Champ magnétique - morissonphysique

Chapitre 5 : Electromagnétisme
Partie B.2 du programme officiel
TP-cours
I- Champ magnétique
1/ Sources de champs magnétiques
Citer des sources de champ magnétique. Pour les détecter, on peut utiliser une boussole ou un capteur.
2/ Propriétés du champ magnétique
Un champ magnétique agit sur son environnement suivant une direction, un sens et une norme : on utilise
donc l’outil « vecteur » noté B pour le représenter. La norme, en teslas (T), du champ magnétique est
mesurée avec un teslamètre.
L’ensemble des directions d’un champ magnétique (lignes de champ) est appelé « spectre magnétique ».
La direction et le sens d’un champ magnétique en un point sont obtenus grâce à une boussole : le champ
magnétique entre par le sud et sort par le nord. (on parle de pôle pour les aimants et de face pour les
bobines).
Tracer le spectre d’un aimant droit puis d’un aimant en U.
N
S
N
S
3/ Electroaimant
Une bobine parcourue par un courant crée un champ magnétique (la boussole est déviée).
a) Champ magnétique à l’intérieur d’une bobine
Mesurer le champ magnétique B en fonction de la positive x dans la bobine. On prendra x=0 lorsque le
teslamètre est au centre de la bobine. Tracer B(x). Commenter la courbe.
x (cm)
B (mT)
B (mT)
0
x (cm)
b) Champ magnétique en fonction de l’intensité
Placer le teslamètre au centre de la bobine et faire varier I de 0 à 1A MAX.
Tracer B(I). Etablir une loi expérimentale.
I (A)
B (mT)
B (mT)
0
I (A)
Complément :
La face d’une bobine est donnée par la règle
d’orientation ci-contre : Spectre d’une bobine
II- Actions d’un champ magnétique
1/ Sur un faisceau d’électrons en mouvement
Observation sur les électrons d’un tube cathodique (oscilloscope) :
2/ Sur un conducteur parcouru par un courant
Qu’est-ce que le courant ? En déduire l’action d’un champ magnétique sur un conducteur parcouru par un
courant.
Observation de vérification :
Le conducteur subit une force (le courant traduit le mouvement d’électrons donc on se retrouve dans le
cas précédent).

 
Cette force est appelée « force de Laplace » : F=I l B (voir cours de mécanique et exercices).
 


point d’application : milieu conducteur, direction : perpendiculaire à ( l, B) ; sens : le trièdre F, I l

, B est direct



 règle des trois doigts de la main droite : dans l’ordre F pousse, I l index et B majeur ;
 
norme : F= Isina lB avec a=( I l, B)
Exemple : représenter l’exemple de l’expérience ci-dessus.
Applications : haut-parleurs, moteurs électriques.
source : http://www.magma.fr/static/french/technique/images
III- Induction
1/ Induction : la source de champ magnétique est extérieure (aimant par exemple)
On bouge un aimant aux abords de la bobine aux bornes de laquelle on observe la tension :
Application : frein électromagnétique.
Interprétation : on sait qu’une bobine parcourue par un courant crée un champ magnétique : ce champ
magnétique s’oppose à la variation de champ magnétique subi. Le système « tente de rester dans son état
stable » en répondant à la loi de Lenz : le courant induit, par ses effets, s’oppose à la cause qui lui a donné
naissance.
2/ Auto-induction : la source de champ magnétique est la bobine elle-même (un courant la parcourt)
a) Energie stockée
Réaliser le montage ci-contre avec I=1A. Appuyer sur Standby pour éteindre.
Observation :
D
I
L
M
_
La bobine est capable de stocker de l’énergie dans son noyau : W= Error!LI² avec L inductance (dépend
des caractéristiques de la bobine) en henrys (H).
Calculer l’énergie stockée ici sachant que l’inductance est de 1H :
b) Tension aux bornes d’une bobine parfaite
u=L Error! en convention récepteur
u
i
L
Calculer u si i évolue linéairement, sachant que pour un écart de temps de 12s, l’intensité augmente de
0,5A.
Quelle est l’énergie stockée au bout de 6s ?
c) Modèle équivalent d’une bobine réelle
u=L Error!+ri
u
i
L, r

