Pôle nord et pôle sud magnétiques

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Qu'entend-on par pôle nord et pôle sud magnétiques ?

Le pôle nord et le pôle sud sont les deux pôles différents d'un aimant permanent. Le champ magnétique part du pôle nord et s'étend vers le pôle sud, tel qu'il peut être représenté par des lignes de champ. Les lignes de champ se rejoignent ensuite à l'intérieur de l'aimant. Les pôles de même nom se repoussent (c'est-à-dire pôle nord contre pôle nord respectivement pôle sud contre pôle sud), tandis que les pôles opposés s'attirent mutuellement. La force magnétique appliquée à un matériau ferromagnétique (par ex. le fer) exerce une attraction aussi bien sur le pôle nord que sur le pôle sud.

Table des matières

Tout aimant a deux pôles. C'est une propriété fondamentale qui distingue les champs électriques des champs magnétiques.

Un champ magnétique est créé lorsqu'un courant circule. Donc chaque fois que des charges électriques se déplacent. Dans ce cas, il se forme cependant toujours un champ avec deux pôles, un pôle nord et un pôle sud. On parle donc d'un champ dipolaire. Il est semblable au champ électrique de deux charges opposées, le dipôle électrique.

Dans un aimant permanent, donc dans un matériau magnétisé, il existe également des spins électroniques élémentaires avec un moment magnétique qui peuvent être compris comme des aimants élémentaires. Le champ magnétique macroscopique de l'aimant permanent est la somme des contributions de tous les aimants élémentaires. Les spins électroniques ont le même effet que les courants circulaires atomiques et possèdent chacun un pôle nord et un pôle sud magnétiques.

Alors qu'une charge électrique, par exemple un électron chargé négativement, génère un champ électrique, il n'existe pas de "charge magnétique" individuelle. Il n'est pas possible de créer un seul pôle magnétique.

On dit que le champ électrique a des sources (à savoir la charge électrique) et que le champ magnétique est libre de sources. Il apparaît en forme d'un champ dipolaire (avec un pôle nord et un pôle sud) lorsque les charges électriques se déplacent. Une véritable preuve de l'absence de sources du champ magnétique n'existe pas, mais jusqu'à présent, personne n'a observé de "charge magnétique".

À l'aide des équations de Maxwell, il est toutefois possible de prouver mathématiquement qu'il n'existe pas de pôles magnétiques individuels. Pour cela, il faut cependant accepter les équations de Maxwell puisque leur validité elle-même ne peut pas être prouvée.

Illustration pôle nord et pôle sud magnétiques

Chaque aimant a un pôle nord (N) et un pôle sud (S). Si l'on casse un aimant permanent, on obtient deux aimants plus petits qui possèdent également chacun un pôle nord et un pôle sud. Cela peut se comprendre par le fait qu'un champ magnétique est créé par des spins d'électrons alignés dans le matériau. Ceux-ci possèdent, comme de minuscules courants circulaires dans le matériau, un moment magnétique et ont pour conséquent en chaque point un pôle nord et un pôle sud dont les forces se superposent pour former le champ magnétique macroscopique.

Attraction et répulsion des pôles magnétiques

Si l'on approche le pôle nord d'un cylindre magnétique du pôle nord d'un autre aimant, les deux aimants se repoussent. En revanche, si l'on approche le pôle sud d'un cylindre magnétique du pôle nord d'un autre aimant, la force entre les aimants exerce une attraction.

Pour tester cette affirmation, il suffit de saisir un aimant par une extrémité pour constater que l'extrémité libre est toujours attirée par un côté d'un autre aimant, mais repoussée par l'autre côté de cet aimant.

Des forces de répulsion s'exercent donc toujours entre les pôles de même nom de différents aimants (c'est-à-dire entre pôle nord et pôle nord ou entre pôle sud et pôle sud). En revanche, entre des pôles de noms différents d'autres aimants (c'est-à-dire entre pôle nord et pôle sud), des forces d'attractions agissent.

Le champ magnétique donne une idée de l'effet de force exercé par un aimant. En physique, l'intensité d'un champ magnétique est généralement exprimée par la densité de flux magnétique B et mesurée en Tesla ou en Gauss.

Lignes de champ des aimants

À l'aide des lignes de champ, il est possible de visualiser un champ magnétique. Les lignes de champ de champs magnétiques forment toujours des boucles fermées. Les lignes de champ des champs magnétiques n'ont donc ni début ni fin. La raison pour laquelle les lignes de champ forment des boucles fermées réside précisément dans le fait que le champ magnétique est sans source, c'est-à-dire qu'il possède toujours un pôle nord et un pôle sud.

En partant du pôle nord d'un aimant, les lignes de champ s'éloignent perpendiculairement de la surface du pôle nord de l'aimant et se courbent vers le pôle sud, jusqu'à ce qu'elles atteignent perpendiculairement la surface du pôle sud magnétique. Dans le matériau magnétique lui-même, les lignes de champ reviennent cependant à leur point de départ au pôle nord et forment ainsi une boucle fermée.

La force exercée par l'aimant sur un corps de test magnétique, par exemple une aiguille de boussole, est proportionnelle à la densité des lignes de champ. L'orientation de l'aiguille de boussole est tangentielle aux lignes de champ.

