T.D Sciences physiques La force de Laplace et Acide

T.D sciences physiques 3
ème
année M et Sc-exp La force de Laplace page - 1 -
T.D Sciences physiques La force de Laplace et Acide-base 3
ème
M et Sc-exp
E
A
N
M
A’
B
B
B
B’
I- La force de Laplace
Exercice N°1 :
Deux rails conducteurs rectilignes sont disposés horizontalement, parallèles entre eux et sont distants d'une
longueur L = MN=10cm. Une tige de cuivre cylindrique de masse m=30g est libre de rouler sur ces deux rails et
assure entre eux un contact électrique. La résistance électrique du circuit ainsi formé est négligeable.
1°) Définir puis rappeler les caractéristiques de la force de Laplace.
2°) Cette tige est placée dans l'entrefer de l'aimant en U qui
crée un champ magnétique uniforme et vertical dans la région
limitée par les rails (AB) et (A’B’) et de valeur
B =100mT.
Les deux rails sont reliés aux bornes d'un générateur de courant
continu d’intensité I=5A.
Représenter puis calculer la valeur de la force de Laplace
exercée sur l'élément de circuit MN.
3°) Pour bloquer la tige on réalise le montage suivant en
conservant les valeurs de I et de
B
.
a) Faire le bilan des forces exercées sur la tige (MN).
b) En exploitant la condition d’équilibre de la tige donner
l’expression de la valeur de la masse M en fonction de I, L,
B et g puis calculer sa valeur g =10N.kg
-1
4°) Les rails sont à présent inclinés d'un angle de α=10° par
rapport à l'horizontale.
a) Faire le bilan des forces exercées sur la tige (MN) en équilibre.
b) L'intensité I du courant dans la tige est –elle suffisante pour qu'elle reste
immobile sur les rails. Si non calculer sa valeur.
c) Reprendre la question précédente avec le champ magnétique
perpendiculaire aux rails dans le plan.
Exercice N°2 :
Un fil conducteur en cuivre OA rigide et homogène, de masse m, de longueur l, est suspendu par son
extrémité supérieure en O à un axe fixe ∆, autour duquel il peut tourner sans frottement ; sa partie inférieure
plonge dans une cuve contenant du mercure lui permettant de faire partie d’un circuit
électrique comprenant un rhéostat et un générateur de tension continue G qui plonge
dans une région où règne un champ magnétique uniforme
B
orthogonal au plan de la
figure.
En fermant l’interrupteur K, un courant électrique d’intensité I traverse le fil OA et
celui-ci prend la position indiquée par le schéma ci-contre.
1) Représenter les forces exercées sur le fil.
2) Indiquer sur le schéma le sens du courant électrique.
3) En appliquant la condition d’équilibre à la tige, Calculer l’angle α que fait le fil
conducteur avec la verticale.
On donne : I = 5A, l=25 cm, m=8g et B =0,05 T.
Exercice N°3 :
On considère le dispositif représenté sur la figure 1:
OA est une tige conductrice de longueur OA = L = 40 cm de masse m = 3 g, mobile autour d’une axe
horizontal passant par son extrémité O.
E
A
N
M
A’
B’
B
B
B
E
A
N
M
A’
B’
B
B
M
O
A
G
K
B
α

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ème
année M et Sc-exp La force de Laplace page - 2 -
L’autre extrémité A est reliée à un fil souple conducteur ne gênant nullement le mouvement possible de
la tige. Cette tige est soumise à l’action d’un champ magnétique uniforme
1
B perpendiculaire au plan de la
figure de valeur 1
B = 0,1 T. Ce champ 1 B règne dans une région limitée par AC = l = 10 cm.
Au point M de la tige tel que OM = 10 cm est attaché un ressort horizontal ; isolant de raideur
K = 23 N. m
-1
.
Lorsque la tige est traversée par un courant d’intensité I
1
= 10 A ; elle dévie d’un angle
α
= 8° et se
stabilise dans une nouvelle position d’équilibre (voir figure 2).
On suppose que la déviation
α
est faible de façon que la partie plongée dans le champ reste sensiblement
la même et le ressort reste horizontal et allongé de ∆l.
1°) a – Indiquer le sens du courant traversant la tige.
b – Donner les caractéristiques de la force de la place exercée sur la tige.
2°) a – Faire le bilan des forces exercées sur la tige lorsqu’elle parcourue par le courant I
1
.
b- En appliquant le théorème des moments à la tige, déterminer l’allongement du ressort ∆l.
3°) On enlève le ressort et on superpose au champ 1
B un autre champ 2 B perpendiculaire au plan de la
figure et opposé à 1
B .
Le champ 2
B règne dans une région de façon que la tige soit totalement plongée dans cette région.
La tige est toujours parcourue par le même courant I
1
= 10 A et dans le même sens que 2°) ;
La déviation de la tige par rapport à la verticale est alors θ = 4° ;
a – Faire le bilan des forces exercées sur la tige.
b – Déterminer la valeur du champ magnétique 2
B .
4°) Dans cette question la tige OA est isolée du montage précèdent ; elle est liée au bras d’une balance
dont les deux bras sont isolants et égaux.
La tige est maintenue horizontale dans un plan perpendiculaire au plan de la figure 3 et elle est
parcourue par un courant d’intensité I
3
. Ce courant est amené par deux fils souples et de masse
négligeable.
La tige est complètement plongée dans un champ 3 B horizontal et contenu dans le plan de la figure tel
que 3 B = 5.10
-2
T.
En l’absence de courant I
3
; la tige OA
et le fléau sont en équilibre horizontaux.
Lorsque la tige est traversée par I
3
; il
faut placer une masse m
0
= 4 g sur le
plateau P pour rétablir l’équilibre
horizontal.
a – Déduire de ces expériences les caractéristiques de la force de Laplace.
b – Préciser le sens du courant I
3
et calculer sa valeur.
α
α
1
B
O
1
B
5
5
M
O
A
C
M
A
Fig1 Fig2
(P)
A
O
3
B
O’
m
0