Dans l`antiquité

TPE : travaux pratiques encadrés.
Problématique :
Qu’est- ce que le magnétisme ?
Comment l’appliquer à la création d’un verrou magnétique ?
Lucie Lalmand.
Nathalie Lambin.
Elodie Devos.
Année 2006-2007.
SOMMAIRE.
I-
Explication du champ magnétique.
A- Le champ magnétique.
B- Le champ magnétique créé par une bobine.
II-
Explication de l’électromagnétisme.
A- Dans quelles conditions une tension apparaît aux bornes d’une
bobine ?
B- Pourquoi peut-on dire qu’il y a conversion d’énergie électrique en
énergie mécanique et une conversion d’énergie mécanique en
énergie électrique ?
III- Expérience commentée.
A- Modélisation.
B- Expérience.
Conclusion
Introduction.
Les phénomènes électriques et magnétiques sont connus de la
plus haute antiquité. Les Grecs (Thalès) avaient déjà remarqué que
l'ambre attire les corps légers après avoir été frotté. D'autre part,
ils connaissaient une espèce de pierre appelait magnésie, qui avait la
vertu d'attirer les petits morceaux de fer. Plus tard, au Moyen-Âge,
cette pierre fut appelée aimant, du grec adamas qui veut dire "acier".
Ces deux phénomènes, celui de l'ambre (ou électrique) et celui de
l'aimant (ou magnétique) furent souvent confondus, car ils
consistaient tous les deux en une attraction, une force exercée à
distance, chose très mystérieuse à une époque où on ne concevait
naturellement que des forces de contact.
Les phénomènes électriques ne seront pas vraiment étudiés
avant le XVIIe siècle. Par contre, on écrira beaucoup plus sur les
phénomènes magnétiques, en raison de leur rôle dans le
fonctionnement de la boussole. Celle-ci, dans sa version primitive,
était une pierre d'aimant en forme d'aiguille flottant sur l'eau et
s'orientant d'elle-même vers le nord. L'invention est due aux chinois,
qui la transmirent aux Arabes, et ces derniers aux Occidentaux.
L'oeuvre d'Ampère
On savait depuis le début du XVIIIe siècle que le fer pouvait être
aimanté par la foudre et qu'il y avait donc une relation entre
l'électricité et le magnétisme. Or, en 1820, le Danois Christian
Oersted (1777 / 1851) découvre que le courant électrique en
provenance d'une pile dévie une boussole placée à proximité. Oersted
ne tente pas de quantifier sa découverte; c'est André-Marie
AMPERE qui le fera. Une semaine après avoir entendu une description
des travaux d'Oersted, il a déjà complété l'essentiel de la théorie de
l'électrodynamique.
Il procède à plusieurs expériences avec l'aide de Fresnel et
réussit à exprimer les phénomènes magnétiques à l'aide de
phénomènes électriques. Il montre qu'un aimant équivaut à une
bobine de fil dans laquelle passe un courant (solénoïde). II décrit la
force magnétique entre deux fils dans lesquels circulent des
courants, comment cette force varie en fonction de la distance entre
les fils et du sens des courants, etc. Il fait même l'hypothèse, en
avance sur son temps, que les propriétés magnétiques des matériaux
proviennent de ce que les molécules portent une boucle de courant
microscopique. Ampère observe même le phénomène de l'induction
mais ne songe pas à l'analyser en détail. L'un des à-côtés des travaux
d Ampère est la découverte, par Arago, de l'aimantation du fer par
un courant et son invention de l'électroaimant en 1820.
Faraday
&
Maxwell
La découverte manquée d'Ampère, l'induction, n'allait pas être
manquée par l'Anglais Michael FARADAY (1791 / 1867), sans doute
l'une des figures les plus sympathiques de l'histoire des sciences. La
découverte principale de Faraday est l'induction électromagnétique:
le fait qu'un flux magnétique variable induise un courant électrique
dans une boucle de fil fermée. Ainsi, non seulement l'électricité en
mouvement peut-elle produire un flux magnétique, mais l'inverse est
vrai aussi. Il utilisa cependant les notions de champ magnétique et de
champ électrique, les concevant comme des lignes de force qui
s'étendent dans l'espace.
