Électromagnétisme

L’électromagnétisme est la production de magnétisme dans l’espace autour d’un fil qui conduit un courant électrique ou une particule chargée en mouvement . C’est l’une des forces fondamentales de la nature.

La physique est la science qui étudie les phénomènes électriques et magnétiques, dans une branche également appelée électromagnétisme . L’électricité et le magnétisme sont des phénomènes physiques étroitement liés.

Comment fonctionne l’électromagnétisme

L’électricité et le magnétisme sont les deux faces d’une même pièce: l’électromagnétisme. Le magnétisme provient des courants électriques en même temps que les champs magnétiques exercent des forces sur les charges électriques en mouvement.

Le champ électrique entoure tout objet chargé. Le mouvement des charges crée un champ magnétique. La source du magnétisme pour un aimant au repos est le mouvement des électrons chargés dans les atomes qui composent le matériau.

Les électroaimants sont des matériaux ferromagnétiques qui ne fonctionnent que lorsqu’ils ont un flux électrique. Nous trouvons des électroaimants dans de nombreux appareils électriques que nous avons à la maison: des klaxons sonores, des moteurs électriques et des ordinateurs.

Induction électromagnétique

La production d’électricité à partir du mouvement et du magnétisme est appelée induction électromagnétique .

Michael Faraday (1791-1867) et Joseph Henry (1797-1878) ont chacun découvert que si une bobine de fils se déplace par rapport à un champ magnétique, un courant est produit dans un circuit fermé. La bobine et / ou le champ magnétique doivent se déplacer de telle sorte que les fils de bobine traversent le champ magnétique, qui va du pôle nord au pôle sud.

Faraday a d’abord publié les résultats et c’est pourquoi il est crédité de la découverte de l’induction électromagnétique. La loi de Faraday stipule que si le nombre de tours d’une bobine double et si la bobine tourne deux fois plus vite, le courant induit sera quatre fois plus grand (en supposant la même résistance).

À quoi sert l’électromagnétisme?

La découverte de l’électromagnétisme et de ses lois a permis le développement de la civilisation moderne. Voici des exemples des utilisations de l’électromagnétisme.

Moteur électrique

Les moteurs électriques fonctionnent grâce à l’interaction magnétique entre les électroaimants. La direction du courant à travers l’électroaimant est choisie de telle sorte que les électroaimants repoussent l’aimant permanent dans le rotor. La force répulsive déplace le rotor. L’électroaimant s’éteint.

Générateurs

Un générateur est un appareil qui transforme l’énergie en mouvement en énergie électrique. Dans un générateur, une bobine et un champ magnétique se déplacent l’un par rapport à l’autre. Ce mouvement produit ou génère de l’électricité dans la bobine.

Installations électriques

Les centrales électriques fonctionnent de la manière suivante:

Les bobines de fils se déplacent dans un champ magnétique et, par conséquent, un courant électrique est produit. À partir de là, commencent les câbles qui sont distribués par les communautés, où l’électricité est utilisée pour le fonctionnement des équipements électriques.

Certaines usines utilisent des combustibles fossiles ou de l’énergie nucléaire pour générer de la vapeur d’eau, ce qui provoque le mouvement des bobines. D’autres usines utilisent le vent ou l’eau en mouvement (centrales hydroélectriques) pour entraîner des turbines.

Applications de l’électromagnétisme

Orientation animale

abeilles d'orientation électromagnétismeL’abeille Apis mellifera possède des cellules spécialisées qui détectent le champ magnétique terrestre.

Le champ magnétique terrestre exerce une force sur ses habitants. Certains animaux détectent la direction et l’intensité du champ magnétique terrestre, permettant l’orientation et la navigation à tout moment de la journée.

La magnétite est un minéral de formule Fe3O4 qui conserve un champ magnétique permanent, interagissant avec le champ magnétique terrestre. Les abeilles productrices de miel ont des cellules spécialisées où se trouvent des microcristaux de magnétite. Des organes contenant de la magnétite ont également été trouvés chez d’autres animaux: oiseaux, reptiles et poissons.

Imagerie par résonance magnétique

L’imagerie par résonance magnétique est une technologie essentielle de la médecine moderne. Il est basé sur le comportement des noyaux d’hydrogène dans l’eau corporelle lorsqu’ils sont exposés à un champ magnétique très puissant.

