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. II.1 Champ magnétique créé par une bobine Solénoïde II.1.1 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 Le coefficient directeur k= 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 Théorie II.2 Bobine de Helmholtz II.2.1 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 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 Théorie III. 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 chargées. C’est la force de Lorentz : . On est capable de remonter à la direction de . (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 Expériences de physique – Duffait – ed Bréal Montages de physique – Bellier – ed Dunod Quaranta – boussoles p.65 – champ magnétique p.90 - Questions 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)
