En physique, dans le domaine de l'électromagnétisme, le champ magnétique est une grandeur ayant le caractère d'un champ vectorielEn toute rigueur, le champ magnétique est pseudo-vectoriel, car (ou ) est un vecteur axial., c'est-à-dire caractérisée par la donnée d'une norme, d’une direction et d’un sens, définie en tout point de l'espace et permettant de modéliser et quantifier les effets magnétiques du courant électrique ou des matériaux magnétiques comme les aimants permanents.
La présence du champ magnétique se traduit par l'existence d'une force agissant sur les charges électriques en mouvement (dite force de Lorentz) et par divers effets affectant certains matériaux (diamagnétisme, paramagnétisme, ferromagnétisme). La grandeur qui détermine l'interaction entre un matériau et un champ magnétique est la susceptibilité magnétique.
Les deux sources de champ magnétique sont les aimants permanents et le courant électrique (c'est-à-dire le déplacement d'ensemble de charges électriques). La relation directe liant le champ magnétique avec ses sources est donnée par les équations de Panofsky-Phillips ainsi que par les équations de Jefimenko, qui sont les solutions générales des équations de Maxwell. Ces équations prennent notamment en compte le fait que le champ magnétique se propage dans l'espace à la vitesse de la lumière dans le vide, notée c. Si l'on se place en régime statique, la loi de Biot et Savart suffit à exprimer le champ magnétique en fonction de ses sources.
Sauf exception, cet article traite du cas du régime statique ou indépendant du temps, pour lequel le champ magnétique existe indépendamment de tout champ électrique, soit en pratique celui créé par les aimants ou les courants électriques permanents. Toutefois, en régime variable, c'est-à-dire pour des courants électriques non permanents, ou des champs électriques variables, le champ magnétique créé, lui-même variable, est la source d'un champ électrique, et donc ne peut être considéré de façon indépendante (cf. champ électromagnétique).
thumb|upright=1.5|Vue d'artiste de la magnétosphère terrestre. thumb|upright=1.5|Ferrofluide soumis à un champ magnétique. Au-delà d'une valeur seuil du champ magnétique, il devient plus favorable énergétiquement pour la surface libre d'adopter un profil avec des pointes, en dépit de la gravité et de la tension superficielle du fluide qui favorisent une interface plane.
Terminologie Deux champs vectoriels apparentésRichard Taillet, Loïc Villain, Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, édition, De Boeck, 2009, page 85. servent en physique à décrire les phénomènes magnétiques et peuvent de ce fait prétendre au nom générique de « champ magnétique » : l'un, noté , décrit la « densité de flux magnétique » dans l'espace, qui est à l'origine des effets à distance du magnétisme, et notamment du phénomène d'induction électromagnétique, ce qui fait que ce champ est aussi nommé induction magnétique. Il s'exprime en teslas ; l'autre, noté , qui est en pratique plutôt utilisé dans l'étude de l'électromagnétisme des milieux continus, décrit au niveau local l'« aimantation » propre de la matière, ou son « excitation magnétique » sous l'effet d'un champ électromagnétique externe (dont l'effet global confère en particulier à un corps donné un moment magnétique d'ensemble). Il s'exprime en ampères par mètre (de symbole A/m ou )Dans le vide, les champs et ne diffèrent que d'une constante multiplicative dépendant du système d'unités choisi ; dans le Système international d'unités, on a en effet . Dans un milieu continu, la relation entre ces deux champs fait intervenir le vecteur aimantation , lié au champ magnétique produit par le matériau (en réponse ou non à l'application d'un champ magnétique externe) : ).. Lorsqu'il est nécessaire de faire la différence entre les deux, le champ peut être qualifié de « champ d'induction magnétique » et le champ de « champ d'aimantation » ou de « champ d'excitation magnétique ». Cette nomenclature peut être comparée à d'autres champs homologues; le champ d'induction électrique et le champ électrique , qui sont proportionnels, dans un milieu linéaire, homogène et isotrope comme le vide.
Bien que les normes internationales de terminologie. prescrivent de réserver l’appellation de « champ magnétique » au seul champ vectoriel , en physique fondamentale, le terme pris absolument désigne le plus souvent le champ vectoriel , en dehors du cas spécifique de l'étude des milieux continus. C'est bien de ce champ qu'il est question dans le présent article.
Description thumb|Le moment magnétique de l'aiguille aimantée se traduit par sa tendance à s'aligner dans le champ magnétique terrestre.
La manifestation historique la plus élémentaire du champ magnétique est celle du champ magnétique terrestre, à travers sa tendance à faire tourner l'aiguille d'une boussole : laissée libre de tourner, l'aiguille s'aligne dans la direction du pôle nord, ce qui montre qu'elle subit un moment qui tend à l'aligner dans cette direction. Le couple qui tend à ramener l'aiguille aimantée sur la direction du pôle magnétique est le produit vectoriel d'une grandeur vectorielle intensive caractéristique du lieu, le champ magnétique (ou densité de flux magnétique) (supposé localement uniforme), et d'une quantité vectorielle extensive, caractéristique de l'aiguille, son moment magnétique . Cette relation se traduit mathématiquement par : . Cette définition donne donc une méthode permettant, en pratique, de mesurer le champ en un point à partir d'un système comportant un moment magnétique déterminé. La même méthode permet symétriquement de mesurer le moment magnétique d'un échantillon inconnu placé dans un champ magnétique connu.