De manière expérimentale, on peut se faire une idée de l'existence du champ magnétique autour de l'aimant en dispersant de la limaille de fer sur une feuille de papier sous laquelle se trouve un aimant. Les particules de fer s'alignent alors en structures courbes qui peuvent être comprises comme une image des lignes de champ.

Le pôle nord et le pôle sud d'un aimant sont établis par définition. Les lignes de champ s'étendent par définition du pôle nord au pôle sud. Cela signifie qu'il n'existe aucun principe physique qui détermine quel pôle d'un aimant est le pôle nord et quel pôle est le pôle sud.

Graphique - les lignes de champ d'un aimant vont du pôle nord au pôle sud

Différence entre le pôle nord magnétique et le pôle nord géographique

Figure 1 : Globe terrestre avec les pôles géographiques et magnétiques de la terre. Alors que le pôle nord géographique est défini par le point d'intersection de l'axe terrestre (en rouge) en direction de l'étoile polaire, le pôle sud magnétique de la terre, vers lequel sont orientées les aiguilles de boussole, se trouve dans sa proximité (point vert). Le pôle nord magnétique se trouve à proximité du point d'intersection sud de l'axe de rotation (point rouge).

La terre possède également un champ magnétique qui constitue un bouclier invisible contre les rayons cosmiques et le vent solaire. Ce champ est généré par des courants souterrains à l'intérieur liquide de la terre. Le pôle nord de la terre est cependant défini comme le point d'intersection de l'axe de rotation imaginaire de la terre à travers la surface de la terre en direction de l'étoile polaire. Par conséquent, ce point est également appelé plus précisément "pôle nord géographique". Un pôle magnétique de la terre se trouve certes à proximité du pôle nord géographique, mais il s'agit précisément du pôle sud magnétique du globe terrestre. Ainsi, le pôle nord de l'aiguille de la boussole pointe vers le nord parce que c'est là que se trouve le pôle sud magnétique de la terre qui est proche du pôle nord géographique (figure 1).

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Le champ magnétique terrestre

Illustration du champ magnétique de la terre

Figure 2 : Champ magnétique terrestre qui dirige le vent solaire autour de la terre ou le capte partiellement aux pôles. (Source : Herbert Bolz, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons)

Créé par le mouvement du fer liquide dans le noyau externe de la terre, le champ magnétique s'étend loin dans l'espace et protège ainsi la vie sur notre planète des particules de haute énergie du vent solaire (figure 2). Les pôles du champ magnétique - à ne pas confondre avec les pôles géographiques, comme indiqué précédemment - sont en mouvement permanent. Cette dérive des pôles est causée par des changements dans la circulation des matériaux liquides du noyau. Il est également remarquable que le champ magnétique de la terre s'inverse occasionnellement, un phénomène où le pôle nord magnétique devient le pôle sud et inversement. Ces inversions des pôles, qui se produisent sur des milliers d'années, font partie d'un cycle naturel dont les causes précises sont encore en cours d'étude. La compréhension du champ magnétique terrestre est non seulement importante pour la science ; elle joue également un rôle crucial dans la navigation et dans de nombreuses applications technologiques.

Comment se forment les aurores boréales ?

Les aurores boréales, également connues sous le nom d'aurores polaires, se forment par des interactions entre des particules chargées provenant du vent solaire et de la magnétosphère terrestre. Ces particules sont dirigées par le champ magnétique terrestre vers les pôles, où elles entrent en collision avec les atomes et molécules de gaz dans la haute atmosphère et les excitent à émettre de la lumière. Le champ magnétique terrestre agit comme un système de guidage amenant les particules le long des lignes de champ magnétique vers les régions polaires, ce qui permet la formation des aurores lumineuses dans ces zones. Il en résulte de fascinants phénomènes lumineux en mouvement, souvent verdâtres, qui sont particulièrement visibles par temps clair sous les latitudes nord.

Comment les oiseaux migrateurs s’orientent-ils grâce au champ magnétique terrestre ?

Les oiseaux migrateurs utilisent le champ magnétique de la terre comme aide à la navigation en percevant les champs magnétiques grâce à des cellules sensorielles spécialisées, ce qui leur permet de s’orienter. Ces cellules, souvent situées autour des yeux ou du bec, permettent aux oiseaux de "voir" ou de ressentir les lignes de champ magnétique, ce qui les aide à s’orienter lors de leurs longues migrations entre lieux de nidification et d’hivernage. Ce sens magnétique complète d’autres méthodes de navigation, telles que l’orientation en fonction des étoiles, du soleil et des repères géographiques, et constitue un exemple fascinant de l’adaptabilité du monde animal aux phénomènes naturels.

Auteur:
Dr Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt est physicien et directeur scientifique des cours pratiques avancés de physique à l'université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Il a travaillé à l'université technique de 2011 à 2019 et a dirigé divers projets pédagogiques ainsi que le laboratoire de projets en chimie. Ses recherches se concentrent sur la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur des macromolécules biologiquement actives. Il est également directeur de Sensoik Technologies GmbH.

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