Un champ magnétique est l'espace invisible autour d'un aimant ou d'un fil électrique à l'intérieur duquel les forces magnétiques peuvent s'exercer sur d'autres aimants ou sur des substances ferromagnétiques.
Les forces magnétiques, attraction ou répulsion, entre les aimants sont capables d'agir à distance. Elles le font par l'intermédiaire d'un champ magnétique, généré par tous les objets aimantés.
On peut représenter un champ magnétique à l'aide de lignes de champ magnétique, aussi nommées lignes de force. Ces lignes sont orientées dans l'espace et leur espacement révèle l'intensité du champ magnétique. La limaille de fer permet de visualiser les lignes de champ: plus les lignes sont rapprochées, plus le champ magnétique est fort. Toutefois, la limaille de fer ne permet pas de connaître l'orientation des lignes de champ. Pour ce faire, il faut disposer d'une boussole que l'on place à différents endroits autour de l'aimant. Son aiguille s'oriente alors dans le sens et la direction des lignes de champ. Ainsi, l'extrémité nord de l'aiguille de la boussole pointe vers le pôle sud de l'aimant.
Les lignes de champ magnétique sont toujours orientées du pôle nord magnétique vers le pôle sud magnétique. L'extrémité nord de la boussole, représentée par la pointe noire de la flèche, est toujours orientée vers le pôle sud de l'aimant.
Selon la forme d'un aimant, la forme du champ magnétique sera différente. De plus, le champ magnétique nous permet d'expliquer les phénomènes d'attraction et de répulsion entre les pôles de différents aimants.
Les schémas suivants représentent le champ magnétique autour d’un aimant droit. Sur l’image de droite, on a placé de la limaille de fer qui nous permet de visualiser le champ magnétique existant autour de l'aimant. Sur le dessin de gauche, on a représenté le champ magnétique à l'aide de lignes de champ, aussi nommées lignes de force. Leur espacement révèle l'intensité relative du champ magnétique : plus un objet est rapproché de l'aimant, plus le champ magnétique est fort. De plus, ce sont des lignes qui s'orientent toujours du pôle nord vers le pôle sud. Elles ne se touchent jamais, bien qu'elles puissent parfois être rapprochées les unes des autres.
Même si on ne peut en voir l’orientation, il est intéressant de remarquer comment la forme des lignes de champ magnétique se compare d’un dessin à l’autre : les limailles de fer s'orientent dans la même direction que les lignes imaginaires du champ magnétique.
Les lignes de champ partent toujours du pôle nord magnétique et se rendent au pôle sud magnétique. Le schéma suivant représente le même aimant que les schémas précédents, mais quelques boussoles ont été insérées. Les boussoles sont toujours orientées de la même façon que la ligne de champ magnétique la plus proche et elles pointent vers le pôle sud de l'aimant.
Le schéma suivant représente les lignes de champ magnétique autour d'un aimant en U. Les lignes de champ magnétique partent toujours du pôle nord magnétique en direction du pole sud magnétique.
Il existe deux formes de champ magnétique lorsqu’on approche deux aimants l'un de l’autre. La forme du champ magnétique sera différente si les pôles qui sont rapprochés sont identiques ou différents.
Lorsque deux pôles différents se rencontrent, on observe que le champ magnétique d'un aimant est attiré par celui de l'autre aimant. Ainsi, les lignes de champ qui émergent du pôle nord d'un aimant sont attirées par le pôle sud de l'autre aimant. C'est ce qui explique le phénomène d'attraction entre les pôles différents de deux aimants. Le champ magnétique illustré ci-dessous ressemble à celui du champ d'un seul aimant.
La forme des deux champs magnétiques est identique si on étudie deux pôles nord ou deux pôles sud. Cependant, l’orientation des lignes de champ est différente. Les lignes de champ d'un aimant ne sont pas attirées par le pôle de l'autre aimant. Au contraire, elles se repoussent, ce qui permet d'expliquer le phénomène de répulsion entre les pôles identiques. Les lignes de champ forment alors une croix caractéristique au centre des champs magnétiques.
La théorie des domaines magnétiques
Dans un matériel donné, il existe de minuscules régions où les électrons sont alignés: on appelle ces régions domaines magnétiques. Un seul domaine magnétique peut contenir plusieurs millions d’électrons. Cependant, cela ne veut pas dire que tous les domaines magnétiques sont toujours orientés de la même façon dans un même objet.
L’image suivante montre les domaines magnétiques d’un objet ordinaire à gauche et les domaines magnétiques d’un aimant à droite.
Objet ordinaire
Aimant
Comme on peut le remarquer, les domaines magnétiques de l’objet ordinaire ne sont pas alignés. Par conséquent, les « mini-aimants » que forment les domaines magnétiques s’annulent mutuellement. On ne peut donc pas observer de champ magnétique autour de cet objet.
Par contre, les domaines magnétiques de l’aimant sont tous alignés dans la même direction et ensemble, ils forment un aimant assez puissant pour que l’on puisse observer un champ magnétique autour de l’objet.