Le champ magnétique est un champ vectoriel qui se manifeste par une force agissant sur les charges en mouvement et les corps aimantés. En électrodynamique classique, sa mesure est l'induction magnétique B. Les sources du champ sont les courants électriques et les champs électriques variables (équations de Maxwell). Les lignes de force sont toujours fermées : aucun monopôle magnétique n'a été découvert dans la nature. Les matériaux réagissent différemment au champ : les paramagnétiques (aluminium) le renforcent faiblement, les diamagnétiques (eau) le repoussent, et les ferromagnétiques (fer) créent un champ propre considérable grâce à l'orientation parallèle des spins des électrons. Le champ magnétique terrestre (~50 μT) dévie le vent solaire vers les pôles, engendrant des aurores ; sans lui, l'atmosphère serait soufflée dans l'espace.
Histoire
William Gilbert publia en 1600 le premier traité scientifique sur les aimants, supposant que la Terre est un grand aimant. Hans Ørsted découvrit en 1820 l'action magnétique du courant. André-Marie Ampère construisit immédiatement une théorie mathématique. Michael Faraday introduisit le concept de lignes de force. James Maxwell dans les années 1860 créa la théorie classique complète du champ électromagnétique, prédisant la lumière comme une onde. Hendrik Lorentz formula plus tard la force agissant sur une charge dans un champ. Le magnétisme quantique naquit des travaux de Pauli (théorème du lien spin-statistique), Heisenberg (interaction d'échange) et Dirac (équation avec moment magnétique). Aujourd'hui, les recherches sur les champs magnétiques s'étendent de la cosmologie aux ordinateurs quantiques.
Comment ça marche
Le champ magnétique est engendré par les courants de conduction et les courants de déplacement : équation d'Ampère-Maxwell rot H = j + ∂D/∂t. La loi de Biot-Savart donne le champ d'un élément de courant. La force de Lorentz F = q(E + v × B) explique le mouvement des particules chargées dans le champ. Dans la matière, les moments magnétiques microscopiques (orbitaux et de spin) s'orientent, créant une aimantation M. L'ordre ferromagnétique est décrit par l'intégrale d'échange de Heisenberg ; les domaines sont séparés par des parois de Bloch. Le champ magnétique peut effectuer un travail, par exemple, faire tourner un cadre parcouru par un courant — principe des moteurs électriques. Dans un plasma, le champ est gelé dans la matière, ce qui conduit à l'effet dynamo dans le noyau liquide de la Terre et du Soleil. L'effet quantique d'Aharonov-Bohm montre que les potentiels du champ sont plus fondamentaux que les intensités. Les particules relativistes dans un champ magnétique émettent un rayonnement synchrotron, visible dans les radiogalaxies et les restes de supernovae.
En pratique
Les champs magnétiques font tourner les rotors des moteurs électriques, focalisent le faisceau dans les anciens téléviseurs, confinent le plasma incandescent dans les réacteurs et protègent la Terre du vent solaire néfaste.
Anecdote
Le champ magnétique d'une étoile à neutrons est des centaines de millions de fois plus fort que celui de la Terre — un tel champ vaporiserait un être humain au niveau atomique plus vite que l'influx nerveux n'atteint le cerveau.
Un tourbillon dans un disque magnétique se comporte généralement comme une grande toupie : pour qu'il ne bascule pas, il faut une plateforme spacieuse et un fort champ propre qui le ramène au centre. Mais que se passe-t-il si l'on réduit la plateforme à la taille d'un virus ? L'appui habituel disparaît et le tourbillon devrait se désagréger.
Le four à micro-ondes réchauffe les aliments, mais au laboratoire, les micro-ondes ont fait autre chose : elles ont transformé un supraconducteur en aimant permanent. Un film d'oxyde d'yttrium-baryum-cuivre de 300 nanomètres d'épaisseur, refroidi à 80 kelvins, a réagi à un rayonnement de 5 gigahertz.
Le Soleil respire, et cette respiration a un rythme magnétique. Tous les 27 jours, la surface visible de l'étoile effectue une rotation complète, entraînant avec elle son champ magnétique, telle une bande invisible qui enveloppe l'astre.
L'imagerie par résonance magnétique, c'est un gros aimant qui aligne les atomes d'hydrogène de votre corps, puis capte leur signal en retour. Ces appareils occupent généralement une pièce entière et coûtent aussi cher qu'une belle maison.
