Approche un aimant d'une boussole : l'aiguille pivote. Il n'y a aucun contact — pourtant une force agit. C'est le champ magnétique en action. Tout aimant (ou courant électrique) crée autour de lui un champ magnétique qui peut exercer des forces sur d'autres aimants ou sur des conducteurs parcourus par un courant.
Le champ magnétique B→ est un vecteur qui décrit l'influence magnétique d'une source (aimant ou courant électrique) en tout point de l'espace. Son unité est le Tesla (T). Il est représenté par des lignes de champ qui vont du pôle Nord vers le pôle Sud à l'extérieur de l'aimant.
Quelques ordres de grandeur pour se repérer :
| Source | B typique |
|---|---|
| Champ magnétique terrestre | ≈ 50 µT (50×10⁻⁶ T) |
| Aimant de réfrigérateur | ≈ 10 mT |
| IRM médicale | 1 à 3 T |
| Aimant de laboratoire | 0,1 à 2 T |
Quand un fil conducteur parcouru par un courant I est plongé dans un champ magnétique B, il subit une force. C'est la force de Laplace.
Cas particulier le plus courant en exercice : le fil est perpendiculaire au champ (θ = 90°, sin 90° = 1) :
La formule donne la norme de la force. Sa direction est perpendiculaire à la fois au fil et au champ — ce qui n'est pas évident. On utilise la règle de la main droite.
Règle des 3 doigts de la main droite :
— Pouce → sens du courant I
— Index → sens du champ B→
— Majeur (perpendiculaire aux deux) → sens de la force F→
Mémoriser : I — B — F dans l'ordre des doigts.
Inverser le sens du courant inverse le sens de la force. Inverser le sens du champ aussi. C'est le principe du moteur électrique : en alternant le sens du courant à chaque demi-tour, la force change de sens et entretient la rotation. Si on applique la règle dans le mauvais sens (main gauche, ou doigts dans le mauvais ordre), la direction de F sera fausse — c'est l'erreur la plus courante.
Un cadre conducteur parcouru par un courant, placé dans un champ magnétique permanent, subit des forces de Laplace sur ses côtés. Ces forces créent un couple de rotation : c'est le principe de base de tout moteur électrique — de la trottinette au TGV.
Une bobine fixée à une membrane est placée dans le champ d'un aimant permanent. Le courant audio (variable) crée une force variable → la bobine oscille → la membrane vibre → son.
L'aiguille aimantée s'aligne sur le champ magnétique terrestre. Le pôle Nord géographique correspond en réalité au pôle Sud magnétique de la Terre (les pôles opposés s'attirent !).
La force de Laplace est un cas particulier de la force de Lorentz : toute charge q en mouvement à vitesse v→ dans un champ B→ subit F→ = q · v→ × B→ (produit vectoriel). Cette force est perpendiculaire à la vitesse → elle courbe la trajectoire sans modifier la vitesse. C'est pourquoi les particules chargées décrivent des spirales dans les accélérateurs, et pourquoi les aurores boréales ont cette forme : les électrons solaires sont guidés le long des lignes de champ terrestre vers les pôles.