activites (1°s) : champ magnetique

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ACTIVITES (1°S) : CHAMP MAGNETIQUE-CHAMP ELECTRIQUE
Objectifs :
-
Comment détecter un champ magnétique, un champ électrostatique.

 F
U
Relations E 
et E 
(condensateur plan).
d
q
Pratiquer une démarche expérimentale pour cartographier un champ magnétique ou électrostatique.
Prérequis :
-
I)
Notion de champ scalaire et de champ vectoriel
Vecteur champs et lignes de champ
CHAMP MAGNETIQUE
I-1) Détection d’un champ magnétique-Vecteur champ magnétique
Expérience 1 :
1.
Poser un aimant droit à plat sur votre table. La présence de l’aimant droit sur la table semble-t-elle
modifier son environnement proche ?
2.
Déplacer lentement une petite aiguille aimantée autour de l’aimant. Qu’observez-vous ? L’aimant
droit modifie-t-il son environnement proche ?
3.
L’aimant droit crée un champ magnétique à son voisinage. Quel est l’objet-test qui permet de mettre
en évidence ce champ magnétique ?
4.
Faire ci-dessous un schéma avec l’aiguille placée en 4 ou 5 positions autour de l’aimant. Les pôles nord
et sud de l’aiguille doivent être visibles. Mesurer avec le teslamètre les valeurs du champ magnétique
[en tesla (T)] en 2 endroits où vous avez choisi de placer l’aiguille. Indiquer ces valeurs sur votre
schéma.
N.B.
B  Bx2  B y2
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
5.
Justifier le fait que le champ magnétique soit un champ vectoriel. Le champ magnétique B crée par
l’aimant est-il uniforme (vecteur champ magnétique constant) ? Justifier.
I-2) Cartographier un champ magnétique
Rappel : Une ligne de champ vectoriel est une ligne tangente en chacun de ses points au vecteur champ. Elle est
orientée par une flèche dans le même sens que celui du champ vectoriel.
On admettra que la direction et le sens du champ magnétique en un point M de la table sont donnés par la
direction et le pôle nord de l’aiguille aimantée placée en ce point.
Expérience 2 :
Vous disposez de l’aimant droit, de la petite aiguille aimantée et d’une plaque qui contient de petits aimants.
1.
Proposer à votre professeur un protocole expérimental permettant de tracer quelques lignes de
champ magnétique crées par le barreau aimanté (cartographie). Indiquer sur ces lignes quelques
vecteurs champs magnétiques (sans souci d’échelle). Après accord de celui-ci réaliser le protocole et
cartographier ci-dessous le champ magnétique crée par l’aimant droit à son voisinage.
2.
Comparer vos résultats à la simulation « magnets-and-electromagnets_fr.jar »
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Expérience 3 (faites sur le bureau du professeur):
On dispose d’un aimant en U, de la petite aiguille aimantée de plusieurs plaques contenant de petits aimants et
d’un appareil photo. On réalise la cartographie du champ magnétique crée par l’aimant en U (voir photo en
annexe).
II)
CHAMP ELECTRIQUE
II-1) Détection d’un champ électrique
1
Charger négativement une règle en PVC par frottement sur un morceau de laine. La règle en PVC semble-telle modifier son environnement proche ?
2
Approcher de la règle en PVC la boule électriquement chargée négativement d’un pendule. Qu’observezvous ? La règle en PVC chargée électriquement modifie-t-elle son environnement proche ?
3
La règle en PVC chargée électriquement crée un champ électrostatique E à son voisinage. Quel est l’objet
test qui permet de mettre en évidence ce champ électrique ?



