Le moment magnétique d'un corps se manifeste par la tendance qu'a ce corps à s'aligner dans le sens d'unchamp magnétique, c'est par exemple le cas de l'aiguille d'uneboussole : lemoment que subit l'objet est égal au produit vectoriel de son moment magnétique par l'induction magnétique dans laquelle il est placé. Par ailleurs, tout système possédant un moment magnétique produit également unchamp magnétique autour de lui.
Le moment magnétique de l'aiguille aimantée se traduit par sa tendance à s'aligner dans le champ magnétique terrestre.
Le moment magnétique d'un corps se manifeste par la tendance qu'a ce corps à s'aligner dans le sens d'un champ magnétique. L'exemple le plus fréquent est celui de l'aiguille d'uneboussole : laissée libre de tourner, l'aiguille s'aligne dans la direction du pôle nord, ce qui montre qu'elle subit unmoment qui tend à l'aligner dans cette direction.
Lecouple qui tend à ramener l'aiguille aimantée sur la direction du champ magnétique est donc proportionnel au produit vectoriel de l'induction magnétique et d'une quantité vectorielle extensive, caractéristique de l'aiguille, d'autant plus intense que l'aiguille est aimantée.
Par définition, le moment magnétique d'un objet est défini comme le vecteur dont le produit vectoriel par l'induction magnétique externe[b] donne lemoment de force que subit l'objet. Cette relation se traduit mathématiquement par :
.
Cette définition donne donc une méthode permettant, en théorie, de mesurer le moment magnétique d'un échantillon inconnu placé dans un champ magnétique connu. La même méthode permet symétriquement de mesurer le champ magnétique en un point, à partir d'un système comportant un moment magnétique déterminé.
L'aimantation correspond à une densité volumique de moment magnétique. Elle est définie par l'équation suivante, où est le moment magnétique élémentaire, et levolume élémentaire :
La représentation du moment magnétique a changé au cours du temps. Avant lesannées 30, on le représentait par deuxmasses magnétiques ponctuelles. On a depuis montré qu'il n'existe pas de masses magnétiques isolées dans la nature, et que celles-ci sont donc purement fictives. On préfère donc aujourd'hui une représentation à l'aide de boucles de courant. Les deux représentations donnent des résultats similaires.
Un dipôle magnétique est la limite aussi bien d'une boucle de courant ou d'une paire de pôles magnétiques lorsque les dimensions du système tendent vers zéro tandis que son moment magnétique reste constant. Loin de la source les deux représentations sont équivalentes, mais elles divergent à proximité de la source.
Analogie électrostatique pour un moment magnétique : deux charges opposées séparées par une distance finie.
Par analogie avec l’électrostatique, les sources de moments magnétiques peuvent être représentées par des pôles (on rappelle que lesmonopôles magnétiques n'ont jamais été observés et que leur existence même n'est pas assurée). Considérons une barrette magnétique possédant des pôles magnétiques d’égales amplitudes mais de polarités opposées. Chaque pôle est la source d'un champ magnétique qui s’affaiblit avec la distance. Puisque les pôles magnétiques vont toujours par paires, le champ magnétique qu'ils génèrent s'annule d'autant plus que les deux pôles sont proches l'un de l'autre. Ainsi le moment magnétique est proportionnel à l’intensité p des pôles magnétiques et du vecteurℓ qui les séparent :
Moment magnétique d'une boucle de courant d'intensitéI et de surfaceS.
Le modèle le plus simple de moment magnétique est celui d'une boucle de courant (courant électrique circulant dans un élément de bobine par exemple). Un champ magnétique appliqué à cette boucle tendra à faire tourner la boucle de manière qu'elle soit perpendiculaire au champ magnétique, le courant tournant dans le sens direct par rapport au plan orienté par le champ magnétique. Par exemple, une bobine électrique parcourue par un courant et libre de ses mouvements s'alignera sur l'aimant qu'on approche d'elle.
On part de la définition du moment magnétique différentiel :
On peut appliquer l'expression ci-dessus au cas d'unebobine ou d'unsolénoïde. Le moment magnétique total est la somme des moments magnétiques de chaque boucle. Dans le cas d'un solénoïde constitué de boucles de surface :
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.
