Electromagnétisme 2 - e

PHYSIQUE
Electromagnétisme
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ELECTROMAGNETISME - 2
Introduction
Les minerais magnétiques sont connus depuis 2500 ans : la magnétite, ou « pierre d’aimant », qui contient de
l’oxyde de fer (Fe3O4), était déjà extraite en Magnésie (Turquie), à cette époque.
L’origine de la magnétisation de la magnétite est le champ magnétique terrestre : la magnétite est présente
dans des roches d’origine volcanique, qui ont eu une phase liquide ou pâteuse au sein de laquelle de nombreuses zones microscopiques se sont organisées suivant le champ terrestre.
La magnétite est utilisée dans la marine chinoise dès le IVième siècle avant J.-C., à des fins d’orientation. Mais ce
n’est qu’au XIIième siècle après J.-C. que la boussole apparaît en Europe.
Certains oiseaux et certains poissons possèdent des grains de magnétite dans des organes spécialisés, et se
dirigent selon le champ magnétique terrestre lors de leurs migrations. Certaines bactéries en ont également.
En 1820, un Danois, Oersted, découvre par hasard qu’un courant électrique fait tourner l’aiguille d’une boussole. Le lien entre électricité et magnétisme apparaît ainsi pour la première fois : les charges électriques en
mouvement génèrent des champs magnétiques, qui agissent sur les objets ferromagnétiques (les charges
électriques, en mouvement ou au repos, génèrent aussi des champs électriques, qui agissent sur les charges
électriques). Inversément, une variation de flux magnétique à travers un circuit crée dans ce circuit l’apparition
d’un courant induit. Dès lors, les physiciens associent électricité et magnétisme au sein d’une nouvelle discipline, l’électromagnétisme, qui culmine avec l’écriture des équations de Maxwell en 1865. Ces équations, ramenées par la suite en un ensemble de 4 équations, sont parmi les plus élégantes de la physique.
Maxwell a aussi montré que la lumière est une onde électromagnétique, donc l’oscillation d’un champ électrique et d’un champ magnétique interdépendants.
L’une des grandes différences entre les charges électriques et le magnétisme, cependant, est que les charges
électriques peuvent exister en unités séparées (charge + / charge -), alors que les pôles magnétiques vont toujours au moins par deux (un pôle nord et un pôle sud), ce qui fait que les lignes de champ sont toujours fermées. Un pôle magnétique est le point où toutes les lignes de champ magnétique se rejoignent.
Le magnétisme existe sous différentes formes (ferromagnétisme, diamagnétisme, paramagnétisme), aux propriétés plus ou moins complexes, et a de nombreuses applications très intéressantes (supraconduction, courants de Foucault, freinage et lévitation magnétiques, ...). Nous nous limiterons, dans ce vaste domaine, à
l’étude expérimentale de quelques phénomènes liés au ferromagnétisme.
Vous pouvez prendre contact au 010/47 39 75 ou par mail à l’adresse [email protected]
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ELECTROMAGNETISME - 3
Ce kit comprend 9 sets identiques d’expériences sur l’électromagnétisme, ainsi qu’un set particulier comprenant des expériences de démonstration à faire par le professeur.
La durée de l’atelier complet est de 2 à 3 fois 50 minutes.