Chapitre 5 : Electromagnétisme
Partie B.2 du programme officiel
TP-cours complété
I- Champ magnétique
1/ Sources de champs magnétiques
Citer des sources de champ magnétique. Pour les détecter, on peut utiliser une boussole ou un capteur.
- centre de la Terre (champ magnétique terrestre)
- magnétite (oxyde de fer)
- matériaux préalablement aimantés (fer, nickel, cobalt)
- conducteur électrique parcouru par un courant (électroaimant)
2/ Propriétés du champ magnétique
Un champ magnétique agit sur son environnement suivant une direction, un sens et une norme : on utilise
donc l’outil « vecteur » noté B pour le représenter. La norme, en teslas (T), du champ magnétique est
mesurée avec un teslamètre.
L’ensemble des directions d’un champ magnétique (lignes de champ) est appelé « spectre magnétique ».
La direction et le sens d’un champ magnétique en un point sont obtenus grâce à une boussole : le champ
magnétique entre par le sud et sort par le nord. (on parle de pôle pour les aimants et de face pour les
bobines).
Tracer le spectre d’un aimant droit puis d’un aimant en U.
3/ Electroaimant
Une bobine parcourue par un courant crée un champ magnétique (la boussole est déviée).
a) Champ magnétique à l’intérieur d’une bobine
Mesurer le champ magnétique B en fonction de la positive x dans la bobine. On prendra x=0 lorsque le
teslamètre est au centre de la bobine. Tracer B(x). Commenter la courbe.
x (cm)
B (mT)
B (mT)
0
x (cm)
b) Champ magnétique en fonction de l’intensité
Placer le teslamètre au centre de la bobine et faire varier I de 0 à 1A MAX.
Tracer B(I). Etablir une loi expérimentale.
I (A)
B (mT)
B (mT)
B=kI
Le champ magnétique dans l’air est
proportionnel à l’intensité d’excitation.
0
I (A)
Complément :
La face d’une bobine est donnée par la règle
d’orientation ci-contre : Spectre d’une bobine
II- Actions d’un champ magnétique
1/ Sur un faisceau d’électrons en mouvement
Observation sur les électrons d’un tube cathodique (oscilloscope) :
Le champ magnétique dévie les électrons en mouvement perpendiculairement.
2/ Sur un conducteur parcouru par un courant
Qu’est-ce que le courant ? En déduire l’action d’un champ magnétique sur un conducteur parcouru par un
courant.
Observation de vérification :
Le courant correspond au déplacement d’électrons donc un conducteur parcouru par un courant sera
soumis à un ensemble de force qui peut être modélisée par une force centrée au milieu.
On observe, en effet un déplacement du fil lorsqu’il est parcouru par un courant. Ce déplacement dépend
de l’intensité, du sens du courant et du pôle magnétique présenté.
Le conducteur subit une force (le courant traduit le mouvement d’électrons donc on se retrouve dans le
cas précédent).

 
Cette force est appelée « force de Laplace » : F=I l B (voir cours de mécanique et exercices).
 


point d’application : milieu conducteur, direction : perpendiculaire à ( l, B) ; sens : le trièdre F, I l

, B est direct



 règle des trois doigts de la main droite : dans l’ordre F pousse, I l index et B majeur ;
 
norme : F= Isina lB avec a=( I l, B)
Exemple : représenter l’exemple de l’expérience ci-dessus.

