Champ Magnétique

Il est nécessaire de posséder des notions concernant les champs magnétiques pour avoir une approche suffisamment développée du principe du Tokamak. Précisons tout de même que nous n’aborderons que l’aspect global du magnétisme et des techniques employées par le tokamak, suivant une approche spécifique à des élèves de première, sachant qu’à l’heure où nous écrivons ce TPE, nous n’avons pas encore étudié le magnétisme en physique.

Première expérience

Un aimant ou une bobine parcourue par un courant électrique altère les propriétés magnétiques de son environnement : un champ magnétique est créé. Prenons pour exemple, le champ magnétique terrestre (30 à 60µT) ou des aimants (permanents) pouvant influer sur des matériaux ferromagnétiques. Ces derniers ont ensuite, pour une courte durée, leur propre champ magnétique (aimantation rémanente) : ils ont subi une aimantation induite. Les zones les plus actives d’un aimant sont appelées ses pôles (nord et sud). Deux pôles de même nature se repoussent, deux corps de nature différente s’attirent. Nous avons donc réalisé une expérience afin de mettre en évidence les particularités des champs magnétiques. Des aiguilles aimantées, libres de s’orienter, sont placées à proximité d’un aimant. On remarque qu’elles changent de direction, avant de se stabiliser en prenant une orientation déterminée.

Elles sont influencées par le champ magnétique propagé par l’aimant. Ce champ magnétique est défini par un vecteur champ magnétique B en un point M, qui a pour caractéristiques :

• sa direction ;
• son sens : du pôle sud vers le pôle nord ;
• sa valeur, exprimée en Tesla (T).

Lorsque des champs magnétiques sont superposés, leur champ résultant est la somme vectorielle de l’ensemble des champs. Un champ magnétique est dit uniforme quand son vecteur conserve sa valeur, sa direction et son sens, comme celui présent dans l’entrefer d’un aimant en U. Les directions suivies par les aiguilles de l’expérience 1 sont celles des lignes de champs de l’aimant concerné. Une ligne de champ magnétique est tangente au vecteur B en chacun de ses points. Toutes les lignes de champs se referment sur elles-mêmes et sont orientés dans le sens sud nord. L’ensemble des lignes de champs est appelé un spectre magnétique, visualisé à l’aide de limaille de fer et représentant la topographie du champ.

Seconde expérience

Nous avons par la suite réalisé une seconde expérience dans laquelle on observe le spectre magnétique d’un solénoïde (bobine dont la longueur est supérieure au diamètre). La bobine (de spires), parcourue par un courant électrique d’intensité croissante, est saupoudrée de limaille de fer, matériau ferromagnétique. La limaille s’organise selon les lignes du champ magnétique, après avoir mis en marche le générateur et produit quelques vibrations.

On remarque que son champ magnétique présente plusieurs particularités : il est tout à fait comparable à celui d’un aimant droit, comme celui vu précédemment et il est uniforme à l’intérieur du solénoïde (lignes de champ parallèles). Nous avons calculé la valeur du champ magnétique pour plusieurs valeurs de l’intensité, que nous avons vérifiée grâce à un teslamètre.

Nous avons vérifié que le champ magnétique est régi par la loi suivante, que nous a permis de vérifier cette expérience, selon laquelle la valeur du champ magnétique créé par un courant électrique est proportionnelle à celui-ci :

B = µ₀.n.I
Avec : B en Tesla
I en Ampère
n en m^-1 étant le rapport du nombre N de spires par unité de longueur
µ₀ = 4.PI.10^-7 T.m.A^-1 (S.I.) constante de perméabilité magnétique du vide

On note cependant une différence entre les résultats expérimentaux et ceux fournis par la formule. Nous avons aussi constaté que la valeur de ce champ magnétique est très faible, à l’instar du champ magnétique terrestre (30 à 60µT). Un champ magnétique nécessaire au confinement du plasma se doit d’être beaucoup plus puissant, ce que nous verrons dans la partie suivante.