4.2. Champ magnétique créé par un solénoïde

1° S - Cours de physique :
Le magnétisme
1. Les aimants
1.1. Définition
Un aimant est un objet qui a la propriété d'attirer le fer et d'autres matériaux dits magnétiques.
1.2. pôles d'un aimant
Seules certaines zones de l'aimant sont aimantés, ce sont ses pôles. un aimant possède toujours un
nombre pair de pôles, le plus souvent 2.
Un aimant droit libre de s'orienter le fait selon une direction fixe correspondant approximativement
à la direction sud/nord : c'est le principe de la boussole.
Le pôle qui désigne le nord est appelé pôle nord. L'autre pôle (qui désigne le sud) est appelé pôle sud.
Interactions entre deux pôles magnétiques :
- Deux pôles de même nom (N/N o u S/S) se repoussent
- Deux pôles de nom différent (N/S ou S/N) s'attirent.
2. Le champ magnétique
2.1. Définition
Un aimant modifie autour de lui les propriétés magnétiques de l'espace. On dit
qu'il crée un champ magnétique qui peut être détecté par l'aiguille d'une
boussole.
2.2. Vecteur champ magnétique
Le champ magnétique en un point M de l'espace peut être caractérisé par le
vecteur champ
magnétique noté B (M) dont les caractéristiques sont :
- origine : le point M
- direction : celle donnée par l'aiguille d'une boussole située en M
- sens : du pôle sud vers le pôle nord de l'aiguille
- valeur (ou intensité) : elle s'exprime en tesla (T) est peut être mesurée avec un teslamètre.
2.3. Lignes de champ
Une ligne de champ magnétique est une courbe qui, en chacun de ses points est tangente au vecteur
champ magnétique. Elle est orientée dans le sens du vecteur champ magnétique.
2.4. Spectre magnétique
Il est possible de visualiser le spectre magnétique d'un champ
(ensemble des lignes de champ) en rependant de la limaille de fer
autour de la source du champ magnétique.
2.5. Champ magnétique uniforme
Un champ magnétique est uniforme dans une région de l'espace si le vecteur champ magnétique B est
constant (même direction, même sens et même intensité) dans toute cette région.
2.6. Superposition de deux champs magnétiques
En un point m de l'espace où règne plusieurs champs magnétiques différents, le champ magnétique
résultant est égal à la somme vectorielle des différents champs.
B (M) = B1 + B2 + .... + B n
3. Sources de champ magnétique
Un aimant ou un conducteur électrique parcouru par du courant sont des sources de champ
magnétiques.
La Terre se comporte comme un aimant droit dont les pôles nord
et Sud sont situés sensiblement comme les pôles nord et sud
géographiques.
Remarque : le pôle Nord d'une boussole désigne le Nord
géographique parce qu'il est attiré dans cette direction : le pôle
"Nord" de l'aimant Terre est donc en réalité un pôle Sud.
4. Exemples de champ magnétiques crées par des courants
4.1. Champ magnétique créé par un fil rectiligne parcouru
par un courant
Règle de l’observateur d’Ampère: l’observateur d’Ampère est placé sur le fil, le
courant entrant par ses pieds, sortant par sa tête. Regardant le point M où il veut
connaître le sens de B . Son bras gauche indique le sens de B .
Règle de la main droite: on plaque la main droite contre le fil, la paume face au
point M et les doigts (autre que le pouce) orientés dans le sens du courant, le
pouce indique le sens de B au point M
4.2. Champ magnétique créé par un solénoïde
Un solénoïde est une bobine constituée de l'enroulement d'un fil électrique isolé autour d'un support
cylindrique. Il est formé de spires circulaires coaxiales de même rayon.
A l'intérieur d'un solénoïde dont le rayon est négligeable devant la longueur, le champ magnétique est
uniforme est sa valeur est :
B = µ0. n. I
µ0 : constante physique universelle appelée perméabilité magnétique du vide µ0 = 4π. 10-7 S.I ;
n=
N
: nombre de spires par unité de longueur (m-1) ;
L
I : intensité du courant (A).
Son orientation (direction et sens) peut être déterminée par la règle du bonhomme d'Ampère ou par
la règle de la main droite.
5. Forces électromagnétiques
5.1. Force de Laplace
Une portion de conducteur électrique parcourue par un courant électrique et placée dans un champ
magnétique est soumise à une force électromagnétique appelée force de Laplace.
La valeur de la force de Laplace est donnée par l'expression suivante (loi de Laplace) :
F = B. I. L. sin α
B : valeur du champ magnétique (T) ;
I : intensité du courant (A) ;
L : longueur de la portion de conducteur placée dans le champ magnétique (m) ;
α : angle entre la direction du courant et celle du champ magnétique.
La direction et le sens du vecteur force F peuvent être déterminée en appliquant une des deux
règles suivantes.
Règle de l’observateur d’Ampère : l’observateur d’Ampère est couché sur le fil, le
courant entrant par ses pieds. Il regarde dans la direction et le sens de B . La
direction et le sens de la force sont donnés par son bras gauche.
Règle de la main droite : placer le pouce, l’index et le majeur perpendiculaires les
uns par rapport aux autres. Le pouce représente la direction et le sens de la
poussée (force), l’index pour l’intensité et le majeur pour le champ magnétique
5.2. Applications
Les forces de Laplace ont de très nombreuses applications :
- le haut parleur : la bobine d'un haut-parleur, solidaire de la membrane, vibre au rythme des
variations du courant qui la traverse sous l'action de la force de Laplace dû à la présence d'un aimant
permanent à son voisinage.
- le moteur électrique : dans un moteur électrique, une bobine mobile rotor) est mise en mouvement
sous l'action des forces de Laplace auxquelles elle est soumise du fait de la proximité d'un aimant
cylindrique fixe (stator).