I
B

F
N
S
Applications : haut-parleurs, moteurs électriques.
source : http://www.magma.fr/static/french/technique/images
III- Induction
1/ Induction : la source de champ magnétique est extérieure (aimant par exemple)
On bouge un aimant aux abords de la bobine aux bornes de laquelle on observe la tension :
On observe la création (l’induction) d’une tension en réaction aux mouvements.
Plus le mouvement est rapide, plus la tension est grande.
Ceci est le principe qui permet de créer de l’électricité dans les centrales.
Application : frein électromagnétique.
Un disque conducteur, en rotation et placé dans un
champ magnétique, ralentit. (Lorsque l’interrupteur
est ouvert le disque n’est pas freiné mais lorsque
l’interrupteur est fermé le disque ralentit).
I
Interprétation : on sait qu’une bobine parcourue par un courant crée un champ magnétique : ce champ
magnétique s’oppose à la variation de champ magnétique subi. Le système « tente de rester dans son état
stable » en répondant à la loi de Lenz : le courant induit, par ses effets, s’oppose à la cause qui lui a donné
naissance.
2/ Auto-induction : la source de champ magnétique est la bobine elle-même (un courant la parcourt)
a) Energie stockée
Réaliser le montage ci-contre avec I=1A. Appuyer sur Standby pour éteindre.
Observation :
Le moteur ne tourne pas lorsque le générateur est allumé, le courant
passe dans la bobine mais ne peut pas passer dans la diode.
Lorsque le générateur est éteint, le courant continue de passer dans la
bobine (dans le même sens) mais, au lieu d’aller vers le générateur qui
est éteint, il va vers le moteur et passe dans la diode.
La bobine peut donc stocker de l’énergie.
Elle s’oppose aux variations brusques de courant.
D
I
M
_
L
La bobine est capable de stocker de l’énergie dans son noyau : W= Error!LI² avec L inductance (dépend
des caractéristiques de la bobine) en henrys (H).
Calculer l’énergie stockée ici sachant que l’inductance est de 1H :
W= Error!LI² = 0,5J
b) Tension aux bornes d’une bobine parfaite
u=L Error! en convention récepteur
u
i
L
Calculer u si i évolue linéairement, sachant que pour un écart de temps de 12s, l’intensité augmente de
0,5A.
Quelle est l’énergie stockée au bout de 6s ?
u=LError! car l’évolution est linéaire.
 u= 0,042V
W=Error!LI²=0,031J avec I=0,25A car, pour un écart de 12s, l’intensité est de 0,5A.
c) Modèle équivalent d’une bobine réelle
u=L Error!+ri
u
u
i
L, r

r
L
ur
uL
i
Exercices Magnétisme sources Maazi (Nathan technique)
Exercice 1
Exercice 2
Exercice 3
Exercice 4
Exercice 5
Exercice 6
Exercice 7
Exercice 8 : induction, loi de Lenz
On dispose d’un circuit composé d’un conducteur en cuivre et d’une
tige mobile.

