2. Le champ magnétique

             Le principe de RMN, dont nous parlerons tout à l’heure, et qui est à la base de l’IRM, dépend lui-même du magnétisme et des champs magnétiques. Voilà donc pourquoi nous pensons nécessaire de nous pencher tout d’abord sur l’étude du champ magnétique : comment le définir, quelles sont ses caractéristiques et les différents cas dans lesquels il peut s’appliquer ?

            Tout d’abord quelques définitions :

            Le magnétisme est un phénomène physique, une force produite par des charges électriques en mouvement, qui entraine une attraction ou une répulsion entre certains objets ou certaines substances ayant les mêmes propriétés physique, en fonction de leur position l’un par rapport à l’autre.

            Cette force magnétique génère un champ, une grandeur physique qui caractérise les effets du magnétisme en un point donné, c’est-à-dire dépendant de la position dans l’espace.

            La notion de champ magnétique est indissociable de celle d’onde, car un champ se propage toujours sous forme ondulatoire.

            Le magnétisme prend ses origines dans la composition de l’atome, c’est-à-dire un noyau composé de neutrons et de protons, chargé positivement, autour duquel gravitent des électrons, chargés négativement. Le noyau et les électrons possèdent un sens de rotation qui leur est propre, et ainsi un atome crée à son échelle un petit champ magnétique. Quand une particule est source d’un champ, celui-ci se propage sous forme d’ondes en agissant sur les autres particules présentes : un champ magnétique de plus grande envergure est ainsi crée.

          

             Origines du magnétisme dans la matière

            Un champ magnétique peut être crée :

      -     Par la Terre : Un champ magnétique entoure notre planète, dont on sait qu’il est principalement dû aux tourbillons de matière du noyau métallique liquide de notre planète, porteurs de courant électrique, entretenus par la rotation de la Terre qui les agite. Le champ magnétique terrestre est généralement modélisé comme un aimant droit placé au centre de la Terre et légèrement incliné par rapport à son axe de rotation, avec le pôle Nord au sud géographique et le pôle Sud au nord géographique

     -      Par un aimant : le magnétisme des aimants est connu de tous. Nous avons effectué une expérience consistant à saupoudrer une plaque de verre de limaille de fer, et nous avons en effet observé que la limaille s’orientait en fonction de la position de l’aimant, quel qu’il soit (droit ou en u), sous le verre.

     -      Par un courant électrique : ce phénomène a été prouvé au XIXe siècle par le physicien danois Hans Christian Oersted. Il a effectué une expérience que nous allons reproduire, et qui porte maintenant son nom.

           Nous branchons en série un générateur, un rhéostat, un interrupteur, et une aiguille d’Oersted, c’est-à dire une aiguille se trouvant sous un fil conducteur. Initialement, l’aiguille est alignée selon le champ magnétique terrestre. Si on allume le générateur et qu’on module l’intensité grâce au rhéostat, l’aiguille s’oriente selon un nouveau champ crée par le courant. Cette orientation dépend du sens du courant.

          Ces sources de champ magnétique génèrent autour d’elles ce que l’on appelle des spectres magnétiques, c'est-à-dire un ensemble de lignes de champ. Ces lignes sont orientées dans le sens du champ magnétique et forment un arc de cercle avant de se refermer sur elles-mêmes. Il règne aussi dans des régions de l’espace une uniformité de champ magnétique, c'est-à-dire où le champ magnétique est le même en tous points (direction, sens, valeur) : les lignes de champ y sont parallèles. L’entrefer d’un aimant est un bon exemple de zone d’uniformité du champ magnétique. L’expérience que nous avons réalise avec de la limaille de fer et des aimants illustre cette propriété du champ magnétique.

          Le champ magnétique qui règne en un point M peut être décrit par ce que l’on appelle un vecteur champ magnétique, noté (M). Ce champ magnétique a plusieurs caractéristiques :

     -       Il s’applique en M.

     -        Il a une direction particulière : celle que prendrait une aiguille aimantée en M.

     -        Il a un sens particulier : du pôle Sud vers le pôle Nord.

     -        Il est exprimé en Tesla, unité d’induction magnétique du système international SI, et se mesure donc avec un teslamètre, relié à un capteur appelé sonde de Hall. La majorité des machines utilisées aujourd’hui pour l’IRM dans les hôpitaux créent un champ magnétique d’1.5 Tesla, soit environ 30 000 fois le champ magnétique terrestre !

     -        Il est tangent à la ligne de champ qui passe par M.

 

          Deux champs magnétiques peuvent se superposer, comme nous verrons qu’il est le cas pour l’IRM. Le champ résultant, produit de cette superposition, se note :

      (M) = (M1) + (M2)

          Il est donc la somme des deux champs, et une aiguille placée en M  s’orientera selon sa direction.

          Nous allons maintenant nous intéresser au cas où le champ magnétique est crée par un courant continu.

          La valeur B de (M) dépend, pour un champ magnétique crée par courant continu, de plusieurs facteurs. Tout d’abord, de la forme géométrique du conducteur parcouru par le courant. Ensuite, de la position du point M dans le circuit (l’action du champ magnétique sur M est plus ou moins importante en fonction de la distance entre eux). Pour finir, de l’intensité du courant. Si aucun milieu magnétique n’est présent dans le circuit, la valeur du champ sera proportionnelle à l’intensité, soit B= kI. 

          En ce qui nous concerne, il faut surtout étudier le cas où le courant électrique passe dans un solénoïde, c’est-à-dire une bobine (un fil conducteur enroulé en spirale et protégé par un vernis isolant) dont la longueur est grande par rapport à son rayon. Ce type de système vaut pour l’IRM, ou une machine est en grande partie un solénoïde à grande échelle.

 

Nous pouvons réaliser la même expérience avec un solénoïde qu’avec les aimants, pour nous représenter, à plus petite échelle, les conditions magnétiques qui y règnent.

A l’extérieur du solénoïde, les lignes de champ sont semblables à celle observées sur l’aimant droit, c’est-à-dire qu’elles décrivent un arc de cercle pour aller d’un pôle à l’autre. Au centre, elles sont uniformes et se dirigent selon l’axe du solénoïde. Le sens du vecteur dépend du sens du courant.   

La valeur du champ magnétique pour un solénoïde est un cas particulier. A l’intérieur du solénoïde, loin de ses faces et sans milieux magnétiques dans le circuit, la valeur du champ magnétique est égale à :

           B= μ0 n I

B, la valeur du champ magnétique, est exprimée en Tesla. n est le nombre de spires par unité de longueur en mètres. I est l’intensité en ampères, et μ0 est une constante appelée perméabilité du vide, et égale 4 π x10^-7 Tesla par mètre par ampère.                                                                                                   

En présence d'un champ magnétique, le fer s'aimante à son tour et devient un dipôle. Il est alors soumis aux forces créées par un aimant droit et s'oriente selon les lignes de champ.

 

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