Intensité de champ magnétique

L'unité de l'intensité d'un champ magnétique dans le système international d'unités est le tesla (T). On utilise parfois le gauss (G), sachant que :

$1 \ \mathrm{G} \ = \ 10^{-4} \ \mathrm{T}$

Ordre de grandeurs d'intensité de champs magnétiques

• Source = cerveau humain ; champ mesuré à la surface du crâne :

$B \ \simeq \ 10^{-15} \ \mathrm{T}$

• Champ typique dans le vide interstellaire, mesuré par une sonde spatiale :

$B \ \simeq \ 10^{-6} \ \mathrm{T}$

• Source = Terre ; champ mesuré à la surface :

$B \ = \ 47.10^{-6} \ \mathrm{T} \ \simeq \ 0.5 \ \mathrm{G}$

• Source = fil rectiligne infini dans le vide parcouru par un courant de I = 10 A ; champ mesuré à une distance r = 2 cm du fil (les lignes du champ sont alors circulaires centrées sur le fil) :

$B \ = \ \frac{\mu_0 I}{2 \pi r} \ = \ 10^{-4} \ \mathrm{T}$

• Source = aimant permanent ; champ mesuré à quelques centimètres :

$B \ \simeq \ 0.1 \ \mathrm{a} \ 1 \ \mathrm{T}$

• Source = électro-aimant à bobinage ; champ mesuré à l'intérieur :

$B \ \simeq \ 10 \ \mathrm{a} \ 100 \ \mathrm{T}$

• Source = magnétar, un type d'étoile à neutrons :

$B \ \simeq \ 10^{+11} \ \mathrm{T}$

Champs magnétiques intenses

Fabrication

La fabrication de champ magnétiques intenses (supérieurs à 1 T) nécessite l'emploi d'un électro-aimant constitué d'un bobinage de fil conducteur appelé solénoïde parcouru par un courant électrique.

Problèmes rencontrés

Le dispositif de l'électro-aimant est sujet à deux limitations :

• l'effet Joule, qui tend à faire fondre les fils du bobinage lorsque l'énergie à dissiper sous forme de chaleur devient trop grande pour le matériau ;
• la « pression magnétique », action mécanique sur le bobinage résultante des forces de Lorentz sur les fils. Cette pression magnétique radiale est dirigée vers l'extérieur de la bobine et tend à faire éclater celle-ci.

Solutions techniques

• Pour contrer l'effet Joule, deux possibilités sont utilisées :
  • l'utilisation d'un matériau supraconducteur sous sa température critique. Cette possibilité est limitée, car il existe un champ magnétique critique au-dessus duquel la supraconductivité du matériau disparait.
  • le refroidissement liquide du bobinage pour évacuer l'excédent d'énergie Joule. Un débit typique de 300 litres d'eau par seconde permet d'atteindre une trentaine de teslas...

• Pour contrer la pression magnétique, il faut utiliser un conducteur plus solide que le cuivre et construire des renforts mécaniques extérieurs au bobinage.

Ordre de grandeurs

Champs statiques

• Source = électro-aimant de Faraday (1840) :

$B \ \simeq \ 1 \ \mathrm{T}$

• Source = électro-aimant de 50 tonnes installé au laboratoire Bellevue (début du XX^e siècle), consommant une puissance de 100 kW  :

$B \ \simeq \ 7 \ \mathrm{T}$

• Source = électro-aimant à bobinage supraconducteur (début du XXI^e siècle) :

$B \ \simeq \ 20 \ \mathrm{T}$

• Source = électro-aimant à refroidissement liquide (début du XXI^e siècle) :

$B \ \simeq \ 33 \ \mathrm{T}$

• Source = électro-aimant hybride (supraconducteur + refroidissement liquide - début du XXI^e siècle) consommant une puissance de 20 MW :

$B \ \simeq \ 45 \ \mathrm{T}$

Il n'est guère possible de faire mieux actuellement. Pour aller plus haut, on utilise un courant transitoire, qui ne circule que pendant une brève durée, de façon à laisser le bobinage refroidir ensuite. On fabrique ainsi des champs dit pulsés.

Champs pulsés sans destruction de la source

• Source = électro-aimant monolithique renforcé (début du XXI^e siècle) :

$B \ \simeq \ 60 \ \mathrm{T} \ \mathrm{pendant} \ 100 \ \mathrm{ms}$

• Source = bobines gigognes (22 juin 2011 - record du monde ) :

$B \ \simeq \ 91.4 \ \mathrm{T} \ \mathrm{pendant} \ \mathrm{quelques} \ \mathrm{ms}$

gh

Champs pulsés avec destruction de la source

• Source = bobine monospire (début du XXI^e siècle) :

$B \ \simeq \ 300 \ \mathrm{T}$

• Source = générateur à compression de flux électromagnétique : striction axiale par forces électromagnétiques (début du XXI^e siècle) :

$B \ \simeq \ 600 \ \mathrm{T}$

• Source = générateur magnéto-cumulatif : électro-aimant + confinement magnétique des lignes de champ par explosif (milieu du XX^e siècle) :

$B \ \simeq \ 2000 \ \mathrm{T}$

Articles liés

• Champ magnétique
• Magnétostatique
• Loi de Biot et Savart
• Théorème d'Ampère
• Équations de Maxwell

Liens externes

• (fr) Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI) (Grenoble)

• (fr) Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI) (Toulouse)

• (fr) Conférence : La physique en champs magnétique intense

• (en) Dresden High Magnetic Field Laboratory (HLD) (Dresde, Allemagne)

• (en) High Field Magnet Laboratory (HFML) (Nimègue, Pays-Bas)

• (en) International MegaGauss Science Laboratory (Tokyo, Japon)

• (en) Francis Bitter Magnet Laboratory (FBML) (MIT, États-Unis)

• (en) National High Magnetic Field Laboratory's Pulsed Field Facility (NHMFL-PFF) (Los Alamos, États-Unis)

• (en) National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) (Tallahassee, États-Unis)

Bibliographie

• Geert Rikken ; La physique en champs magnétique intense, conférence donnée à l'Université de Tous Les Savoirs (18 juillet 2005). Vidéo disponible au format Real Video.