C'est l'Écossais James Clerk MAXWELL (1831 / 1879) qui
prolongea les travaux de Faraday sur les fondement de
l'électromagnétisme et les décrivit en termes mathématiques. Il
synthétisa toutes les lois de l’électromagnétisme, dans un de ses
ouvrages. Maxwell dut introduire la notion de courant de déplacement
pour que l'ensemble des lois mathématiques de l'électricité et du
magnétisme ne soit pas en contradiction avec la conservation de la
quantité de charge électrique. Toutes ces lois peuvent alors être
exprimées sous la forme d'équations appelées équations de Maxwell
et forment la base de l'électromagnétisme tel qu'il est encore
enseigné aujourd’hui.
1- Explication du champ magnétique.
1- A.. Explication du champ magnétique.
Définition :
La champ magnétique est une grandeur physique engendrée par le
déplacement de charges électriques ou la proximité d’un matériau
ayant une perméabilité magnétique non nulle (un aimant). Le champ
généré est capable d’exercer une force sur d’autres charges
électriques en mouvement, ou de matériaux ayant une susceptibilité
magnétique non nulle.
Par exemple une aiguille aimantée placée au voisinage d’un aimant
s’oriente toujours dans la même direction, ce qui montre qu’un aimant
peut agir à distance sur une aiguille aimantée. Celui-ci crée donc
autour de lui un champ magnétique et l’aiguille aimantée sert à le
détecter.
Champ magnétique crée par un fil.
En 1819, Hans Christian Oersted, physicien danois, montre
expérimentalement l’existence des champs magnétiques créés par
des courants. Le physicien français André Ampère remarque, dès
1821, les analogies que présentent les actions mécaniques s’exerçant
respectivement entre courants, entre aimants et entre aimants et
courants.
Son expérience montre que lorsqu’un courant circule dans un fil,
une aiguille aimantée placée au voisinage de celui ci subit une action
mécanique qui a tendance à l’orienter perpendiculairement au fil. Il
existe donc un champ magnétique au voisinage d’un fil parcouru par un
courant.
Règle d’orientation :
Règle du bonhomme d’Ampère : le sens du vecteur champ
magnétique en un point est donné par le bras gauche d’un personnage
placé sur le fil , le courant entrant par les pieds, et qui regarde le
point.
1-B .Champ magnétique crée par une bobine
Une bobine parcouru par un courant électrique continue équivaut à
un aimant droit. Les faces nord et sud de la bobine, analogues aux
pôles d’un aimant, dépendent du sens du courant qui la parcourt. Les
lignes de champ créées à l’extérieur par un solénoïde ressemblent à
celles créées par un aiment droit. A l’intérieur du solénoïde, les lignes
de champ sont parallèles.
Le champ magnétique à l’intérieur du solénoïde est uniforme, sauf au
voisinage des extrémités.
On oriente le champ B à l’intérieur et, par conséquent, on oriente les
lignes de champ à l’aide d’une règle de la main droite qui permet de
trouver la face nord et la face sud. Les lignes de champ sortent par
la face nord et rentrent par la face sud du solénoïde: le pouce de la
main droite sort par la face nord de la bobine lorsque les autres
doigts indiquent le sens du courant d’intensité i.
Nous pouvons utiliser la loi de Laplace qui nous donne certaines
caractéristiques :
- Sa direction est orthogonale au fil et au vecteur F ;
- Son sens est donné par la règle de bonhomme d’Ampère ou la
règle des trois doigts de la main droite ;
- Son point d’application est le point C milieu du fil ;
- Sa valeur est donnée par : la valeur d’un champ magnétique d’une
bobine traversée par un courant d’intensité i, est sensiblement
uniforme, et a pour valeur :
F = I . l . B . sin α .
F : force exprimé en Newton (N)
I : intensité exprimée en Ampère (A)
l : longueur du solénoïde exprimé en mètre (m)
B : champ électromagnétique exprimé en Tesla (T)
α : angle que forme la direction de B avec celle du fil.
Dans une bobine, l’angle que forme le direction B avec celle du fil est
sensiblement égale à 90° donc sin 90 = 1.
A l’intérieur du solénoïde, loin des extrémités, le champ est uniforme
et parallèle à l’axe. Sa valeur est donnée par la relation :
B = µ0 (N.I)/l,
Avec µ0= 4Π . 10-7 dans le Système International d’unités (kg. m. A2 -2
.s ) ; l, la longueur du solénoïde, s’exprime en mètre (m), I en
ampère (A) et B en tesla (T) ; N est le nombre total de spires
constituant le solénoïde.
