Magnétisme: notions fondamentales

Il y a des domaines dans le monde de l’électrotechnique que l’on peut difficilement comprendre sans aborder les notions élémentaires du magnétisme. Combinée avec l’électricité, cette discipline s’appelle l’électromagnétisme; deux composantes intimement liées et analogues en plusieurs points. Pour comprendre le fonctionnement intrinsèque des principales machines électriques, vous ne pouvez en aucun cas passer votre chemin sur cet article.

Aimants

II existe dans la nature des pierres qui ont la propriété principale d’attirer le fer. Ces pierres portent le nom de « magnétites » car leur découverte est originaire de la Magnésie, région de la Grèce où l’on trouve en abondance ce minéral noir si particulier. Cet « aimant naturel » est composé d’oxyde de fer qui a la particularité d’attirer … le fer (et d’autres métaux)!
On sait reproduire ce phénomène sur des matériaux de diverses formes que l’on appelle des aimants artificiels. Ces derniers sont utilisés pour des applications diverses et variées, des plus élémentaires aux plus exigeantes, du monde technologique qui nous environne.

L’aimant attire donc le fer à ses extrémités, là où l’attraction est la plus forte. Ces extrémités s’appellent les pôles (pôle Nord et pôle Sud).
On les appelle ainsi en raison de leur attraction naturelle vers les pôles géographiques terrestres. De là, découle le fonctionnement de la boussole qui est composée d’une aiguille aimantée montée librement sur un axe.

La boussole indique la direction du Nord géographique. Oui, mais non!
En fait, l’aiguille de la boussole est attirée par le pôle Nord magnétique de la terre, qui ne se situe pas exactement au niveau du pôle Nord géographique de notre planète mais décalé de plusieurs kilomètres. Comme vous le savez, la terre est un gros aimant qui génère un champ magnétique de son pôle Nord à son pôle Sud (le centre de la terre est une gigantesque boule de fer en fusion) et sur lequel l’aiguille aimantée de la boussole s’aligne pour indiquer le Nord (les deux aimants s’attirent).

Le pôle Nord de l’aiguille aimantée est souvent coloré en rouge et se dirige toujours vers le nord magnétique terrestre.

A présent, nous pouvons déjà citer la première loi du magnétisme:

Les pôles semblables de deux aimants se repoussent, les pôles contraires s’attirent.

Mais attendez une minute! Si cette loi est vraie, comment se fait-il que le pôle nord de l’aiguille soit attiré par le pôle nord terrestre ?

Et bien, en réalité … le pôle Nord magnétique terrestre est en fait un pôle Sud … mais chut, faut pas le répéter … Eh oui, le nom de « pôle Nord magnétique » est conservé par convention historique, il est nommé ainsi car ce pôle donne approximativement le Nord géographique … ça évite toute confusion et tout risque d’AVC dans les prochaines minutes!

Lignes de force

Les forces de répulsion et d’attraction sont modélisées par des lignes s’échappant toujours du pôle N vers le pôle S de l’aimant, comme indiqué sur le schéma ci-dessous:

Les lignes de forces représentent le champ magnétique (symbolisé B) de l’aimant. Elles empruntent tout l’espace en 3 dimensions autour de l’aimant.
Bien que l’image illustre le champ magnétique en 2 dimensions, les lignes de force jaillissent également de votre écran à partir du pôle N et y replongent vers le pôle S.
A mesure que l’on se rapproche de l’aimant, le champ magnétique devient de plus en plus intense et inversement.

Voici les règles fondamentales utiles à savoir: 

  • Les lignes de force ne se croisent jamais.
  • Elles ont tendance à emprunter toujours le chemin le plus court ou le plus facile.
  • Elles partent toujours d’un pôle Nord vers un Pôle Sud.
  • Elles exercent une force de répulsion entre elles.

Flux magnétique

Le flux magnétique représente l’ensemble des lignes de force qui traversent une surface. Il est symbolisé par la lettre grecque Φ (phi).

Il dépend essentiellement de trois facteurs:

  • l’intensité du champ magnétique (B)
  • l’aire de la surface traversée (A).
  • l’angle que forme la surface par rapport au champ magnétique.

Lorsque la surface traversée est perpendiculaire au champ magnétique, le flux est maximal. Il est alors caractérisé par la formule suivante: \Phi = B . A
Si l’orientation de la surface change d’angle et que le champ reste uniforme, le flux diminue. Enfin, quand la surface est parallèle, le flux est nul.

Grandeurs et unités
Le champ magnétique B est normalement représenté sous forme de vecteur. Il est exprimé en Tesla (T)
Le flux magnétique Φ est exprimé en Weber (W).
L’aire de la surface est exprimée en .

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