Introduction - Nathalie Rion

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Montage n° 17
Expériences portant sur le champ magnétique ; applications.
Introduction
Le magnétisme est connu depuis l’Antiquité puisque les chinois utilisaient déjà des boussoles
pour s’orienter. Il a fallu cependant plusieurs siècles pour comprendre ce qu‘était exactement ce
champ magnétique et encore plus pour l’utiliser. Nous allons découvrir, dans ce montage…
I.
I.1
I.1.1
Notion de champ magnétique
Les sources de champ magnétique
La terre
Il y a une source de champ magnétique que nous connaissons tous et qui
est connue depuis fort longtemps : la terre. L’aiguille aimantée d’une
boussole, en l’absence de perturbation extérieure, s’oriente toujours selon
la direction du champ magnétique terrestre (: le nord de la boussole indique la
direction du sud magnétique. – difficile à expliquer à ce stade…)
 Expérience : boussole sur un rétroprojecteur. (ordre de grandeur du
champ magnétique terrestre : environ 20 T)
I.1.2 L’aimant permanent
Il existe également des matériaux qui ont des propriétés magnétiques. Le pouvoir de la pierre d’aimant
ou magnétite (Fe3O4) qui se plaque aux outils d’acier est connu depuis l’antiquité. On parle aujourd’hui
d’aimants permanents.
 Expérience : on approche un côté d’un aimant droit de la boussole qui se trouve tjs sur le
rétroprojecteur : elle est déviée : me champ magnétique a une direction.
 Si on tourne l’aiguille aimantée de 180°, elle revient dans sa position initiale : le champ
magnétique a un sens
 Si on approche l’autre côté de l’aimant, elle est déviée dans l’autre sens.
 Conclusion : l’aimant droit est une source de champ magnétique. Le champ magnétique a
une direction et un sens. Les 2 côtés de l’aimant ne jouent pas le même rôle : on dit qu’il
possède 2 pôles (pôle nord et pôle sud).
Quelles sont les caractéristiques de ces pôles ?
 Expérience : 2 aimants droits. Les pôles de même nature se repoussent. Les pôles de
nature différente s’attirent. (Expériences décrites par Pierre de Maricourt en 1269). Donc le pôle
nord de la boussole est attirée par le pôle sud de la terre (que l’on appelle le sud magnétique –
qui coïncide à quelque degrés près avec le nord géographique. Voilà pourquoi on dit que le
pôle nord de la boussole indique le nord)
Un aimant droit est constitué d’un pôle nord et d’un pôle sud. Si
je coupe cet aimant en deux, aurais-je dans une main un pôle
nord et dans l’autre un pôle sud ? (de Maricourt également)
 Expérience : on coupe un aimant droit en 2. Visualiser
avec la boussole sur le rétroprojecteur que le ½ aimant se
comporte comme le grand.
 Conclusion : l’aimantation n’est pas une propriété
macroscopique du matériau, mais une propriété
microscopique. (environ 0,02 T)
I.1.3 Fil parcouru par un courant
Nous avons vu des aimants naturels. Est-on capable de générer artificiellement un champ magnétique ?
Nous allons reproduire l’expérience réalisée par hasard par Oersted en 1820 (lors d’une expérience sur
la pile de Volta) : un fil parcouru par un courant, créé un champ magnétique.
 Expérience : fil, générateur, interrupteur, lampe, boussole, rétroprojecteur. On place l’aiguille
de la boussole dans la direction du sud magnétique. Dès la fermeture de l’interrupteur, la lampe
s’allume (preuve que le courant traverse le circuit) et l’aiguille de la boussole est déviée.
 Quand on ouvre le circuit, l’aiguille n’est plus déviée.
 Quand on change la polarité du générateur, l’aiguille est dévié dans l’autre sens.
 Quand on augmente l’intensité du courant (soit avec un géné réglable, soit en mettant un
rhéostat dans le circuit), l’aiguille est d’avantage déviée ( ???)
 Conclusion : Un fil parcouru par un courant créé un champ magnétique supérieur au champ
magnétique terrestre. Son sens dépend du sens du courant dans le conducteur. (de 1 à 5 T
pour les électroaimants : application : grue de levage pour transporter des métaux et les
relâcher, il suffit d’alimenter en courant pour aimanter et ouvrir le circuit pour désaimanter)
I.2
Le spectre magnétique
On l’a vu avec l’aiguille aimantée, certains matériaux prennent une orientation privilégiés sous l’effet d’un
champ magnétique. Nous allons utiliser de la paille de fer, qui va pouvoir s’orienter dans la direction du
champ magnétique dont elle subit l’influence.
 Expérience : rétroprojecteur, paille fer en capsules, aimant droit, aimant en U. On place la
paille de fer sur le rétroprojecteur. Pas d’orientation privilégiée (les pailles ne subissent pas
l’influence du champ magnétique terrestre). Avec un aimant droit, les pailles s’orientent dans la
direction du champ magnétique. On est alors capable de dessiner le spectre du champ
magnétique.
 Conclusion : Le champ magnétique est une grandeur vectorielle. Son intensité diminue avec
l’éloignement de l’aimant (les pailles sont moins déviées).
II.
Champ magnétique créé par une bobine
II.1
II.1.1
Solénoïde
Variation de B à l’intérieur du solénoïde
Un solénoïde est constitué d’un fil de cuivre recouvert d’un isolant, enroulé autour d’un axe.
Parcouru par un courant, il produira un champ magnétique. A l’aide d’un teslamètre, nous allons
mesurer la valeur du champ magnétique à l’intérieur du solénoïde. A l’aide de la boussole, nous
montrons la direction et le sens du champ à l’intérieur du solénoïde.