Le sculpteur façonne des montagnes avec des champs magnétiques et de la chaleur, mais la pierre résiste. Une étoile à neutrons — résidu superdense d'une explosion de supernova — dans un système binaire aspire de la matière de l'étoile voisine.
Le champ magnétique agit généralement comme un agent de circulation strict : pour que la chaleur se transforme en électricité, il doit se placer en travers de la route. Si le champ est aligné avec le flux de chaleur, l'effet disparaît – c'est ce que l'on croyait depuis des décennies.
Une toupie magnétique qui ne tombe pas. Une petite bille de grenat fer-yttrium flotte dans les airs, maintenue par des forces invisibles. Ce n'est pas un tour de magie, mais un piège de Paul magnétique — un champ magnétique alternatif qui change rapidement de direction et empêche la bille de tomber, comme un jongleur qui lance des balles en l'air.
Un supraconducteur expulse le champ magnétique comme une éponge expulse l'eau. Cet effet Meissner est connu depuis près d'un siècle, mais on le calcule généralement dans un monde plat, sans gravité. Dans le champ intense d'un trou noir ou à vitesse énorme, le tableau change.
Un morceau de métal de moins d'un millimètre, refroidi à moins 256 degrés Celsius, se comporte comme un kaléidoscope : dans un coin, les aiguilles magnétiques s'alignent en rangées régulières, tandis que dans le coin voisin, elles s'enroulent en hélice.
Le champ magnétique dans ce dispositif doit être aussi uniforme qu'une vitre : la moindre ondulation brouillerait le signal. Les ingénieurs ont assemblé deux bobines qui compensent mutuellement leur champ à l'extérieur, et les ont enveloppées dans trois couches de plaques ferromagnétiques.
Un aimant pesant quelques grains de sable flotte dans les airs sans aucun support. Il ne touche pas les parois, ne frotte sur aucun roulement — il reste suspendu dans un piège magnétique, comme une poussière dans un rayon de soleil.
Un éclair de rayons X traverse la matière en quelques milliardièmes de seconde. Pour le mémoriser, les physiciens font en sorte que les atomes absorbent brièvement cette lumière, puis la relâchent. Mais récupérer un photon sur commande, c'est comme essayer de sortir le bon livre d'une bibliothèque dont les étagères bougent toutes seules.
Un trou noir n'est pas un aspirateur. En soi, il n'attire pas tout plus fort qu'une étoile ordinaire de même masse. Mais si un champ magnétique se trouve à proximité et que des particules chargées volent autour, un jeu intéressant commence.
Un miroir magnétique est un tube ouvert aux deux extrémités. Le champ magnétique y est conçu pour empêcher le plasma chaud de s'échapper : il se resserre aux extrémités, comme un bouchon dans une bouteille. Les particules de plasma qui volent vers la sortie sont repoussées par ces « bouchons » et reviennent en arrière.
Un mince sandwich de deux matériaux différents. On y fait passer un courant électrique – et la couche supérieure s'aimante dans un sens, la couche inférieure dans le sens opposé. Ce n'est pas un tour de magie, mais l'effet Edelstein de couche (de l'anglais layer Edelstein effect), que des physiciens viennent de décrire.
Les ondes radio s'étouffent dans le sol après quelques mètres à peine. Mais le champ magnétique le transperce de part en part, comme un pont invisible. C'est sur ce pont que repose la communication dans les mines et les grottes.
La bobine de Tesla crépite, et un faisceau lumineux commence à tourner autour d'elle. Le milieu qu'il traverse est encore stable — mais le champ augmente, et la rotation s'intensifie. Ce n'est pas un tour de magie, mais le comportement de matériaux particuliers : ils couplent électricité et magnétisme.
Un ballon gonflable avec des lignes de champ magnétique dessinées au feutre : voilà un modèle simple du comportement d'un champ magnétique faible dans un univers en expansion. Tant que le ballon est petit, les lignes restent sagement sur le caoutchouc et ne gênent pas son étirement.
Une sphère de plomb est suspendue au-dessus d'une autre sphère de plomb. Selon les lois ordinaires de la gravitation, elles s'attirent exactement à la verticale — le long de la ligne joignant leurs centres.
Un supraconducteur ne fait généralement pas bon ménage avec un aimant : un champ intense détruit l'état dans lequel le courant circule sans résistance. Mais dans les couches minces de carbone, c'est différent.