Un appareil IRM a un champ magnétique puissant de 3 tesla (100 000 fois plus fort que le champ magnétique terrestre). Un champ magnétique de cette intensité n’a aucun effet appréciable sur notre corps. Cependant, ce champ est suffisamment puissant pour attirer les objets métalliques ferromagnétiques. C’est pourquoi lors de ce type d’analyse, tous les objets métalliques que la personne porte doivent être retirés.

Le maglev: des trains qui lévitent

Les trains maglev ou à lévitation magnétique ne se déplacent pas sur des roues ou des rails. Au lieu de cela, ils sont maintenus en «lévitation» sur la piste grâce à de puissants électroaimants. Ceux-ci sont construits à l’aide de supraconducteurs, des matériaux qui n’offrent pas de résistance électrique à la conduction des charges électriques.

Parce qu’il n’y a pas de friction entre le train et la chaussée, les maglevs peuvent atteindre des vitesses allant jusqu’à 600 km / h. Ces super-aimants sont rendus possibles par des supraconducteurs.

Exemples de phénomènes électromagnétiques

La Terre a un champ magnétique qui ressemble à un aimant en forme de barre à l’intérieur, et est causé par des courants électriques internes. Des boussoles magnétiques sont utilisées pour l’orientation puisque l’aiguille est orientée dans la direction du nord géographique du globe.

Aurores boréales et méridionales

électromagnétisme des aurores boréalesLes aurores boréales se produisent dans l’hémisphère nord.

Le champ magnétique terrestre nous protège des particules chargées à haute énergie de l’espace extra-atmosphérique, en particulier du Soleil, qui sont détournées vers les régions polaires. Certains en atteignant l’atmosphère excitent les atomes et les molécules des gaz dans l’air. Lorsque les électrons excités reviennent à leur niveau électronique basal, ils émettent une lumière caractéristique donnant naissance aux aurores boréales (hémisphère nord) et sud (hémisphère sud).

Supraconducteurs

Les scientifiques et les ingénieurs ont découvert que certains matériaux à très basse température (autour de -200 ° C) n’offraient aucune résistance au flux d’électricité. Ce sont les matériaux dits supraconducteurs. Actuellement, ils recherchent des supraconducteurs fonctionnant à température ambiante, ce qui révolutionnerait le monde électrique.

Concepts fondamentaux de l’électromagnétisme

Afin d’aborder le sujet de l’électromagnétisme, nous devons clarifier certains concepts sur le champ électrique et magnétique.

Champ électrique

La charge électrique est une propriété fondamentale des particules qui composent la matière et qui sont à l’origine du champ électrique. La charge sur l’électron est de -1602 x 10-19 Coulomb et a été déterminée pour la première fois par le physicien Robert Milikan (1868-1953) en 1909.

La charge électrique d’un corps (Q) est le résultat des charges de toutes les particules qui le forment. Si cette particule de charge Q est en un certain point de l’espace et qu’une autre particule de charge q est placée en un autre point de l’espace, le premier corps exercera une force distante sur le second corps. On peut dire que le corps de charge Q crée autour de lui un champ de force qui est “ressenti” par d’autres corps. Ce champ s’appelle le champ électrique .

Le champ électrique est une grandeur vectorielle qui est désignée par:

E gras avec flèche droite en gras au-dessus

dont les unités sont le volt par mètre (V / m) ou le newton par coulomb (N / C).

Lignes de champ électrique

Ce sont des lignes imaginaires qui servent à représenter le champ électrique, nous donnant une idée de son intensité et de son orientation. Nous pouvons les visualiser à travers l’expérience suivante:

L’huile et deux électrodes sont placées dans un récipient. De la poudre de savon est saupoudrée sur l’huile et un courant est passé. La poudre de savon s’alignera le long des lignes de champ électrique.

Caractéristiques des lignes électriques

  • Lignes imaginaires qui partent des charges positives et pointent vers les charges négatives.
  • Ils ne se croisent jamais.
  • Le vecteur de champ électrique E en chaque point de l’espace est tangent à la ligne de champ qui passe par ce point et a le sens de cette ligne.
  • L’intensité du champ électrique E sera d’autant plus grande que l’intensité des lignes de champ sera grande.

Champ électrique uniforme

C’est un type de champ électrique où le vecteur E est égal en intensité, direction et sens en tous les points d’une région donnée. Les lignes de champ sont des lignes parallèles et équidistantes.