II-2) Relation entre force électrostatique F et champ électrostatique E
Animation : Ouvrir l’animation « 1S_ChampE.swf ». Cliquer sur « Play ».
On peut décomposer cette animation en 3 phases :
a. la valeur de la force de répulsion électrique augmente ;
b. la valeur de la force de répulsion électrique ne varie pas ;
c. la valeur de la force de répulsion électrique diminue.
1.
Pourquoi la force de Coulomb est-elle répulsive dans ce cas ?
2.
Rappeler l’expression de la valeur de la force de répulsion électrique entre deux objets porteurs de
charges électriques Q et q dont les centres sont éloignés d’une distance d.
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3.
A l’aide de l’expression précédente, justifier les évolutions observées pour chacune des trois phases de
l’animation.
On admettra que :

Le champ électrostatique est un champ vectoriel. La relation entre le champ électrostatique E crée par une

charge ponctuelle Q en un point A et la force électrostatique F qui s’exerce sur une charge test q ponctuelle
placée en ce point A est :

 F


ou F  q  E
E
q
4.
Donner l’expression de la valeur de E en fonction de k, Q et d.
5.
Compléter le schéma suivant en représentant les forces électriques

Fi s’exerçant sur chacune des

charges qi se trouvant successivement en Ai. Représenter le champ électrique E en chacun des points
Ai (pour un milieu donné et pour une charge source Q donnée, la valeur de E diminue lorsque la
distance entre qi et Q augmente).
A1
q1 >0
A2
q 2<0
A4
Q >0
q 4<0
A3
q 3>0
Que peut-on dire de la direction et du sens des lignes de champ dans le cas ou Q >0 ?
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6.
Même travail dans le cas suivant :
A1
q1 >0
A2
q 2>0
A4
Q <0
q 4<0
A3
q 3<0
Que peut-on dire de la direction et du sens des lignes de champ dans le cas ou Q < 0 ?
7.
Comparer vos résultats à ceux obtenus à l’aide de la simulation dont le lien figure ci-dessous (les
petites boules oranges sont des « capteurs » de champ) :
http://phet.colorado.edu/sims/charges-and-fields/charges-and-fields_fr.html
II-3) Cartographie du champ électrostatique créé par un condensateur plan
Sous l’effet d’une tension appliquée entre les deux armatures d’un condensateur, des électrons sont transférés
d’une armature à l’autre et celles-ci acquièrent les charges opposées +Q et – Q. Ces charges créent un champ

électrique E entre les deux armatures.
+
G
Q>0
-Q<0
champ
électrique
isolant électrique
électrode métallique
électrode métallique
Nous allons essayer de déterminer les caractéristiques de ce champ (direction, sens et valeur) à l’aide d’une
cuve rhéographique permettant de simuler un condensateur.
Expérience :
1.
Réaliser le montage schématisé ci-après :
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6V
-
+
y
électrodes de cuivre
x
O
cuve rhéographique
V
COM
V
sonde mobile
2.
Quelles sont les valeurs de la tension U lues sur le voltmètre quand la sonde est au contact de
l’armature reliée à la borne + du générateur ? à la borne – du générateur ? Ces valeurs dépendentelles du point de mesure sur les électrodes ?
3.
Que remarque-t-on si la sonde (tenue verticalement) est déplacée sur une ligne parallèle aux deux
électrodes ?
4.
En déduire l’allure des lignes équipotentielles entre les deux armatures. En représenter quelques unes
sur le schéma ci-après.
y
+
O
-
5.
x
+
Que remarque-t-on si la sonde (tenue verticalement) est déplacée de l’électrode négative vers
l’électrode positive ?
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
6.
On admettra que le champ électrique E est perpendiculaire aux lignes équipotentielles et dirigé dans
le sens des valeurs de U décroissantes. Représenter sur le schéma de la question 4 quelques lignes de

7.
champs et quelques vecteurs E sans souci d’échelles.
Faire les mesures nécessaires afin de tracer la courbe U=f(x) à l’aide d’un tableur. On pourra compléter
le tableau de mesure ci-dessous.
x(m)
0
U(V)
8.
Modéliser la courbe obtenue à l’aide de l’outil courbe de tendance du tableur. La modélisation
mathématique est-elle satisfaisante* ? Quelle est l’équation de la courbe obtenue ?
*On considérera la modélisation satisfaisante si le coefficient de détermination R 2 est supérieur ou égal à 0,98

9.
Sachant que la valeur du champ électrique E s’exprime en V.m-1, comment la déterminer à l’aide des
résultats de la modélisation ? Corriger éventuellement le graphique effectué en 4.