ÉLECTROMAGNÉTISME

FCMN 15 mars 2005
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I – Introduction : les phénomènes magnétiques
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Certains corps naturels tel que la “pierre d’aimant” ou magnétite Fe3O4 (du nom de la ville de magnésie en
Asie Mineure) ont la propriété d’attirer le fer. L'aimantation temporaire acquise ainsi par le fer est signalée par
Aristote. Par frottement contre un aimant naturel certains métaux acquièrent des propriétés analogues ; c'est le
cas de l'acier.
On ne sait à quelle époque il fut constaté qu'un aimant libre de tourner prenait à la surface de la Terre une
orientation privilégiée. Dans le cas d'une aiguille aimantée, la direction prise est très voisine de celle du méridien
du lieu Nord-Sud ; d'où les dénominations de pôle Nord et de pôle Sud données à leurs extrémités.
Des lois qualitatives furent rapidement établies : répulsion entre deux pôles de même nom, attraction entre
pôles différents.
Au début du XIXe siècle, le lien du magnétisme avec l'électricité fit progresser rapidement l'étude du
magnétisme.
En 1819, l'expérience de Oersted mit en évidence l'effet du courant
électrique sur un aimant : un fil conducteur rectiligne est placé
parallèlement à une aiguille aimantée montée sur un pivot ; lorsqu'un
courant continu parcourt le conducteur, l'aiguille s'oriente
perpendiculairement au fil et le sens change avec le sens du courant.
L'analogie avec les effets produits par les aimants est plus frappante si on utilise une bobine (un conducteur
enroulé en spires jointives). Lorsque la bobine est parcourue par un courant électrique, elle produit sur une
aiguille aimantée les mêmes effets qu'un aimant dont les pôles seraient les extrémités de la bobine. La nature
Nord ou Sud des pôles dépend du sens du courant.
Les effets sont encore accentués lorsqu'un barreau de fer doux est glissé
dans la bobine parcourue par un courant ; ce barreau acquiert alors toutes
les propriétés d'un aimant.
L'effet réciproque du précédent existe : un conducteur mobile, parcouru par un courant électrique et placé au
voisinage d'un aimant, est soumis à des actions mécaniques qui le déplacent. De même l'inversion du sens du
courant change le sens des effets.
Expérience du rail de Laplace : une tige métallique, mobile sur des rails métalliques, traversée par un courant
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On recherche toujours “la charge magnétique”. Les corps magnétiques qui nous sont familiers sont toujours des dipôles. Un aimant permanent, par
exemple, possède un pôle Sud et un pôle Nord, et toute tentative d’isoler une “charge magnétique” est vaine : un aimant coupé en deux, donne deux aimants
ayant chacun un pôle Sud et un pôle Nord !
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se déplace lorsqu'elle est placée dans l'entrefer d'un aimant en U.
Expérience de la bobine suspendue par des fils souples qui prend, comme un aimant, la direction Nord-Sud
lorsqu'elle est parcourue par un courant (réagit comme un aimant à l'action d'un autre aimant).
Des effets semblables apparaissent chaque fois qu'il y a un courant électrique donc un mouvement de
particules chargées. Le conducteur peut être solide comme précédemment, liquide (mercure, électrolyte) ou
encore un faisceau de particules chargées dans le vide.
Expérience de l'aimant qui dévie le faisceau d'électrons du tube cathodique d'un oscilloscope.
Un conducteur parcouru par un courant électrique est, d'une part, source d'effets magnétiques et, d'autre
part, peut subir ces effets magnétiques. Ce conducteur se comporte comme un aimant.
On peut prévoir qu'il y a interaction entre deux courants électriques. C'est à Ampère que l'on doit une
présentation cohérente de tous ces effets magnétiques.
II- Champ magnétique
Nous avons vu que les effets magnétiques procèdent d'une interaction à distance.
Quels que soient les effets magnétiques observés en un point de l'espace, une grandeur est nécessaire pour
les décrire et une seule : c'est un champ vectoriel, appelé champ magnétique noté
B
(on dit encore
«champ d'induction magnétique » ou « vecteur induction magnétique »).
Pour définir ce champ magnétique, il suffit de choisir un de ses effets. Nous prendrons le phénomène de l'action
magnétique sur de la limaille de fer ou de petits aimants droits.
Les grains de limaille se comportent comme des petites aiguilles aimantées et matérialisent les lignes de
champ. La figure obtenue est le spectre magnétique.
En tout point M, le champ magnétique est représenté par un vecteur
B
dont les caractéristiques sont :
- l'origine au point M considéré ;
- la direction, celle de la tangente à la ligne de champ passant par le point M ;
- le sens, celui de la ligne de champ du pôle Nord vers le pôle Sud à l'extérieur de la source ;
- l'intensité, la valeur mesurée avec un teslamètre est exprimée en tesla (T).
1- Sens du champ magnétique pour une bobine
Deux méthodes très simples sont disponibles :
- La règle du tire-bouchon de Maxwell : le sens de rotation du tire-bouchon est celui du courant
et sa progression indique le sens des lignes de champ donc le sens du champ magnétique.
- Le tracé très simple d'un S "fléché", ou d'un N "fléchés", qui
respecte le sens du courant donne les pôles de la bobine.

