Espace dans lequel une aiguille aimantée est soumise à des forces.

Généralités

Le concept de champ magnétique est utilisé en électromagnétisme pour rendre compte de certaines interactions s’exerçant entre particules chargées en mouvement. Ces interactions se manifestent par des forces qui apparaissent entre conducteurs parcourus par des courants électriques ou bien entre courants et matière, ou bien encore entre éléments de matière.

On représente le champ magnétique par un vecteur, et l’on définit en chaque point où il existe un vecteur induction, Dans le vide, μ₀ étant la perméabilité du vide, égale à 4π . 10⁻⁷ dans le système d’unités M. K. S. A. et à 1 dans le système C. G. S.

L’induction magnétique produite par des courants dans le vide est définie par la loi de Biot et Savart : un élément de circuit de longueur dl, parcouru par un courant d’intensité I, crée en un point à la distance r une induction dB donnée en grandeur et direction par

le vecteur dl est orienté suivant le sens du courant ; l’origine du vecteur r est sur l’élément de courant. On peut définir au moyen d’une expression du même type l’induction magnétique créée dans le vide par la matière aimantée, à condition d’assimiler celle-ci à des répartitions de courants équivalents.

On caractérise en pratique un champ magnétique par son intensité maximale, son volume, son homogénéité et sa stabilité dans le temps. L’intensité du champ magnétique est mesurée en ampèretours par mètre (At/m) dans le système M. K. S. A. et, plus communément, en œrsteds (Oe) dans le système C. G. S. ; 1 At/m correspond à 4π . 10⁻³ Oe. On sait réaliser des champs depuis le millionième d’œrsted, après compensation du champ terrestre, jusqu’à quelques dizaines de millions d’œrsteds. Le volume peut varier entre quelques centimètres cubes, dans la plupart des expériences, et plusieurs mètres cubes, dans certaines chambres à bulles de physique nucléaire. Une très bonne homogénéité spatiale correspond à une variation relative du champ de l’ordre de 10⁻⁷ dans une sphère de 1 cm de diamètre, et une très bonne stabilité dans le temps peut être réalisée avec une précision de 10⁻⁷ pendant plusieurs heures.

Les champs magnétiques continus d’amplitude moyenne

Avec la matière aimantée seule, on produit dans les aimants des champs de l’ordre de 1 000 à 5 000 Oe. Avec un courant électrique seul, on peut réaliser dans les solénoïdes des champs du même ordre de grandeur sans conditions particulières. La combinaison de bobines et de matière à forte aimantation, comme le fer, permet de créer dans les entrefers des électro-aimants des champs atteignant jusqu’à 30 000 Oe.

Les champs magnétiques continus intenses au moyen de bobines en conducteur de cuivre refroidi à l’eau

Les champs supérieurs à 30 000 Oe sont obtenus par la circulation de courants très forts dans les solénoïdes.

Les bobines à répartition uniforme de la densité de courant sont constituées de fils ou de rubans de cuivre. Les densités de courant sont de l’ordre de 100 A/mm² ; elles produisent des champs continus de l’ordre de 90 000 Oe dans un diamètre utile de 5 cm, avec une puissance électrique de l’ordre de 2 000 kW. Il est nécessaire de refroidir énergiquement le conducteur au moyen d’un courant d’eau préalablement traitée pour augmenter sa résistivité et dont le débit est de l’ordre de 100 m³/h.

Les bobines en cuivre donnant actuellement les meilleures performances ont été inventées par Bitter en 1936 ; ce sont des solénoïdes dont chaque spire est un disque fendu, isolé sur une face à l’exception d’un secteur par lequel s’effectue la mise en série ; les disques sont percés de trous qui définissent par empilement les canaux de circulation de l’eau. La densité de courant varie de façon inversement proportionnelle à la distance à l’axe. Ces bobines produisent des champs continus de 160 000 Oe dans un diamètre utile de 5 cm, avec une puissance électrique de 5 000 kW et un débit d’eau de refroidissement d’environ 300 m³/h. La limitation dans le fonctionnement de telles bobines est imposée par les efforts électrodynamiques.

On note que la création de champs continus intenses nécessite des puissances considérables ; pour réduire l’importance de celles-ci, on a cherché à mettre au point des bobines, dites « cryogéniques », dans lesquelles la résistivité du conducteur est diminuée en refroidissant celui-ci au moyen d’un gaz liquéfié.

Les champs magnétiques continus au moyen de bobines supraconductrices

Vers les années 1960 ont été mis au point des matériaux supraconducteurs à fort champ critique. Dans l’hélium liquide, l’alliage Nb₃Sn est supraconducteur jusqu’à un champ de 220 000 Oe ; le champ critique de V₃Ga est estimé vers 450 000 Oe ; il en est de même pour un alliage niobium-aluminium-germanium, pour lequel, en outre, la température critique se situe vers 20 K. Ces matériaux supportent des densités de courants de l’ordre de 1 000 A/mm². On réalise ainsi des solénoïdes en fil fin fonctionnant à 4,2 K et donnant des champs de 100 000 Oe, avec une puissance de quelques kilowatts. De tels champs sont très stables dans le temps. Ces matériaux sont particulièrement bien adaptés à la réalisation de bobines de grand volume, donnant des champs de 30 000 à 60 000 Oe, utilisées dans les chambres à bulles modernes ou bien placées à la périphérie des bobines de Bitter pour fournir un appoint de champ.