Mathématiquement, le champ magnétique est ainsi décrit par un champ pseudo vectorielOn parle aussi, de façon équivalente, d'un champ de vecteurs axiaux, un « vecteur axial » étant simplement un pseudovecteur., qui se rapproche d'un champ de vecteurs par plusieurs aspects, mais présente quelques subtilités au niveau des symétries. Ceci étant dit, cette expérience primitive ne dit rien sur la nature du champ magnétique, ni sur celle du moment magnétique d'un objet qui s'y déplace.
Au , l'étude de l'électromagnétisme a montré le lien entre électricité et magnétisme, à travers la force de Laplace : un conducteur parcouru par un courant électrique est également soumis à une force linéique sur chaque élément de longueur , donnée par : . Cette équation, en faisant le lien entre le magnétisme et l'électricité, donne également la dimension de la densité de flux magnétique en fonction de ces grandeurs de base : si une force (exprimée en ) est créée par une intensité (A) fois une longueur (m) fois un champ magnétique, c'est donc que ce dernier s'exprime normalement en .
La discipline qui étudie les champs statiques ou « quasi stationnaires » (ne dépendant pas du temps, ou faiblement) est la magnétostatique. Le champ magnétique n'apparaît cependant dans sa pleine dimension qu'en dynamique.
Dans un premier temps, les équations décrivant l'évolution du champ magnétique sont appelées équations de Maxwell, en l'honneur de James Clerk Maxwell qui les a publiées en 1873. Le champ magnétique et le champ électrique sont les deux composantes du champ électromagnétique décrit par l'électromagnétisme, pour un observateur au repos. Des ondes électromagnétiques peuvent se propager librement dans l'espace, et dans la plupart des matériaux. Ces ondes portent des noms différents (ondes radio, micro-onde, infrarouge, lumière, ultraviolet, rayons X et rayons gamma) selon leur longueur d'onde.
C'est cependant Albert Einstein qui dans un deuxième temps, en 1905, a proposé le premier la vision la plus cohérente du lien entre électrodynamique et champ magnétique, dans le cadre de la relativité restreinte qu'il venait de découvrir et qui en est indissociable. Lorsqu'une charge électrique se déplace, on doit employer les transformations de Lorentz pour calculer l'effet de cette charge sur l'observateur. Cette réécriture donne une composante du champ qui n'agit que sur les charges se déplaçant : ce que l'on appelle le « champ magnétique ».
Les applications de la maîtrise de ce champ sont nombreuses, même dans la vie courante : outre le fait que celui-ci est une composante de la lumière, il justifie l'attraction des aimants, l'orientation des boussoles et permet entre autres la construction d'alternateurs et de moteurs électriques. Le stockage d'informations sur bandes magnétiques ou disques durs se fait à l'aide de champs magnétiques. Des champs magnétiques de très forte intensité sont utilisés dans les accélérateurs de particules ou les tokamaks pour focaliser un faisceau de particules très énergétiques dans le but de les faire entrer en collision. Les champs magnétiques sont également omniprésents en astronomie, où ils sont à l'origine de nombreux phénomènes comme le rayonnement synchrotron et le rayonnement de courbure, ainsi que la formation de jets dans les régions où l'on observe un disque d'accrétion. Le rayonnement synchrotron est également abondamment utilisé dans de nombreuses applications industrielles.
Historique
Antiquité Dès le , les philosophes grecs décrivaient — et tentaient d'expliquer — l'effet de minerais riches en magnétite. Ces roches étaient issues entre autres de la cité de Magnésie : elle donna son nom au phénomène.
L'aiguille « Montre-sud » est mentionnée pour la première fois au par Shen Kuo et, même s'il y a des attestations de la connaissance de l'aimant en Chine dès le , le problème du magnétisme terrestre apparaît beaucoup plus tard. L'utilisation de la boussole dans les techniques de navigation daterait du et son usage exact reste à préciser du fait d'une navigation essentiellement côtière à cette époque. Les boussoles faisaient usage du champ magnétique terrestre, qui se trouve être aujourd'hui à peu près aligné avec l'axe de rotation terrestre, raison pour laquelle une boussole, en indiquant le pôle magnétique, indique aussi (quoique approximativement) la direction du pôle géographique terrestre.
En Occident, Pierre de Maricourt fut l'un des premiers à travailler sur le magnétisme et publia, en 1269, son Epistola de Magnete à peu près à la même époque que les savants chinois. Au-delà du simple problème des priorités, il serait intéressant de savoir comment certaines techniques ont pu voyager et s'il n'est pas possible que des développements parallèles, et chronologiquement presque concomitants, se soient produits.
En , pour les encyclopédistes des Lumières, « le magnétisme est le nom général qu’on donne aux différentes propriétés de l’aimant »Jean Le Rond d'Alembert, Encyclopédie ou Dictionnaire raisonné des sciences, des arts et des métiers, tome 9, 1765, , p. 860 (lire en ligne, sur Wikisource).. Ils attribuent ses effets à une « matière subtileOn retrouve ici l'un des obstacles épistémologiques les plus difficiles à surmonter et cher à Gaston Bachelard : le substantialisme c'est-à-dire l’explication monotone des propriétés physiques par la substance. De la même façon, on définira longtemps l'électricité comme « un fluide infiniment subtil » et la chaleur comme un élément, le calorique. Voir La formation de l'esprit scientifique p. 24., différente de l’air » (parce que ces phénomènes ont également lieu dans le vide) qu’ils appellent magnétique. Plus loin ils affirment que « c’est encore une question non moins difficile que de savoir s’il y a quelque rapport entre la cause du magnétisme & celle de l’électricité, car on ne connoît guère mieux l’une que l’autre. »
Jusqu'au début des années 1820 on ne connaissait que le magnétisme des aimants naturels à base de magnétite.
thumb|Hans Christian Ørsted, Der Geist in der Natur, 1854.