2-Explication de l’électromagnétisme.
2-A. dans quelles conditions une tension apparaît aux bornes de la
bobine ?
Principe de la conversion de l’énergie mécanique en énergie
électrique.
D’un mouvement rapide à la main, faisons entrer un pôle de la
bobine puis faisons le sortir.
En faisant cette manipulation nous avons pu observer l’apparition
d’une tension variable entre les bornes de la bobine le phénomène
analogue se produit si nous plaçons la bobine par rapport à l’aimant
rester fixe.
Nous pouvons donc déduire qu’une force électromotrice, associé au
mouvement de l’aimant par rapport à la bobine, apparaît au sein de
celle-ci. En fermant le circuit électrique de la bobine à la résistance.
La bobine se comporterait alors comme un générateur électrique.
Pour conclure la mise en mouvement d’un aimant ou d’un électroaimant
par rapport à un circuit électrique permet de convertir une partie de
l’énergie mécanique associé au mouvement en énergie électrique.
2-B. Pourquoi peut on dire qu’il a conversion d’énergie électronique en
énergie mécanique?
Couplage électromécanique.
Energie
électrique
Convertir
Energie
mécanique
Bobine
Conversion d’énergie électrique en énergie mécanique.
Un circuit électrique parcouru par un courant et soumis a un champ
magnétique et subit des forces électromagnétique ou force de
laplace.
Portion de circuit
parcouru par un
courant
Mise en mouvement
de la portion de circuit
Energie électrique.
Energie mécanique.
Action
champ
magnétique
Applications nombreuses : moteurs électrique, lave linge…
Moteur à courant continue.
Un moteur est constitué d’un cylindre formé de tôles empilées,
appelée rotor tournant autour d’un axe entre deux pôles
d’électroaimant, le stator. Les conducteurs associé en spires sont
logés dans les encoches de rotor et sont parcourus par un courant
électrique.
Une spire est soumise aux forces de Laplace qui provoque sa
rotation. La spire est reliée à l’alimentation par des balais qui
frottent sur les collecteurs. Lorsque la spire tourne, les collecteurs
permettent d’inverser le sens du courant qui la parcourt.
C’est grâce à ce changement de sens que le moteur est soumis a
des forces de Laplace ; qui font tourner la spire toujours dans le
même sens. Un moteur est donc un convertisseur d’énergie électrique
en énergie mécanique.
Conversion d’énergie mécanique en énergie électrique.
Portion de circuit
électrique en présence
d’un champ
magnétique.
Apparition d’une tension
aux bornes du conducteur
Energie électrique.
Energie mécanique.
Mouvement
relatif de la
portion de
circuit et du
champ
magnétique.
Applications nombreuses : les alternateurs des centrales
électriques permettent de fournir l’énergie électrique dont
l’industrie et les usagers ont besoin.
Les alternateurs.
Les alternateurs ont les mêmes fonctions qu’un aimant qui tourne
devant une bobine, ce qui provoque une tension alternative, dans les
alternateurs ce phénomène est utilisé pour produire une tension
électrique. Exemple de la vie quotidienne, la dynamo de la bicyclette
est un alternateur. Tandis que dans l’industrie, les alternateurs
utilisés, ont des électroaimants à la place de l’aimant, et leur champ
magnétique est plus fort. L’alternateur est donc un convertisseur
d’énergie mécanique en énergie électrique.
3-Expérience commentée.
3-A. Modélisation
Cf vidéo.
3-B. Explication.
Le verrou électromagnétique est composé d'une bobine, et d’un
aimant.
Son principe de fonctionnement est simple;
- Verrouillage qui consiste à mettre la bobine (proche de l'aimant)
sous tension, le courant développera un champ électromagnétique, qui
provoquera le coulissement de l'aimant à travers la porte (fermé).
La seule façon de l'ouvrir est d’empêcher le passage du courant.
L'inconvénient de se principe est qu'en cas de panne électrique,
l'ouverture et la fermeture de cette porte est stabilisé à l'état
voulu, décrit par ses normes de sécurité.
L’avantage est que l’on peut le fermer à distance.
Sur la fermeture
L’utilisateur du
verrou magnétique
Verrou magnétique
Permettre à l’utilisateur de fermer la porte grâce au verrou magnétique
CONCLUSION :
D’après ce que nous venons de vous expliquer. Nous pouvons créer un
verrou électromagnétique malgré des inconvénients qui persisteront.