1/ Sur la figure ci-contre, représenter le champ magnétique B, dans
lequel est plongée la tige mobile AC.
N
C
A
S
2/ On fait glisser manuellement la tige vers la droite le long des rails.
D’après la loi de Lenz, dessiner la force électromagnétique ainsi induite. Justifier.
3/ En déduire le sens du courant induit dans le circuit.
Exercice 9 : auto-induction, bobine réelle
1/ Représenter le modèle électrique équivalent et annoté d’une bobine réelle
d’inductance L et de résistance r. Donner l’expression de la tension à ses
bornes quand elle est traversée par un courant i variable .
i(A)
2/ Un courant d'intensité i(t) ci-contre, circule dans une bobine
d'inductance L=100mH et de résistance r.
Tracer le graphe de la tension u(t) mesurée aux bornes de la bobine
avec r =0.
0,143
0
0,88
2,31 3,19 t(ms)
3/ Calculer l'énergie stockée dans la bobine à l’instant t=2ms.
Exercice 10 : auto-induction
Contrôle de connaissances Electromagnétisme
I- Champ magnétique
1/ Sources de champs magnétiques
Comment détecter la présence d’un champ magnétique ?
Citer deux sources de champ magnétique.
2/ Propriétés du champ magnétique
Quel appareil permet de mesurer le champ magnétique ?
Tracer le spectre d’un aimant droit puis d’un aimant en U.
Dessiner la boussole et le champ magnétique sur chaque point (de A à E).
A
N
B
E
S
D
N
C
S
3/ Electroaimant
Donner la loi expérimentale entre la norme du champ magnétique et l’intensité d’excitation du courant
dans la bobine.
Dessiner le champ magnétique au point O, en déduire les faces de la bobine.
O
I
II- Actions d’un champ magnétique
1/ Sur un faisceau d’électrons en mouvement
Que se passe-t-il lorsqu’on approche un aimant d’un faisceau d’électrons en mouvement ?
2/ Sur un conducteur parcouru par un courant
Qu’est-ce que le courant ? En déduire l’action d’un champ magnétique sur un conducteur parcouru par un
courant.
Citer deux exemples d’applications de ce phénomène.
III- Induction
1/ Induction : la source de champ magnétique est extérieure (aimant par exemple)
On bouge un aimant aux abords de la bobine. Que se passe-t-il ?
Interprétation : citer la loi de Lenz.
2/ Auto-induction : la source de champ magnétique est la bobine elle-même (un courant la parcourt)
a) Energie stockée
L inductance (dépend des caractéristiques de la bobine) en henrys (H).
u
Donner l’expression de l’énergie stockée par le noyau de la bobine.
i
L
b) Tension aux bornes d’une bobine parfaite
Donner l’expression de la tension aux bornes de la bobine.
Correction contrôle de connaissances Electromagnétisme
I- Champ magnétique
1/ Sources de champs magnétiques
Comment détecter la présence d’un champ magnétique ?
Pour les détecter, on peut utiliser une boussole ou un capteur.
Citer deux sources de champ magnétique.
- centre de la Terre (champ magnétique terrestre)
- magnétite (oxyde de fer)
2/ Propriétés du champ magnétique
Quel appareil permet de mesurer le champ magnétique ?
La norme, en teslas (T), du champ magnétique est mesurée avec un teslamètre.
Tracer le spectre d’un aimant droit puis d’un aimant en U.
Dessiner la boussole et le champ magnétique sur chaque point (de A à E).
A
N
B
C
E

S
D
N
B
S
3/ Electroaimant
Donner la loi expérimentale entre la norme du champ magnétique et l’intensité d’excitation du courant
dans la bobine.
B=kI avec k une constante
Le champ magnétique dans l’air est proportionnel à l’intensité d’excitation
Dessiner le champ magnétique au point O, en déduire les faces de la bobine.
face Nord

B
face Sud
O
I
II- Actions d’un champ magnétique
1/ Sur un faisceau d’électrons en mouvement
Que se passe-t-il lorsqu’on approche un aimant d’un faisceau d’électrons en mouvement ?
Le champ magnétique dévie les électrons en mouvement perpendiculairement.
2/ Sur un conducteur parcouru par un courant
Qu’est-ce que le courant ? En déduire l’action d’un champ magnétique sur un conducteur parcouru par un
courant.
Le courant correspond au déplacement d’électrons donc un conducteur parcouru par un courant sera
soumis à un ensemble de force qui peut être modélisée par une force centrée au milieu.
On observe, en effet un déplacement du fil lorsqu’il est parcouru par un courant. Ce déplacement dépend
de l’intensité, du sens du courant et du pôle magnétique présenté.
Citer deux exemples d’applications de ce phénomène.
Le haut-parleurs et les moteurs électriques utilisent ce principe.
III- Induction
1/ Induction : la source de champ magnétique est extérieure (aimant par exemple)
On bouge un aimant aux abords de la bobine. Que se passe-t-il ?
On observe la création (l’induction) d’une tension en réaction aux mouvements.
Plus le mouvement est rapide, plus la tension est grande.
Ceci est le principe permet de créer de l’électricité dans les centrales.
Interprétation : citer la loi de Lenz.
Le courant induit, par ses effets, s’oppose à la cause qui lui a donné naissance.
2/ Auto-induction : la source de champ magnétique est la bobine elle-même (un courant la parcourt)
a) Energie stockée
L inductance (dépend des caractéristiques de la bobine) en henrys (H).
u
Donner l’expression de l’énergie stockée par le noyau de la bobine.
W= Error!LI²
b) Tension aux bornes d’une bobine parfaite
Donner l’expression de la tension aux bornes de la bobine.
u=L Error!
i
L
Evaluation électromagnétisme
Exercice 1
P1
S
P3
P2
P4
N
N
P6
S
S
P5
N
Dessiner les lignes de champ magnétique et les orienter.
Dessiner le champ magnétique en chaque point sachant que B1= 3mT, B2= 8mT, B3= 3mT, B4= 5mT, B5= 3mT, B6= 9mT.
Indiquer le sens du courant i dans la bobine.
Exercice 2
Tracer et calculer la force que subit le conducteur dans chaque cas ci-dessous (on suppose que le champ magnétique est uniforme, on note a
la longueur du conducteur) :
I
I

