La force la plus connue est la force de gravitation. Elle attire entre eux tous les corps pourvu qu'ils aient une masse. C'est la gravité qui nous maintient à la surface de la Terre. C'est la gravité qui maintient les planètes en rotation autour du Soleil. C'est aussi la gravité qui permet la cohésion des astres tels que les planètes, les étoiles, les amas d'étoiles, les galaxies etc... La gravité est une force qui s'exerce sur de très grandes distances.
Les forces les moins connues, car on ne les rencontre pas de façon évidente dans notre vie quotidienne, sont les forces nucléaires. Il en existe deux types, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. Les forces nucléaires sont à l'origine de la cohésion des noyaux atomiques. Elles sont très puissantes, mais ont un rayon d'action très court, typiquement de la taille des noyaux atomiques.
L'autre force élémentaire connue est la force électromagnétique. Cette force possède deux facettes. Une de ces facettes est la force électrique, l'autre est la force magnétique. Elles sont indissociables l'une de l'autre, bien qu'apparement assez différentes. Les forces électromagnétiques sont responsables de la plupart des phénomènes de notre vie quotidienne, à part ce qui est lié à l'attraction terrestre. Ce sont les forces électromagnétiques qui sont responsables de la cohésion entre un noyau d'atome et son cortège d'électrons. Elles sont aussi à l'origine des forces de liaison entre les atomes, que ce soient de liaisons chimiques pour constituer des molécules, ou des liaisons (plus faibles) qui assurent la cohésion des cristaux, des objets solides, c'est elles qui font que les liquides ne s'évaporent pas quand ils sont assez froids. Ce sont aussi les forces électriques qui sont à l'origine des forces de frottement entre des solides. Les forces électromagnétiques sont aussi à l'origine de la lumière, des ondes radio etc. Ces forces régissent le comportement de tous les appareils électriques.
La gravitation, les forces nucléaires forte et faible, et la force électro-magnétique, sont les seules forces élémentaires connues à ce jour. Toutes les forces rencontrées dans la nature peuvent s'expliquer comme des combinaisons de ces quatre forces élémentaires.
Une véritable révolution conceptuelle se fit lorsque l'on compris que certaines caractéristiques de la nature n'étaient pas attachées aux objets matériels mais étaient définies en tout point de l'espace. Cette révolution se fit d'ailleurs assez tard, bien après que Newton découvrit les lois de la gravité.
On appela "champ" ces propriétés de la nature définies en tout point de l'espace.
En général, en chaque point de l'espace, un champ associe un nombre, ou un vecteur, mais il existe d'autres champs plus compliqués (des champs de matrices ou tenseurs ...). Les champs de gravitation, et les champs électriques et magnétique sont des champs de vecteurs.
Actuellement, on peut dire que les forces qui s'éxercent sur un objet, qu'elles soient des forces de gravitation, nucléaires, ou électromagnétiques, résultent de l'interaction d'un objet avec un champ.
Ainsi, les forces de gravitation sont caractérsiées par un champ de gravitation : la force de gravitation subie par un corp de masse M est le produit de cette masse par le champ de gravité. Les forces électromagnétiques sont caractérisées par un champ électrique et par un champ magnétique.
Un champ peut varier en fonction du temps. Les champs de gravitation varient en général assez lentement, car les mouvement des astres sont lents. Certains champs magnétiques varient très lentement, comme le champ magnétique associé à la Terre, qui varie à l'echelle de plusieurs milliers d'années. D'autres champs varient très vite comme les champs électriques et magnétiques associés aux ondes radio ou lumineuses.
Les aimants que l'on trouve dans le commerce sont fabriqués à partir de métaux, initialement non magnétisés, que l'on a mis dans un champ magnétique élevé. En effet, certains métaux, comme le fer, deviennent des aimants si on les soumet à un champ magnétique intense.
Charge électrique
Une particule élementaire chargée (un électron, un proton pour citer les plus commun), ou
un atome ionisé ou une molécule ionisée vont subir une force engendrée par le champ magnétique.
Par exemple, si le champ magnétique est uniforme (c'est à dire qu'il a partout la même valeur), alors, la particule, au lieu d'aller en ligne droite, va parcourir une hélice (c'est à dire en trajectoire en forme de ressort de lit).