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2- Intensité du champ magnétique
La valeur B du champ magnétique est mesurée à l'aide d'un teslamètre à sonde de hall. La sonde délivre une
tension proportionnelle au champ magnétique.
L'unité de l'intensité du champ magnétique est le tesla de symbole T.
On utilise un sous-multiple le gauss de symbole G : 1 G = 1.10-4 T
Ordres de grandeurs : entrefer d'un électroaimant : 0,1 T à 2 T.
bobine supraconductrice : 5 T à 50 T (dans un petit volume)
3- Ferromagnétisme
Le fer, le nickel, le cobalt et leurs alliages sont des substances magnétiques : elles sont ferromagnétiques.
Un noyau de fer doux placé dans un champ
magnétique canalise les lignes de champ et
augmente la valeur du champ magnétique.
Cette propriété est utilisée dans les électroaimants et les moteurs ; l'aimantation est temporaire.
Propriété : les corps ferromagnétiques perdent leurs propriétés ferromagnétiques
à des températures supérieures à la température de Curie TC.
III- Force électromagnétique
1- Rail de Laplace
Dans le chapitre d'introduction, nous avons rencontré l'expérience du rail de Laplace.
Une tige métallique, mobile sur des rails métalliques, est
placée dans l'entrefer d'un aimant en U.
Elle se met en mouvement lorsqu'elle est traversée par un
courant.
Un champ magnétique exerce une force sur un
conducteur parcouru par un courant : c'est la force électromagnétique de Laplace.
2- Force de Laplace
Un élément conducteur de longueur l, parcouru par un courant d'intensité I et placé dans un champ magnétique
B
est soumis à la force de Laplace
F
dont les caractéristiques sont :
- l'origine, au milieu du conducteur ;
- la direction, orthogonale au plan formé par le conducteur et le champ ;
- le sens, déterminé par la règle des trois doigts de la main droite ou par le bras gauche du bonhomme
d'Ampère
- l'intensité, exprimée en newton et donnée par la relation : F = B I l sin 
  avec F : force de Laplace (N)
toile protectrice
aimant

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B : champ magnétique (T)
I : intensité du courant (A)
l : longueur du conducteur (m)
 : angle entre le champ et le conducteur

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cône
ligne neutre
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3- Sens de la force de Laplace
 Règle des trois doigts de la main droite : (Démarreur : moteur)
Majeur : Magnétisme (champ magnétique
B
)
Index : Intensité (sens du courant
I
)
Pouce : Poussée (force
F
)
 Règle du bonhomme d'Ampère : Le courant entre par les pieds du bonhomme d'Ampère qui regarde dans
le sens du champ magnétique. Son bras gauche indique le sens de la force.
Représentation d'un vecteur
F
orthogonal au plan de la figure.
On considère la pointe et l'empennage d'une flèche.
Le vecteur est dirigé vers Le vecteur est dirigé en
l'arrière du plan ; on voit en avant du plan ; on voit
l'empennage de la flèche. la pointe de la flèche.
4- Applications
Les moteurs et le haut-parleur sont des applications des forces électromagnétiques.
a) Moteurs
Dans un moteur électrique, le stator (statique) canalise vers son centre le champ produit par un aimant ou
un électroaimant. Le champ est dit radial : il est orthogonal au rotor.
Le rotor est un cylindre de fer doux qui
porte des conducteurs. Les conducteurs
opposés sont reliés et forment une
spire.
Le collecteur et les balais inverse le
sens du courant dans la spire lorsqu'elle
traverse la ligne neutre.
Les conducteurs d'une même spire sont soumis à des forces électromagnétiques de même direction,
de même intensité mais de sens opposés. Ces forces constituent un couple qui fait tourner le rotor.
b) Haut-parleur électrodynamique
Une bobine est placée dans l'entrefer d'un aimant annulaire.
La bobine est solidaire d'un cône (ou membrane) qui transmet
le mouvement de la bobine à l'air ambiant qui produit un son.
L'aimant produit un champ magnétique radial.
Lorsqu'un courant circule dans la bobine, chaque spire est soumise
à des forces de Laplace. Ces forces de Laplace provoquent un
déplacement verticale vers le haut, ou vers le bas de la bobine donc
du cône.
La force de Laplace est proportionnelle à l'intensité du courant :
F = B I l sin 
Si le courant varie, la force va suivre ses variations en sens et en
intensité. Le cône va donc vibrer et émettre un son de même
fréquence que le courant dans la bobine.
Sur le schéma ci-contre de la coupe transversale du haut-parleur, la
bobine se déplace vers l'arrière pour le sens choisi du courant.
F
B
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