Chapitre P12 : Le magnétisme

I) Qu'est-ce que le champ magnétique ?1) Comment détecter un champ magnétique ?Expérience : Voir fiche Expériences 1 et 2En un lieu donné, une aiguille aimantée, pouvant tourner dans un plan horizontal, s'oriente toujours selon la même direction et le même sens, tout comme une boussole. Si on l'écarte d'une position d'équilibre, elle reprend la même orientation après quelques oscillations : elle subit une action mécanique.Une aiguille aimantée permet donc de détecter le champ magnétique terrestre.Lorsque l'on approche un aimant droit de l'aiguille aimanté, son orientation change et dépend de sa position par rapport à l'aimant : elle est donc sensible au champ magnétique créé par l'aimant.Un aimant est une source de champ magnétique. Une aiguille aimantée permet de détecter un champ magnétique, quelle qu'en soit son origine.

2) Quelles sont les caractéristiques du champ magnétique ?Le champ magnétique qui règne en un point de l'espace peut-être caractérisé par un vecteur, appelé vecteur champ magnétique et noté B . Ses caractéristiques sont les suivantes :

➢ point d'application : point de l'espace ou règne le champ magnétiques.➢ Direction : celle prise par une aiguille aimantée dont le centre est placé en ce point.➢ Sens : par convention il va du pôle sud de l'aiguille vers son pôle nord.➢ Valeur : elle se mesure avec un teslamètre et s'exprime en tesla (T).

Expérience : Représenter, en explicitant votre méthode, le vecteur B en différents points de l'espace autour de l'aimant droit. Déterminer de quels paramètres dépend la valeur du champ magnétique créé par l'aimant.Matériel à disposition : aimant droit, aiguille aimantée, teslamètre.Méthode : Il suffit de placer l'aiguille aimantée au point ou l'on veut tracer B pour obtenir sa direction et son sens. On mesure sa valeur à l'aide du teslamètre.

Conclusion : La valeur d'un champ magnétique en un point dépend de la position de ce point par rapport à la source (ou aux sources) du champ magnétique.

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On donne à titre indicatif quelques valeurs de champ magnétique émis par quelques sources (pour un même point) :

Source Valeur de B (en T)Corps humain 3×10-10

La Terre 5×10-5

Aimant en céramique 0,02Électroaimant De 1 à 5Bobines supraconductrices De 10 à 40

3) Que se passe-t-il si deux champ magnétiques se superposent ?Expérience : Voir fiche expérience On obtient :

Conclusion : En un point de l'espace où règnent plusieurs champs magnétiques, le champ magnétique résultant est égal à la somme vectorielle des différents champs.

Btotal= B1 B2... Bn

4) Comment visualiser un champ magnétique ?Expérience : aimant + poudre de fer (ou plaque alvéolée) Observations de spectres magnétiques.

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M D

DA1

A2

B1(M)

B2(M) B(M)

N

N

Observations :La poudre de fer s'est répartie selon des lignes.Interprétation : Sous l'action du champ magnétique créé par l'aimant, la limaille de fer (ou les aiguilles métalliques contenues dans les alvéoles de la plaque) se comportent comme un ensemble de petites aiguilles aimantées. Elles s'orientent en fonction du champ magnétique au point considéré.Conclusion :

• La figure observée à l'aide la poudre de fer est appelée spectre magnétique.• Les lignes formées par la poudre de fer sont appelées des lignes de champs. Le champ

magnétique est en tout point de cette ligne, tangent à la ligne de champ. La ligne de champ représente la direction du champ magnétique existant en tout point de la ligne.

Quelques spectres magnétiques : ➔ Spectre magnétique créé par un aimant droit :

➔ Spectre créé par un aimant en U :

Propriétés des lignes de champs : • Les lignes de champs se referment toujours sur elles-mêmes. • Les lignes de champs ont un sens, celui du champ magnétique, toujours du nord vers le sud.• On voit que les lignes de champ situées entre les deux branches de l'aimant en U sont parallèles :

les vecteurs champs magnétiques ont la même direction le même sens et la même valeur. On dit que le champ magnétique est uniforme.

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II) Quelles sont les propriétés des champs magnétiques créés par des courants électriques ?1) L'expérience d'Oersted : Expérience : On place une boussole à proximité d'un fil conducteur parcouru par un courant d'intensité de l'ordre de 5 à 10A.Observations : On constate que lorsque le fil est parcouru par un courant d'intensité suffisamment élevé, l'aiguille aimantée de la boussole change de direction.Interprétation : La déviation de l'aiguille aimantée de la boussole est due à l'apparition d'un champ magnétique qui se superpose au champ magnétique terrestre.

