III – B MAGNETISME, FORCES ELECTROMAGNETIQUES Les raisons de cet enseignement L’étude des champs magnétiques permet de boucler notre approche énergétique des phénomènes et de rapprocher, par l’étude des caractéristiques de la force électromagnétique de Laplace, l’électricité et les phénomènes mécaniques notamment à travers le concept de couplage électromagnétique. Dans le même temps on commence à construire le concept de champ. L’introduction de la force de Coulomb et de la force de Laplace pourrait conduire à une présentation du champ électrique en parallèle avec le champ magnétique. Le choix a été fait d’introduire la notion de champ (vectoriel) uniquement à propos du magnétisme. Les difficultés que rencontrent élèves avec la notion de champ sont bien connues : ils confondent le champ et la force et donnent bien souvent à celui-ci les attributs de celle-là. Les professeurs se heurtent à la difficulté pédagogique de différencier les deux concepts. De tous les champs de forces, le champ magnétique est sans doute celui qui permet le mieux d’établir cette différenciation. D’une part, par la réalisation de spectres ou en promenant une petite aiguille aimantée, il est facile de mettre en évidence les propriétés nouvelles que l’espace acquiert au voisinage d’un aimant ou d’un courant électrique. D’autre part, la force électromagnétique qui apparaît lorsqu’un courant est placé dans un champ magnétique n’a pas les caractères topographiques de celui-ci puisqu’elle lui est toujours perpendiculaire. Ces particularités du champ magnétique nous ont conduit à choisir son étude pour commencer à construire un concept réputé difficile. Là aussi, l’histoire est instructive. Si la notion de champ a été inventée à propos du magnétisme par Faraday, autodidacte, c’est bien parce que c’est à propos de ces phénomènes que son introduction est la plus intuitive. C’est un champ que l’on peut modifier à sa guise, en déplaçant tout simplement le montage sur la table ou en changeant l’intensité du courant qui le génère. C’est un champ « manipulable ». S’il s’agit de faire comprendre l’intérêt d’accrocher parfois un petit vecteur en chaque point de l’espace, c’est en se basant sur le magnétisme qu’on sera à l’évidence le plus convainquant. On peut bien sûr montrer des « lignes de champ » électriques, mais comme le champ électrique dans un conducteur parcouru par un courant n’est pas d’origine électrostatique, l’intérêt pédagogique de l’introduction du champ électrique, au niveau de la première, est moins fort que celui du champ magnétique. De même, le champ de gravité est en quelque sorte trop simple, trop omniprésent pour que son introduction en première soit clairement ressentie comme un avantage conceptuel par rapport à la force de gravité. Objectifs généraux 1. Etudier le caractère vectoriel du champ magnétique créé par le passage d’un courant électrique ou au voisinage d’un aimant. 2. Différencier le champ magnétique et la force électromagnétique créée par celui-ci sur un conducteur parcouru par un courant électrique. 3. Comprendre le principe de fonctionnement d’un moteur électrique (conversion d’énergie électrique en énergie mécanique) et d’un générateur électromagnétique (conversion réciproque). Notre intention est ici de nous en tenir à ces seuls objectifs en visant une approche modeste mais fondamentale de l’électromagnétisme. 23 UNE PREMIERE PROPOSITION DE PROGRESSION Activités : 5h 1TP : 2h Total : 7h Les 3h30 restantes sont consacrées à l’évaluation et aux corrections. Nature de Titre ou questions la séance Contenus Exemples d'activités Activités 1h30 De quoi est fait un moteur Action d’un courant sur un électrique ? aimant ; Transformation d’énergie électrique en travail mécanique dans un moteur. Activités 1h Comment un aimant ou une bobine alimentée par un courant modifient-ils les propriétés de l’espace environnant ? TP2h Quels sont les caractères Le champ créé en un point par le Additivité vectorielle de deux d’un champ magnétique ? courant passant dans une bobine champs magnétiques. est proportionnel à l’intensité du courant ; Le champ magnétique est une grandeur vectorielle. Activités 1h30 Comment calculer la Loi de Laplace. valeur de la force Rôle moteur des forces électromagnétique ? électromagnétiques. Couplage électromagnétique. Activités 1h Un moteur électrique peut- Etude qualitative du mouvement il être utilisé en d’un circuit dans un champ générateur ? magnétique. Réalisation et observation de spectres magnétiques. Mesure de la valeur du champ avec une sonde de Hall. 24 UNE DEUXIEME PROPOSITION DE PROGRESSION Objectifs Construire une première approche du concept de champ vectoriel et comprendre le principe de fonctionnement d’un dispositif électromécanique simplifié. Activités : 6h 2TP : 4h Total : 10h Le reste du temps disponible (5h HCE) est consacré aux contrôles et à leurs corrections. Nature de la séance Titre HCE 1h30 Champ magnétique. Champ magnétique créé par un courant. TP 2h TP 2h Contenus Exemples d’activités Action d’un aimant, d’un courant continu sur une très courte aiguille aimantée. Vecteur champ magnétique B : direction, sens, valeur et unité. Exemples de lignes de champ magnétique : champ magnétique uniforme. Champ magnétique créé par un courant rectiligne, un solénoïde. Mise en œuvre d’expériences montrant les caractéristiques du champ magnétique créé par un courant rectiligne, une bobine, un solénoïde. Réalisation de spectres magnétiques. Utilisation d’une sonde à effet Hall. Mise en évidence du champ magnétique terrestre. Proportionnalité de la valeur du champ B et l’intensité du courant en l’absence de milieux magnétiques. Superposition de deux champs magnétiques. Vérification expérimentale de la loi de Laplace. Utiliser la Loi de Laplace pour interpréter des expériences telles que : barre mobile sur rail, action entre courant parallèle, mouvement d’une bobine au voisinage d’un aimant. Observation du principe de fonctionnement : d’un haut-parleur dynamique. d’un moteur à courant continu. Observation du principe de fonctionnement d’un microphone électrodynamique, d’un alternateur. Etude documentaire. Champ magnétique créé par un courant Caractère vectoriel Super position de magnétique; deux champs magnétiques. du champ Loi de Laplace : direction, sens, Forces valeur de la force : F = I.. B.sin électromagnétiques. Conversion d’énergie électrique en énergie mécanique. Rôle moteur des forces de Laplace. Observation de l’effet réciproque associé au mouvement d’un circuit dans un champ magnétique. Conversion d’énergie mécanique en énergie électrique. du Histoire du magnétisme et de l’électromagnétisme. Ordre de grandeur des réalisations pratiques actuelles HCE 1h30 Couplage électromécanique. HCE 1h30 Histoire magnétisme 25