rectiligne transportant un courant électrique, l'oriente perpendiculairement au fil le long de cercles concentriques.

Si on oriente le pouce de la main droite dans la direction du courant électrique, la direction des autres doigts entourant le courant coïncide avec celle de l'aiguille de la boussole, c'est-à-dire la direction du champ magnétique B.
Cette règle est connue comme la règle de la main droite.

Champ d'un courant dans un conducteur rectiligne :

Un long conducteur filiforme rectiligne transportant un courant produit un champ magnétique circulaire, ou plus précisément, un champ magnétique cylindrique dans l'espace qui l'entoure.

Des expériences menées par Jean-Baptiste Biot et Félix Savart en 1820, ont montré que le module du champ est proportionnel à l'intensité du courant électrique I qu'il transporte et inversement proportionnel à la distance r à ce conducteur.

B = μ/(2π) . I/r
I est l'intensité du courant traversant le fil en Ampère (A) ; r est la distance au fil en mètre (m) ; μ est une constante caractéristique du milieu dans lequel se trouve le fil, appelée perméabilité magnétique.
Dans le vide et dans l'air, μ0 = 4π x 10-7 T.m/A

Exercice : calculer le module du champ magnétique créé à un mètre d'un conducteur rectiligne traversé par un courant de 10 A.

Après son étude du champ d'un long conducteur rectiligne transportant un courant, Ampère eut une autre idée. Le courant rectiligne étant entouré par des lignes circulaires de champ magnétique, si on courbe le conducteur pour former un anneau de courant, on devrait concentrer le champ. Le champ à l'intérieur de la spire doit être donc beaucoup plus intense qu'à l'extérieur. La règle de la main droite donne toujours le sens de B et la polarité de la spire qui se comporte comme un aimant avec un pôle nord et un pôle sud. Si on inverse le sens du courant, le direction du champ est inversé.

Biot et Savart ont déterminé expérimentalement le champ magnétique au centre d'une spire de courant.

Au centre de la spire, le module du champ est proportionnel à l'intensité I et inversement proportionnel au rayon de la spire :
B = (μ0I)/(2R)

L'aimant ainsi obtenu permet de régler l'intensité du champ magnétique par l'intermédiaire de l'intensité du courant électrique, d'inverser la polarité à tout moment en inversant le sens du courant et de supprimer le champ magnétique en coupant le courant dans le spire : c'est un électro-aimant.

Exercice : calculer le module du champ magnétique au centre d'une spire de rayon 5 cm, traversé par un courant d'intensité 10 A.

Ampère eut alors l'idée, pour augmenter le champ magnétique, d'augmenter le nombre de spire pour obtenir une bobine plate :

Le champ magnétique au centre d'une bobine comportant N spire de rayon R, traversées par un courant d'intensité I vérifie la relation :
B = N.(μ0I)/(2R)

Exercice : calculer le module du champ magnétique au centre d'une bobine plate de 100 spires, de rayon 5 cm, traversé par un courant d'intensité 10 A.

Franchissant un degré supplémentaire, Ampère enroula un fil en une longue hélice ou solénoïde (du mot grec, solen qui veut dire tube) et il trouva que, si le solénoïde transporte un courant électrique, il se comporte comme une tige aimantée. Un solénoïde est une bobine longue, dont la longueur l est au moins dix fois plus grande que le diamètre d.

Le champ magnétique au centre d'un solénoïde de longueur l, de N spires traversées par un courant d'intensité I, vérifie la relation :
B = μ0.N.I/l

Exercice : calculer le module du champ magnétique au centre d'un solénoïde de 1000 spire, de longueur 20 cm et traversé par un courant de 5 A.

A l'issu de ces découverte, Ampère supposa que tout magnétisme est dû à des courant électrique. Cette hypothèse, logique dans la cas des électro-aimants fut généralisée par Ampère aux aimants permanents en supposant la présence de micro-courants dit «ampériens» dans la matière de ces aimants. Cette hypothèse couramment admise fut confirmée expérimentalement en 1915 par Einstein et Haas qui prouvèrent l'existence de courants moléculaires ampériens.