Voir la vidéo sur l'expérience d'OerstedConclusion : Les courants électriques sont des sources de champs magnétiques.Quelles sont les caractéristiques du champ créé par un fil rectiligne parcouru par un courant électrique ?

➢ Les lignes de champ sont des cercles centrés sur le fil

➢ Le sens des lignes de champ se déterminer à l'aide de la règle du tire bouchon.

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Dispositif d'Oersted

Représente le sens du courant

Représente le sens de la ligne de champ

M M

I

BT BT

Bfi l

Brésultant

Fil conducteur

Champ magnétique terrestre

Champ magnétique créé par le fil rectiligne parcouru par un courant

➢ Le vecteur champ magnétique B M créé en un point M quelconque par le fil rectiligne appartient au plan contenant le point M et perpendiculaire au fil.

➢ La valeur du champ au point M est proportionnelle à l'intensité I du courant qui traverse le fil : soit B(M) = k×I. La constante k (exprimée en T.A-1) dépend du point ou l'on mesure le champ.

3) Champ magnétique créé par un solénoïde : • Qu'est-ce qu'un solénoïde ?

On appelle spire, une boucle de courant fermée. Un solénoïde est un dipôle constitué d'un enroulement de spires circulaires autour d'un support cylindrique. Par définition, le rayon du cylindre doit être petit devant sa longueur.

• Étude du champ magnétique créé par un solénoïde lorsqu'il est parcouru par un courant électrique :

Expérience : On réalise avec de la paille de fer, le spectre magnétique d'un solénoïde : Observations :

➢ Le sens des lignes de champ se déduit de la règle du tire bouchon.

➢ Les lignes de champ entrent par la face sud du solénoïde et sortent par la face nord. Comment déterminer les faces nord et sud du solénoïde : cela dépend du sens du courant dans les spires. Pour s'en souvenir :

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Exemple de solénoïde utilisé au laboratoire

Sens de I dans les spires

Sens de B

II

Remarque : on peut aussi utiliser la règle de la main droite pour repérer la face nord d'un solénoïde. Si on enroule le courant avec la paume de la main droite, la direction qu'indique le pouce donne le lieu de la face nord.

➢ A l'intérieur du solénoïde, les lignes de champ sont des droites parallèles, le champ magnétique est donc uniforme.

➢ A l'extérieur, du solénoïde, les lignes de champ ressemblent à celle d'un aimant droit.➢ La valeur du champ magnétique à l'intérieur du solénoïde vaut : B = μ0 × n × I

B est la valeur du champ magnétique en tesla (T)I est l'intensité du courant parcourant le solénoïde en ampère (A)n : est le nombre de spire par unité de longueur (m-1) μ0 = 4×π×10-7 T.m.A-1 est une constante.

Remarque : pour tout solénoïde : n = NL , ou N est le nombre de spires que contient le solénoïde et L

la longueur du solénoïde en m.

A retenir : La valeur d'un champ magnétique créé par un courant dépend de la géométrie de ce courant, de son intensité et de sa position par rapport au point de mesure.

III) Quelle est l'action d'un champ magnétique sur un courant électrique :1) La force de Laplace : a) Mise en évidence expérimentale du phénomène : Expérience du rail de Laplace : On dispose d'un aimant en U et d'un barreau de cuivre relié à un circuit électrique et dans lequel on fait passer un courant électrique.Schéma du montage :

VOIR la vidéo du résultat de l'expérience du rail le LaplaceObservations : Lorsque le circuit est ouvert (I = 0A), il ne se passe rien. Si on ferme le circuit on observe alors une mise en mouvement du barreau de cuivre. Interprétation : La mise en mouvement du barreau de cuivre est provoquée par l'apparition d'une force électromagnétique qui s'exerce sur la barreau.Conclusion : Une portion de circuit parcourue par un courant électrique et placé dans un champ magnétique est soumise à une force électromagnétique, appelée force de Laplace.b) Caractéristiques de la force de Laplace :

➢ Direction : D'après la deuxième loi de Newton, nous savons que la force de Laplace a la même direction que le vecteur variation de vitesse. Ainsi, nous en déduisons que le force de Laplace est perpendiculaire à la direction du courant électrique.