On déplace la sonde à l’intérieur du solénoïde et on trace B=f(x). On montre que la valeur de B
est à peu près constante à l’intérieur du solénoïde.
II.1.2
Relation entre B et I
Bellier
Les caractéristiques de la bobine sont : longueur ℓ = 50 cm et N = 500 ou 1000 spires.
Le nombre de spires par unité de longueur est donc : N/ℓ= 1000 ou 2000spires / m.
Mesurons B pour différentes valeurs de l'intensité du courant I :
Observation :
 La courbe B (I) est une droite passant par
l'origine l'équation peut donc s'écrire B = k.I
Δ
 Le coefficient directeur k= Δ est proportionnel
au rapport N/ℓ
On mesure k 1,25.10-6 N/ℓ et la quantité 1,25.10-6 est
indépendante de la géométrie de la
bobine.
II.1.3
II.2
II.2.1
Théorie
Bobine de Helmholtz
Variation de B au voisinage de la bobine
Bellier
On déplace la sonde sur un axe horizontal.
Tracer B=f(x) et vérifier que B=
II.2.2
0 
2
2
(1 + 2 )−1,5
Création d’un champ magnétique uniforme à l’aide de 2 bobines
Si on place 2 bobines identiques alimentées par un courant de même intensité, et distantes de
R, le champ entre les 2 bobines est constant.
Application : IRM
Pour générer des champs magnétiques plus importants, on voit que l’on peut agir sur la
géométrie de la bobine et également sur l’intensité. Or, si on augmente l’intensité de I, il y a
échauffement par effet Joule des conducteurs, donc des pertes.
Aujourd’hui, on utilise des matériaux supraconducteurs (pas d’échauffement), mais nécessité
de maintenir l’ensemble au froid. On arrive à des valeurs de B de 10 à 40 T
II.2.3
III.
Théorie
Applications
III.1 Déviation d’un faisceau d’électrons
Un fil parcouru par un courant, donc des particules chargées en déplacement dans un fil sont capables
de créer un champ magnétique. A l’inverse, quel est l’effet du champ magnétique sur des particules
chargées ? pour cela, nous allons utiliser un oscilloscope en position XY. L’affichage correspond en fait
à un faisceau d’électrons.
 Expérience : on approche un pôle de l’aimant droit de l’écran : le faisceau est dévié vers le
bas. Si on approche l’autre pôle, il est dévié vers le haut.
 Conclusion : un champ magnétique créé une force capable de dévier des particules
⃗⃗. On est capable de remonter à la direction de
chargées. C’est la force de Lorentz : ⃗ = ⃗ ∧ 
⃗⃗. (si F est vers le bas, B est vers la droite.)

Rq : on peut faire l’expérience avec les bobines de Helmoltz et une alimentation haute tension (6,3 V)
On utilise ce phénomène dans les télévisions (écran cathodique), les oscilloscopes, les
spectromètre de masse. (les électrons sont dans un premier temps accélérés par un champ E.
Puis ils sont déviés par B. Le rayon de la trajectoire circulaire de déviation des e- est
proportionnel à la masse des particules
Conclusion
Comme nous venons de le voir avec la force de Lorentz, il est facile de transformer de l’énergie
électrique en énergie mécanique et inversement. Les application sont nombreuses (moteurs
électriques, alternateurs, transformateurs…). Les forces magnétiques sont des forces d’action à
distance. Les frottements sont donc nuls. Cette particularité est utilisée pour le train à lévitation
magnétique développé par les allemands et les japonais (les japonais utilisent les
supraconducteurs, d’où la nécessité d’un refroidissement). Ce train est capable de rouler a une
vitesse très importante (400 km/h), consomme moins d’énergie, peut prendre des virages +
serrés, monter des pentes plus importantes. Les recherches s’orientent aujourd’hui vers la
production de champ magnétiques de plus en plus intenses (possibilité de mettre des gouttes
d’eau (=matériau non ferromagnétique…) en lévitation.
BIBLIO
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Expériences de physique – Duffait – ed Bréal
Montages de physique – Bellier – ed Dunod
Quaranta – boussoles p.65 – champ magnétique p.90 -
Questions
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A quoi est dû le champ magnétique terrestre ? il est créé par le noyau liquide
Aurores boréales ? le champ magnétique terrestre bloque les vents solaires, constitués de particules très
énergétiques, sauf au niveau des pôles. C’est là que l’on peut observer les aurores boréales.
Nord géographique/nord magnétique ? le nord géographique coïncide à peut près avec le sud
magnétique (le pôle nord de la boussole est attiré par le pôle sud magnétique). Il y a fluctuation au cours
du temps de la position du pôle nord magnétique (dû aux courants de convection à l’intérieur de la terre)
Comment sait-on qu’il y a eu ces inversions au cours du temps ? grâce à la solidification des roches
en fusion qui s’alignent dans la direction du champ magnétique de l’époque.
Dans l’expérience d’Oersted, pourquoi la boussole n’est pas  au fil ? (le champ créé par le fil est
radial) il y a superposition de la composante horizontale du champ magnétique terrestre et du champ créé
par le fil (1 ordre de grandeur seulement entre les 2. On ne peut donc pas négliger le champ magn
terrestre devant celui créé par le fil).
Connaître le principe de la sonde à effet Hall :
Fonctionnement de l’IRM : on magnétise les protons contenus dans le corps. Ils prennent tous la même
orientation. Quand on arrête le champ magnétique, il reviennent dans leur position initiale en émettant de
l’énergie. C’est cette énergie que l’on mesure. (livre 1ère S)
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