Intensité de champ magnétique

L'intensité du champ magnétique est la mesure de l'importance d'un champ magnétique. Son unité dans le Système international d'unités est le tesla (T). On utilise parfois le gauss (G), sachant que : ${\displaystyle 1\ \mathrm {G} =10^{-4}\ \mathrm {T} }$.

Ordre de grandeurs d'intensité de champs magnétiques

Source = cerveau humain ; champ mesuré à la surface du crâne	${\displaystyle B\simeq 10^{-15}\ \mathrm {T} }$
Champ typique dans le vide interstellaire, mesuré par une sonde spatiale	${\displaystyle B\simeq 10^{-6}\ \mathrm {T} }$
Source = Terre ; champ mesuré à la surface[1],[2]	${\displaystyle B=4,7.10^{-5}\ \mathrm {T} \simeq 0,5\ \mathrm {G} }$
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)	${\displaystyle B={\frac {\mu _{0}I}{2\pi r}}=10^{-4}\ \mathrm {T} }$
Source = aimant permanent ; champ mesuré à quelques millimètres de sa surface	${\displaystyle B\simeq 0,1\ \mathrm {a} \ 1\ \mathrm {T} }$
Source = électro-aimant à bobinage ; champ mesuré à l'intérieur	${\displaystyle B\simeq 10\ \mathrm {a} \ 100\ \mathrm {T} }$
Source = magnétar, un type d'étoile à neutrons	${\displaystyle B\simeq 10^{+11}\ \mathrm {T} }$

Champs magnétiques intenses

Fabrication

La fabrication de champs magnétiques intenses (supérieurs à 1 T) nécessite l'emploi d'un électroaimant 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)	${\displaystyle B\simeq 1\ \mathrm {T} }$
Source = électro-aimant de 50 tonnes installé au laboratoire Bellevue (début du XX^e siècle), consommant une puissance de 100 kW	${\displaystyle B\simeq 7\ \mathrm {T} }$
Source = électro-aimant à bobinage supraconducteur (début du XXI^e siècle)	${\displaystyle B\simeq 20\ \mathrm {T} }$
Source = électro-aimant à refroidissement liquide (début du XXI^e siècle)	${\displaystyle B\simeq 33\ \mathrm {T} }$
Source = électro-aimant hybride (supraconducteur + refroidissement liquide - début du XXI^e siècle) consommant une puissance de 20 MW	${\displaystyle B\simeq 45\ \mathrm {T} }$

Il n'est guère possible de faire mieux actuellement (le record obtenu en 2019 est de 45,5 T[3]). 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)	${\displaystyle B\simeq 60\ \mathrm {T} \ \mathrm {pendant} \ 100\ \mathrm {ms} }$
Source = bobines gigognes (22 juin 2011 - record du monde[4])	${\displaystyle B\simeq 91.4\ \mathrm {T} \ \mathrm {pendant} \ \mathrm {quelques} \ \mathrm {ms} }$
Champs pulsés avec destruction de la source
Source = bobine monospire (début du XXI^e siècle)	${\displaystyle B\simeq 300\ \mathrm {T} }$
Source = générateur à compression de flux électromagnétique : striction axiale par forces électromagnétiques (début du XXI^e siècle)	${\displaystyle B\simeq 600\ \mathrm {T} }$
Source = générateur magnéto-cumulatif : électro-aimant + confinement magnétique des lignes de champ par explosif (milieu du XX^e siècle)	${\displaystyle B\simeq 2000\ \mathrm {T} }$

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 champ 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 champ magnétique intense, conférence donnée à l'Université de Tous Les Savoirs (18 juillet 2005). Vidéo disponible au format Real Video.

Références

1. « Observatoire magnétique à Chambon-la-Forêt », sur ipgp.fr (consulté le 30 septembre 2010).
2. « Mesure du champ magnétique terrestre », sur chimix.com (consulté le 30 septembre 2010).
3. (en) Seungyong Hahn, Kwanglok Kim, Kwangmin Kim, Xinbo Hu, Thomas Painter et al., « 45.5-tesla direct-current magnetic field generated with a high-temperature superconducting magnet », Nature,‎ 12 juin 2019 (DOI 10.1038/s41586-019-1293-1).
4. Christine Bohnet ; World record: The highest magnetic fields are created in Dresden, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (communiqué du 28 juin 2011).