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➢ Sens de la force de Laplace : Lorsque l'on inverse le sens du courant électrique parcourant le barreau de cuivre, on constate qu'il se met en mouvement dans le sens opposé. Le même phénomène est observé si on retourne l'aimant en U (en inversant les pôles).Le sens de la force de Laplace dépend donc du sens du courant électrique dans le conducteur ainsi que du sens du champ magnétique.Remarque : pour déterminer le sens de la force de Laplace, on utilise la règle de la main droite. En utilisant sa main droite, on dirige le pouce dans le sens du courant, l'index dans le sens du champ magnétique, le majeure tenue perpendiculairement aux autres doigts donne le sens de la force de Laplace.

➢ Valeur de la force de Laplace : La valeur de la force de Laplace est donnée est par la relation :

F = I × L × B × sinα F est la valeur de la force de Laplace en newton (N)I est l'intensité du courant électrique dans le conducteur en ampère (A)L est la longueur du conducteur concernéα est la valeur de l'angle entre le conducteur et la direction du champ magnétique BExercices 18 et 19 p 2042) Applications : a) Le haut parleur électrodynamique :

➢ Description : Les principaux constituants du haut parleur sont l'aimant et la bobine. Ces deux éléments sont cylindriques de même axe, ainsi la bobine peut coulisser le long de l'aimant.Le champ magnétique a la même valeur en tout point de l'entrefer, et est toujours dirigé de l'intérieur vers l'extérieur. La membrane du haut-parleur est solidaire de la bobine.

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Règle de la main droite pour trouver le sens de la force de Laplace

Schéma en coupe d'un haut-parleur électrodynamique

➢ Fonctionnement : La bobine est traversé par un courant électrique et subit donc en présence du champ magnétique imposé par l'aimant, une force de Laplace qui va la mettre en mouvement. La membrane étant solidaire de la bobine elle sera également mise en mouvement. Le courant étant alternatif, il change de sens régulièrement, ainsi la force de Laplace change elle aussi de sens. La bobine et donc la membrane se mettent à vibrer, faisant vibrer l'air ce qui produit un son.Le haut parleur est un convertisseur d'énergie électrique en énergie mécanique (mouvement de tranches d'air.)

b) Le moteur à courant continu : Une autre application des forces de Laplace est le moteur électrique à courant continu. Très utilisé, il équipe notamment les TGV Sud-Est.

➢ Description :

Le moteur possède une partie mobile, le rotor, qui est constitué d'une bobine dans laquelle peut circuler un courant électrique.Le deuxième partie est une partie fixe, appelé stator, et qui est constituée d'un aimant. Le champ magnétique est radial, c'est à dire que ça direction est celle du rayon du cercle décrit par le rotor.

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suspension

spider

membrane

S

S

N

B

B

II

.

F

Le stator (aimant fixe)

Le rotor (bobine mobile)

B

F

➢ Le fonctionnement :

Pour comprendre le fonctionnement nous raisonnons sur une des spires (rectangulaire) de la bobine constituant le rotor. (schéma ci dessus)Le courant circule dans la spire mais dans deux sens opposés de chaque coté de la spire. Ainsi par interaction avec le champ magnétique créé par le stator, il se crée deux forces de Laplace s'appliquant chacune sur un coté de la spire et qui tendent toutes les deux à faire tourner la spire dans le même sens. Pour que la spire puisse effectuer un tour complet, il faut inverser le courant dans la spire à chaque demi-tour. Cette inversion est réalisée par le collecteur. Les balais servent au transport du courant de la partie fixe à la partie mobile.

Puissance des moteurs électriques usuels : Application Puissance alimentation

Montre à aiguille Environ 1mW Continu Ventilateur d'ordinateur Environ 1W Continu Imprimante 10 à 40W Continu ou alternatifRobot ménager 100 à 200W alternatifDémarreur automobile Environ 1kW continuAspirateur Environ 1,5kW alternatifTGV Quelques MW Continu (Sud Est)

Alternatif (depuis Atlantique)

IV) Le couplage électromécanique : 1) Qu'appelle-t-on couplage électromécanique ?Un couplage est un transfert d'énergie entre deux systèmes.On parle de couplage électromécanique car on peut effectuer une conversion électrique-mécanique aussi bien qu'une conversion mécanique électrique avec le même système (par exemple le moteur à courant continu).

2) Mise en évidence de cette réciprocité :Exemple de l'alternateur : Quand on déplace un aimant devant une bobine, il apparaît une tension aux bornes de la bobine. Ce phénomène est utilisé pour produire de l'électricité.La mise en mouvement d'un aimant ou d'un électroaimant devant une bobine permet de convertir de l'énergie mécanique (mouvement de l'aimant) en énergie électrique.

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I

I

I

Expérience de l'alternateur

La tension créée par le mouvement de l'aimant au voisinage de la bobine est observée à l'oscilloscope.

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