Si la particule se promène dans un endroit où règnent un champ magnétique plus un champ électrique, la trajectoire sera un peu plus compliquée. Si le champ magnétique varie d'un point à un autre, la trajectoire peut devenir très complexe.
Conducteur électrique en mouvement Lorsqu'on remue un objet conducteur d'électricité (un fil électrique, ou une soupière en argent...) dans un champ magnétique, on crée un champ électrique. Par exemple, un avion (métalique, conducteur) volant du Nord au Sud se déplace dans le champ magnétique (faible) de la Terre. Entre chaque aile, il y a une tension électrique de quelques volts, de l'ordre de ce que fournirait une pile électrique ordinaire.
Objet magnétisé Lorsqu'un objet magnétisé (un aimant par exemple) se trouve dans un champ magnétique, celui-ci subit une force qui tend à le faire bouger : il s'oriente d'une façon particuliére. C'est ainsi que les aiguilles des boussoles, lorsqu'elles subissent l'influence du champ magnétique de la Terre, s'orientent toutes dans la direction Nord-Sud. Si on met les boussoles au voisinage d'une autre source de champ magnétique (un électroaimant, un circuit électrique, une autre boussole...), alors, leurs aiguilles s'orientent différement.
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Voici une représentation d'un champ magnetique dipolaire, à l'aide de flèches. Ce genre de champ magnétique peut être créé par un aimant en forme de barreau. Le champ magnétique de la Terre est bien représenté par le champ dipolaire. Ici, chaque flèche a la direction du champ magnétique. Plus la flèche est longue, plus le champ magnétique est fort. |
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Voici une représentation du même champ magnetique dipolaire que ci-dessus, à l'aide de lignes de champ. |
Propriétés des lignes de champ Les lignes de champs ne se croisent pas. Lorsque les lignes de champ se rapprochent les unes des autres, alors, le champ magnétique est plus fort. L'aiguille d'une boussole s'aligne avec les lignes de champ magnétique. La direction de l'aiguille d'une boussole nous indique donc la direction de la ligne de champ, c'est à dire la direction du champ magnétique. Des particules chargées (des électrons, des protons, des ions...) soumises seulement à la force magnétique ont un mouvement, qui en première approximation est un mouvement d'enroulement autour des lignes de champ magnétique.
Intérêt des lignes de champ Pour se représenter mentalement un champ magnétique, on représente souvent les lignes de champ. C'est assez facile à lire, dès qu'on en a un peu l'habitude. Les lignes de champ nous donnent immédiatement la direction des vecteurs champ magnétique. Là où les lignes se resserent, on sait que le champ magnétique est plus fort. On sait aussi que les particules chargées vont se promener préferentiellement le long de ces lignes, ce qui est important pour les gens qui étudient la physique spatiale.
Certains magnétomètres se fondent sur la déviation d'une aiguille aimantée, attachée à un petit ressort. Ces appareil sont très précis, mais comme tous les apprareils en mécanique de précision, ils sont fragiles et difficiles à transporter. Ces appareils sont adaptés à la mesure de champs magnétiques dont la variation temporelle est lente (le champ magnétique terrestre par exemple).
Des magnétomètres sans pièces mobiles existent. Ils sont basés sur les propriétés des bobinages de fils électrique.
On a vu que si on fait passer un courant dans une bobine de fil électrique, on fabrique un champ électrique ; c'est le principe de l'électroaimant. Plus précisément, pour faire passer un courant, on a appliqué aux deux bornes de la bobine une tension électrique, cette tension a établi un courant, qui a causé la variation du champ magnétique (voir la petite expérience, mentionnée plus haut). Une fois que le courant circule dans la bobine, la tension devient à peu près nulle, et le champ magnétique créé par la bobine ne varie plus.
Cet effet fonctionne aussi dans l'autre sens : si on fait varier un champ magnétique à travers une bobine, celui-ci crée une tension électrique aux bornes de la bobine. En mesurant cette tension avec un voltmètre, on en déduit la variation du champ magnétique. C'est ce principe que l'on utilise pour mesurer les champs magnétiques. C'est le principe des magnétomètres à induction.
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Un magnétomètre concu par le CETP, installé à bord de la sonde Cassini actuellement en route vers Saturne. |
La conception de ce genre d'instruments, adaptés aux mesures faites à bord de satellites spatiaux est une des spécialités technologiques de notre laboratoire, le CETP.
Pour en savoir plus : les magnétomètres concus par le CETP.
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