I

B
I= 5A, B=200mT, a=3m

B
I= 15A, B=120mT, a=20cm
I= 0,3A, B=1,5T, a=50cm
Exercice 3
1/ Dessiner le modèle équivalent d’une bobine réelle (L,r) et
exprimer la tension à ses bornes.
B
i (mA)
17
2/ Calculer la tension aux bornes de la bobine à l’instant 5ms
sachant que L=1,2H et r =0,34.
3/ On suppose maintenant que la bobine est parfaite.
a) Quelle est la valeur de r ?
Que devient alors l’expression de la tension aux bornes de la bobine ?
b) Calculer l’énergie de la bobine à l’instant 5ms.
c)Tracer cette tension en fonction du temps.
0
u (V)
4,10
6,35
7,69
t (ms)
0
4,10
6,35
7,69
t (ms)
Correction Evaluation électromagnétisme
Exercice 1
P1
S
P3
P2
P4
N
N
P6
S
S
P5
N
Dessiner les lignes de champ magnétique et les orienter. voir le cours pour les lignes de champ, les vecteurs sont tangents à ces lignes
Dessiner le champ magnétique en chaque point sachant que B1= 3mT, B2= 8mT, B3= 3mT, B4= 5mT, B5= 3mT, B6= 9mT.
Indiquer le sens du courant i dans la bobine.
Exercice 2
Tracer et calculer la force que subit le conducteur dans chaque cas ci-dessous (on suppose que le champ magnétique est uniforme, on note a
la longueur du conducteur) :

I
F
I

I

F

B
B

I= 15A, B=120mT, a=20cm
I= 0,3A, B=1,5T, a=50cm
I= 5A, B=200mT, a=3m
F=IaBsin90°=3N
F=IaBsin90°=0,225N
Exercice 3
1/ Dessiner le modèle équivalent d’une bobine réelle (L,r) et
exprimer la tension à ses bornes.
B
F=0
i (mA)
u
17
u=L Error!+ri
r
L
i
uL 5ms
ur à l’instant
2/ Calculer la tension aux bornes de la bobine
sachant que L=1,2H et r =0,34.
u=L Error!+ri= 0+0,3417.103=5,78mV
0
u (V)
4,10
6,35
7,69
t (ms)
4,10
6,35
7,69
t (ms)
4,98
3/ On suppose maintenant que la bobine est parfaite.
a) Quelle est la valeur de r ? r=0
Que devient alors l’expression de la tension aux bornes de la bobine ?
u=L Error! = L Error!
0
b) Calculer l’énergie de la bobine à l’instant 5ms.
15,2
W= Error! LI² = 173µJ
c)Tracer cette tension en fonction du temps. u=
L Error! avec Error! le coefficient directeur de la courbe