Dans cet atelier, les élèves vont
•
investiguer les aimants naturels (démonstration par le professeur)
• examiner le champ magnétique autour d’un aimant droit tel que visualisé par un montage de petites aiguilles aimantées (démonstration par le professeur)
•
fabriquer une boussole
•
tester les interactions entre pôles d’aiguilles de boussole
•
raisonner sur les pôles magnétiques terrestres et sur le rôle du champ magnétique terrestre s’étendant
dans l’espace (explications par le professeur)
•
rechercher les matériaux magnétiques
•
examiner les effets magnétiques des courants électriques (dispositif actionné par le professeur)
•
créer un électroaimant
•
examiner l’origine microscopique du champ magnétique (explications par le professeur)
•
produire des courants induits
•
investiguer les interactions courant – champ magnétique et déterminer expérimentalement le sens de la
force de Laplace
•
faire fonctionner une maquette de générateur de courant / moteur électrique
•
apprendre comment faire disparaître l’aimantation (explications du professeur)
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ELECTROMAGNETISME - 4
Matériel
Les 10 boîtes élèves contiennent chacune le même matériel :
•
2 boussoles
•
2 clous en acier
•
1 boulon en fer pur
•
des trombones
•
1 tronçon de cylindre en mousse (polyuréthane) pour soutenir le clou-boussole
•
1 barquette en plastique pour faire flotter le clou-boussole
•
des boîtes de Pétri contenant chrome, fer, nickel, carbone, cobalt
•
ou des morceaux de divers matériaux
•
1 barreau en aluminium
•
1 barreau en cuivre
•
1 bobine de 600 ou 800 spires
•
2 fils de connexion
•
4 pinces crocodile
•
1 micro-ampèremètre à zéro central ou 1 multimètre
Ce matériel s’accompagne par groupe , de
•
1 petit aimant cylindrique
•
1 grosse pile rectangulaire de 4,5 V
•
1 aimant puissant (attention à ne pas se pincer les doigts en les manipulant ; les garder
toujours séparés par un bloc de mousse), dont le pôle nord est marqué par une pastille rouge
et le sud par une verte
•
2 rails métalliques en T
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ELECTROMAGNETISME - 5
La boîte enseignant contient:
•
du matériel de réserve
•
1 échantillon de magnétite
•
1 grande aiguille de boussole sur pied
•
1 aimant droit
•
1 dispositif à petites aiguilles aimantées
•
du fil électrique enroulé sur un support en plastique
•
1 générateur de courant continu
•
1 modèle de générateur-moteur électrique
•
3 boussoles sur plaquette
•
De la limaille de fer
Le professeur prévoira en outre:
•
un rétroprojecteur
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ELECTROMAGNETISME - 6
Ressources
Afin d’aborder le thème de l’électromagnétisme, voici une liste non exhaustive des ressources
disponibles à Scienceinfuse :
Vidéos
C’est pas sorcier (25 min chacune)
Le magnétisme
Les coulisses d'un concert : faites parler les décibels !
Magnetic storm (50 min)
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ELECTROMAGNETISME - 7
Le magnétisme naturel
LES AIMANTS NATURELS
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ELECTROMAGNETISME - 8
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ELECTROMAGNETISME - 9
BOUSSOLES ET MAGNETISME TERRESTRE
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ELECTROMAGNETISME - 10
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ELECTROMAGNETISME - 11
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ELECTROMAGNETISME - 12
LES MATERIAUX MAGNETIQUES
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ELECTROMAGNETISME - 13
Effets magnétiques des courants
électriques
CHAMP MAGNETIQUE PRODUIT PAR UN COURANT
Un fil électrique est enroulé autour d’un parallélépipède rectangle et forme une bobine.
Placer des pe tes boussoles à l’intérieur de la bobine
Brancher le fil à une pile ou au générateur
Que constatez-vous ?
On constate que les aiguilles s’alignent
B
Tracez les lignes du champ magnéque B telles que montrées par les
boussoles en fonc on du sens
du courant
Règle déterminant le sens du champ magné que dans une bobine = règle de la main
droite
La main droite est placée sur les spires de façon telle que les doigts indiquent le sens
conven onnel du courant et que la paume soit tournée vers l’intérieur de la bobine;
le pouce écarté donne le sens des lignes de champ à l’intérieur de la bobine.
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ELECTROMAGNETISME - 14
Dans le cas d’un fil rec ligne traversé par un courant, les lignes du
champ magné que créé sont des
cercles disposés dans un plan perpendiculaire au fil.
Règle déterminant le sens du
champ magné que :
Règle du pouce droit
Si on enroule la main droite autour
du fil , le pouce indiquant le sens
conven onnel du courant, les
doigts recourbés donnent le sens
des lignes du champ magné que
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ELECTROMAGNETISME - 15
BOBINE + BARREAU EN ACIER (FER + CARBONE)
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ELECTROMAGNETISME - 16
BOBINE + BARREAU EN FER DOUX
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ELECTROMAGNETISME - 17
Origine du magnétisme
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ELECTROMAGNETISME - 18
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ELECTROMAGNETISME - 19
L’induction électromagnétique
Quand l’aimant est un mouvement, on détecte le passage d’un courant dans la
bobine. Si l’on inverse le sens du mouvement, le sens du courant change
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ELECTROMAGNETISME - 20
Interaction d’un courant électrique
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ELECTROMAGNETISME - 21
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ELECTROMAGNETISME - 22
Générateurs et moteurs
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ELECTROMAGNETISME - 23
Les moteurs électriques permettent de transformer l’énergie électrique fournie par le réseau en travail mécanique en fonction des besoins des divers utilisateurs.
Le moteur tourne alors en sens inverse.
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ELECTROMAGNETISME - 24
Désaimantation = destruction
de l'alignement et retour au
désordre
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