Les champs électriques uniformes sont à la base de la technologie utilisée dans les imprimantes et les copieurs, les écrans tactiles et les condensateurs.

Voir également Champ électrique.

Champ magnétique

Tout comme les charges électriques créent un champ électrique, les aimants créent également un champ magnétique autour d’eux. Le changement d’espace produit par l’aimant qui amène la limaille de fer à se déposer dans un motif caractéristique est appelé le champ magnétique .

Le champ magnétique produit par l’aimant se manifeste par les forces magnétiques exercées sur les matériaux (cobalt ou fer) dont sont constitués les limailles. Les limailles sont concentrées aux pôles où les forces magnétiques sont les plus fortes.

L’amplitude du champ magnétique diminue lorsqu’on s’éloigne du matériau qui le produit, que ce soit un aimant ou un matériau ferromagnétique magnétisé. Les aimants peuvent être de divers matériaux, de différentes formes et tailles, toujours avec un pôle nord et un pôle sud.

Les propriétés magnétiques des matériaux ont leur origine dans la structure électronique. Cependant, seuls certains matériaux dits ferromagnétiques présentent un champ magnétique macroscopique (fer et ses alliages, nickel, cobalt).

Le champ magnétique est une grandeur vectorielle symbolisée par:

B gras avec flèche droite en gras au-dessus

Cette grandeur est définie pour chaque point de l’espace sous l’influence d’un ou plusieurs aimants. L’unité SI est le tesla (T) en hommage à l’inventeur Nikola Tesla (1856-1943). Par exemple, le champ magnétique terrestre est de 25 à 65 micro teslas à la surface, alors que les bracelets magnétiques génèrent à peine un champ de 0,20 micro teslas.

Spectre magnétique et lignes de champ magnétique

Autour d’un aimant, les limailles de fer sont alignées selon la direction du champ magnétique, dessinant le spectre magnétique . Les régions de l’aimant où les lignes de champ se rencontrent sont appelées pôles magnétiques .

Les lignes de champ magnétique sont orientées du pôle nord au pôle sud à l’extérieur de l’aimant et du pôle sud au pôle nord à l’intérieur de l’aimant, formant des lignes fermées. À chaque point, le vecteur B est tangent à la ligne de champ qui passe par ce point et a le sens de cette ligne, étant plus intense là où les lignes sont concentrées.

Caractéristiques des lignes de champ magnétique

  • Des lignes imaginaires fermées qui ne se croisent jamais.
  • Le vecteur de champ magnétique B , en chaque point de l’espace, est tangent à la ligne du champ qui passe par ce point dans la même direction.
  • L’intensité du champ magnétique B est plus grande lorsque la densité des lignes est plus grande.

Expériences Oersted

Bien que l’on ait initialement cru que l’électricité et le magnétisme étaient des phénomènes différents, on a vite découvert que les deux étaient en fait une seule force.

En 1820, alors qu’il expérimentait l’électricité et le magnétisme, le physicien et professeur danois Hans Christian Oersted (1777-1851) remarqua le changement d’orientation d’une boussole proche d’un fil traversé par un courant électrique. Oersted a ainsi montré que le courant électrique dans un conducteur produit un champ magnétique autour de lui.

Loi sur l’électromagnétisme

Grâce aux expériences menées par André-Marie Ampère (1775-1836), ils l’ont amené à établir que

Jalons historiques de l’électromagnétisme

600 avant JC.

Dans une région de la Turquie, appelée Magnesia, une mine de pierre ayant la capacité d’attirer des objets métalliques est découverte.

800 après J.-C.

Compas construits avec des matériaux magnétiques en Chine.

1600

William Gilbert (1540-1603) a écrit un traité sur le magnétisme. Il a proposé que la Terre était un grand aimant.

1820

Hans Christian Oersted (1777-1851) découvre qu’un courant électrique a généré un changement d’orientation d’une boussole qui se trouvait à proximité.

1821

André-Marie Ampère (1775-1836) a jeté les bases de la théorie électrodynamique.

1831

Michael Faraday (1791-1867) découvre les principes de l’induction électromagnétique.

1873

James Clerk Maxwell (1831-1879) établit les fondements mathématiques de la théorie électromagnétique.

1885

Heinrich Hertz (1857-1894) détecte les ondes électromagnétiques. En son honneur, “hertz” est utilisé comme mesure de la fréquence des ondes en cycles par seconde.

 

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