Dans les immenses nuages de gaz ténu qui emplissent l'espace entre les étoiles, ça bouillonne en permanence. Explosions de supernovae, flux en collision : tout cela secoue le plasma. Et dans ces ondulations, comme on l'a découvert, se cache un mécanisme de naissance des champs magnétiques.
Lorsque les physiciens font circuler des électrons dans un canal ultrapur d'arséniure de gallium à des températures hélium, ils s'attendent à voir un liquide docile, presque parfait.
L'espace est parcouru de champs magnétiques. On en trouve autour des galaxies, des étoiles, et même dans les vides cosmiques (les immenses espaces vides entre les amas de galaxies). On considère généralement que ces champs sont amplifiés à partir de champs « germes » faibles grâce à la turbulence, un peu comme une dynamo.
Une fine pellicule magnétique ressemble à un rang de soldats de plomb munis de minuscules aiguilles aimantées. Dans un monde plat, les secousses thermiques ne tardent pas à rompre ce rang : le moindre échauffement détruit l'ordre. C'est ce qu'énonce l'interdiction de Mermin–Wagner : en deux dimensions, une symétrie continue ne survit pas à température finie.
Au plus profond de la Terre, le fer est chauffé à blanc, et la pression y est telle qu'un instrument ordinaire serait écrasé comme une crêpe. Pour explorer ce monde, des physiciens ont mis au point un microscope spécial basé sur de minuscules défauts dans le diamant (les centres NV).
Le champ magnétique terrestre ressemble à un bouclier invisible qui nous protège des radiations cosmiques. Mais si l'on observe son motif moyen sur une longue période, on remarque que ce bouclier n'est pas parfaitement lisse — il a ses propres « coutures » et « rapiéçages ».
La lumière d'un blazar lointain (un noyau actif de galaxie qui projette un jet dans notre direction) voyage vers nous pendant des milliards d'années. En chemin, elle génère des gerbes de particules chargées que le champ magnétique intergalactique dévie sur les côtés.
Dans un immense anneau d'aimants près de Chicago, les muons tournaient comme des patineurs sur une patinoire. Mais au lieu de la musique, un champ magnétique, et au lieu de la rotation, un léger balancement du spin. Ce balancement, les physiciens l'appellent le moment magnétique anormal.
Dans une petite boîte de Pétri, une goutte de liquide de la taille d'une tête d'épingle. Un scanner IRM classique ne la verrait même pas : le signal est trop faible. Mais si l'on approche un minuscule capteur de champ magnétique de la goutte, tout change.
Une tache solaire se refroidit, et au-dessus d'elle, un filament sombre — une protubérance — reste suspendu pendant des semaines. À l'intérieur, comme un ressort comprimé, se cache un champ magnétique. Il peut être disposé en arches régulières, ou tordu en un câble serré.
Les géantes rouges sont des étoiles vieillissantes qui ont gonflé. Dans leurs entrailles bouillonne un océan de plasma : la chaleur remonte du noyau vers la surface, engendrant des vagues semblables à un puissant ressac.
Un aimant de la taille d'un grain de riz flotte dans le vide, sans toucher les parois. Il est maintenu par le champ magnétique d'un piège supraconducteur — un anneau refroidi dans un état où le courant circule sans résistance.
Un tambour géant vient de recevoir un coup. Sa membrane vibre encore, mais en plus du bourdonnement principal, une fine ondulation se propage à sa surface — comme si un doigt avait effleuré la peau tendue.
De nombreux trous noirs sont entourés de champs magnétiques. En tournant, le trou noir entraîne avec lui la courbure de l'espace-temps, comme un volant d'inertie, et lance une usine cosmique.
Une étoile à neutrons est une sphère de la taille d'une ville, mais avec une masse comparable à celle du Soleil. Son champ magnétique peut déchirer les atomes à des milliers de kilomètres de distance.
Un lampadaire qui clignote quand quelqu'un passe devant. C'est un peu ce que fait Proxima du Centaure, l'étoile la plus proche de nous : elle s'embrase en réponse au mouvement de ses planètes.
Les astronomes ont observé cette étoile avec un instrument très sensible, le spectrographe ESPRESSO. Comme un prisme, il décompose la lumière en couleurs.
Un aimant ordinaire garde toujours ses deux pôles — nord et sud. Coupez-le en deux, et chaque morceau s'empresse de se doter de sa propre paire. Mais au plus profond de la théorie des particules se cache une image étrange : le monopôle — une particule portant une seule charge magnétique, un pôle solitaire sans partenaire.
