Qu’importe la direction du champ magnétique de la figure 9, un échantillon de cuivre est attiré magnétiquement vers la région de faible champ à droite dans le dessin. Ce comportement est appelé diamagnétisme. Un échantillon d’aluminium, par contre, est attiré vers la région à champ élevé dans un effet appelé paramagnétisme. Un moment dipolaire magnétique est induit lorsque la matière est soumise à un champ externe. Pour le cuivre, le moment dipolaire induit est opposé à la direction du champ externe ; pour l’aluminium, il est aligné avec ce champ. L’aimantation M d’un petit volume de matière est la somme (une somme vectorielle) des moments dipolaires magnétiques dans le petit volume divisé par ce volume. M est mesurée en unités d’ampères par mètre. Le degré d’aimantation induite est donné par la susceptibilité magnétique du matériau χm, qui est communément définie par l’équation

Le champ H est appelé intensité magnétique et, comme M, est mesuré en unités d’ampères par mètre. (On l’appelle parfois aussi le champ magnétique, mais le symbole H est sans ambiguïté). La définition de H est

Les effets de magnétisation dans la matière sont discutés en détail ci-dessous. La perméabilité μ est souvent utilisée pour les matériaux ferromagnétiques tels que le fer qui ont une grande susceptibilité magnétique dépendant du champ et de l’état magnétique précédent de l’échantillon ; la perméabilité est définie par l’équation B = μH. Des équations (8) et (9), il s’ensuit que μ = μ0 (1 + χm).

L’effet des matériaux ferromagnétiques dans l’augmentation du champ magnétique produit par les boucles de courant est assez important. La figure 10 illustre un enroulement toroïdal de fil conducteur autour d’un anneau de fer qui présente un petit espace. Le champ magnétique à l’intérieur d’un enroulement toroïdal similaire à celui illustré à la figure 10 mais sans l’anneau de fer est donné par B = μ0Ni/2πr, où r est la distance par rapport à l’axe du tore, N est le nombre de spires et i est le courant dans le fil. La valeur de B pour r = 0,1 mètre, N = 100 et i = 10 ampères n’est que de 0,002 tesla, soit environ 50 fois le champ magnétique à la surface de la Terre. Si le même tore est enroulé autour d’un anneau de fer sans entrefer, le champ magnétique à l’intérieur du fer est plus important d’un facteur égal à μ/μ0, où μ est la perméabilité magnétique du fer. Pour un fer à faible teneur en carbone dans ces conditions, μ = 8 000μ0. Le champ magnétique dans le fer est alors de 1,6 tesla. Dans un électroaimant typique, le fer est utilisé pour augmenter le champ dans une petite région, comme l’espace étroit dans l’anneau de fer illustré à la figure 10. Si l’espace a une largeur de 1 cm, le champ dans cet espace est d’environ 0,12 tesla, soit 60 fois plus que le champ de 0,002 tesla dans le tore lorsqu’aucun fer n’est utilisé. Ce facteur est généralement donné par le rapport entre la circonférence du tore et l’entrefer dans le matériau ferromagnétique. La valeur maximale de B lorsque l’entrefer devient très petit est bien sûr le 1,6 tesla obtenu ci-dessus lorsqu’il n’y a pas d’entrefer.

La densité d’énergie dans un champ magnétique est donnée en l’absence de matière par 1/2B2/μ0 ; elle est mesurée en unités de joules par mètre cube. L’énergie magnétique totale peut être obtenue en intégrant la densité d’énergie sur tout l’espace. La direction de la force magnétique peut être déduite dans de nombreuses situations en étudiant la distribution des lignes de champ magnétique ; le mouvement est favorisé dans la direction qui tend à diminuer le volume de l’espace où le champ magnétique est fort. Ceci peut être compris car la magnitude de B est au carré de la densité d’énergie. La figure 11 montre quelques lignes du champ B pour deux boucles de courant circulaires avec des courants de sens opposés.

Parce que la figure 11 est une représentation bidimensionnelle d’un champ tridimensionnel, l’espacement entre les lignes ne reflète que qualitativement l’intensité du champ. Les valeurs élevées de B entre les deux boucles de la figure montrent qu’il existe une grande densité d’énergie dans cette région et que la séparation des boucles réduirait cette énergie. Comme nous l’avons vu plus haut, il s’agit d’une autre façon d’envisager la source de répulsion entre ces deux boucles. La figure 12 montre le champ B pour deux boucles dont les courants sont dans la même direction. La force entre les boucles est attractive, et la distance qui les sépare est égale au rayon de la boucle. Le résultat est que le champ B dans la région centrale entre les deux boucles est homogène à un degré remarquablement élevé. Une telle configuration s’appelle une bobine de Helmholtz. En orientant et en ajustant soigneusement le courant dans une grande bobine de Helmholtz, il est souvent possible d’annuler un champ magnétique externe (comme le champ magnétique terrestre) dans une région de l’espace où les expériences nécessitent l’absence de tout champ magnétique externe.

Frank Neville H. RobinsonEustace E. SucklingEdwin Kashy.