À chaque dipôle magnétique est associé un moment magnétique. En présence de l'induction magnétique, ce dipôle va être soumis à uncouple et uneforce, auxquels on peut associer uneénergie potentielle. Ces dernières sont définies par les relations suivantes :
,
,
.
La première équation indique que la dérivée temporelle dumoment cinétique d'un dipôle magnétique est égale au couple. Or celui-ci fait intervenir leproduit vectoriel du moment magnétique par l'induction magnétique. Mais comme moment magnétique et moment cinétique sont proportionnels, l'équation indique que la dérivée du moment cinétique est proportionnelle au produit vectoriel du moment cinétique par l'induction magnétique. Ainsi, en présence de l'induction magnétique, un dipôle magnétique va-t-il être l'objet d'un phénomène deprécession, appelée dans ce contexteprécession de Larmor.
La force exercée par un dipôle de moment magnétique sur un autre dipôle de moment magnétique est où est l'induction magnétique créé par le moment magnétique. Le résultat de ce calcul est[1],[2] :
où est le vecteur unitaire pointant du premier dipôle vers le second, et (ou simplement) la distance qui les sépare. On peut réécrire cette formule de la façon suivante[2] :
.
Le moment de force subi par est :
.
Une force et un moment de mêmes directions et de mêmes intensités mais de sens opposés s'exercent sur.
On considère une particule (unélectron) de masse suivant une trajectoire circulaire de rayonr (vecteur position) à une vitesse. Le moment cinétique vaut alors :
.
Le moment magnétique associé à ce courant, autrement dit au déplacement de l'électron qui génère un courant électrique, est :
,
oùq est la charge de la particule etS la surface délimitant l'extension de son déplacement.
En combinant les deux relations ci-dessus, on obtient la relation suivante entre moments cinétique et magnétique :
Fondamentalement, il ne peut y avoir que deux types de source pour un moment magnétique : le déplacement de charge électrique, tel qu'uncourant électrique, et le moment magnétique intrinsèque porté par lesparticules élémentaires.
Les contributions du premier type peuvent être calculées à partir d'une distribution de courant connue d'un système en utilisant la formule suivante :
.
L’intensité du moment magnétique des particules élémentaires est une valeur fixe, souvent connue avec une grande précision.
Le moment magnétique total de tout système est la somme vectorielle de toutes les contributions quel que soit leur type. Par exemple, le moment magnétique porté par l'atome d'hydrogène-1 (le plus léger lesisotopes de l'hydrogène, constitué d'un proton et d'un électron) est la somme des contributions suivantes :
le moment intrinsèque de l’électron,
le déplacement de l’électron autour du proton,
le moment intrinsèque du proton.
De même le moment magnétique d'un barreau magnétique est la somme des moments magnétiques (intrinsèques et orbitaux) de chaqueélectron célibataire du matériau et du moment magnétique nucléaire.
Les électrons ainsi que la plupart des autres particules élémentaires ont un moment magnétique intrinsèque, dont l'origine est purement quantique. Il est à l'origine de la plupart despropriétés magnétiques macroscopiques des matériaux.
Dans un atome comportant plusieurs électrons, les moments cinétiques orbitaux et de spin de chaque électron s'ajoutent pour constituer le moment cinétique orbital total de l'atome et son moment cinétique de spin total. Le moment cinétique total est donc[3]. Le moment magnétique résultant est :
↑En anglais le moment magnétique est plutôt noté ou. Attention, en anglais désigne souvent l'aimantation, que l'on note plus souvent en français.
↑Par « induction magnétique externe » on entend l'induction magnétique générée par tous les aimants ou circuits, à l'exception de l'objet aimanté lui-même.
↑a etbK.W. Yung, P.B. Landecker et D.D. Villani, « An Analytic Solution for the Force between Two Magnetic Dipoles »,Magnetic and Electrical Separation,(lire en ligne[PDF], consulté le).
↑« Search results matching ' magnetic moment '... »,CODATA internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants, National Institute of Standards and Technology(consulté le)
Marc Knecht ;The anomalous magnetic moments of the electron and the muon, séminaire Poincaré (Paris,), publié dans : Bertrand Duplantier et Vincent Rivasseau (Eds.) ;Poincaré Seminar 2002, Progress in Mathematical Physics 30, Birkhäuser (2003),(ISBN3-7643-0579-7). Texte complet disponible au formatPostScript.