Activité n°3 : Vecteur champ magnétique

Mme GRISARD
Physique C : Electromagnétisme
CHAPITRE . . . . - T.P. n°. . . . .
Champs magnétiques
Classe : . . . . . . .
Date : . . . . . . . . . . . . .
Activité n°1 : Aimants
a) Magnétisme
 Placer différents objets sur la table (clous, pointes, punaises, pièces de
monnaies diverses, plaques en aluminium, en cuivre, morceau de bois, de
polystyrène, aiguilles aimantées…)
 Les trier à l’aide d’un aimant.
1. Quelle propriété de l’aimant cette expérience illustre-t-elle ?
2. Le contact avec l’aimant est-il nécessaire ? Pourquoi ?
3. Tous les objets attirés par l’aimant s’attirent-ils entre eux ?
b) Pôle Nord
4. Comment détermine-t-on la direction du pôle Nord ?
 Faire l’expérience.
5. Quelle caractéristique de notre planète cette expérience illustre-t-elle ?
 Ecarter légèrement de sa position d’équilibre l’aiguille aimantée, puis
la lâcher.
6. Décrire son comportement
 Déplacer la boussole dans la classe.
7. Sa direction est-elle toujours la même ? Pourquoi ?
Le champ magnétique terrestre n’est pas forcément horizontal.
 Utiliser l’aiguille aimantée suspendue à un fil pour vérifier cette
affirmation.
c) Pôles d’un aimant
 Approcher lentement deux aimants l’un de l’autre.
8. Y a-t-il répulsion ou attraction entre deux pôles de même nom ?
9. Comment déterminer les pôles d’un aimant inconnu ?
 Réaliser l’expérience sur une aiguille aimantée ou un aimant dont on
ne connaît pas les pôles.
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Champs magnétiques
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Activité n°2 : Spectres
Une ligne de champ est une courbe qui suit en chaque point la direction
du champ magnétique.
a) Lignes de champ créées par un aimant
 Bien mélanger un bocal contenant de la limaille de fer dans de l’huile.
 Approcher un aimant droit du bord du bocal et attendre en observant
les déplacements de la limaille de fer.
 Faire la même expérience avec un aimant en U
1. Pourquoi peut-on dire que chaque grain de limaille de fer se comporte
comme un petit aimant ?
 Placer une plaque de verre (ou de plexiglas) surélevée par des
bouchons au dessus d’un aimant droit
 Saupoudrer la plaque avec un peu de limaille de fer.
 Tapoter légèrement la plaque (par exemple avec un capuchon de stylo)
pour bien voir les lignes de champ.
2. Expliquer pourquoi ces deux expériences permettent de visualiser
quelques lignes de champ créé par l’aimant.
b) Lignes de champ créées par une bobine
 Saupoudrer d’un peu de limaille de fer une plaque de plexiglas portant
une bobine de cuivre.
 Alimenter cette bobine à l’aide d’une alimentation électrique (sans
dépasser une intensité de 2 A).
 Si besoin, tapoter légèrement la plaque pour bien voir les lignes de
champ.
3. Comparer le spectre obtenu avec celui de l’aimant.
2
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Activité n°3 : Vecteur champ magnétique
 Poser un aimant droit, pôle Nord sur la graduation zéro d’une règle.
 A l’aide d’un tesla mètre mesurer la valeur du champ magnétique à
différentes distances de l’aimant, et compléter le tableau ci-dessous :
Valeur du champ magnétique en fonction de la distance à l’aimant
Distance (cm)
2,5
5
7,5
10
15
20
Champ
magnétique (T)
 Au centre d’un rapporteur gradué, placer une aiguille aimantée à
10 cm du pôle Nord de cet aimant droit.
1. Comment s’oriente l’aiguille ?
 Orienter le rapporteur pour que l’aiguille s’aligne suivant l’angle 0°.
 Approcher lentement le pôle Nord d’un aimant identique au précédent
(depuis une distance grande d’au moins 30 cm) suivant la direction 90°
du rapporteur.
 Mesurer l’angle de l’aiguille pour différentes distances de l’aimant.
2. Pour chaque mesure, confirmer que l’angle  de déviation de l’aiguille
B2


tan


vérifier la relation suivante :
B1 , où B1 et B2 représentent les
valeurs des champs magnétiques créés par chacun des deux aimants au
point O du rapporteur.
Soit la relation suivante donnant le champ magnétique total en un point
en fonction de tous les champs Bi créés par les aimants présents autour
de ce point :

Btotal 


Bi
aimant i
Ecrire cette relation pour l’exemple précédent au point O. Faire le
schéma correspondant.
4. A l’aide de ce schéma, montrer que les mesures de tan() sont
compatibles avec cette relation.
 Retourner le second aimant. Que constatez-vous ?
3.
3
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Champs magnétiques
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
4
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90°
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Champs magnétiques
Classe : . . . . . .
80°
70°
60°
50°
40°
30°
20°
10°
0°
5
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Classe : . . . . . .
Act. n°4 : Expérience d’Oersted et loi de Laplace
b) Expérience d’Oersted
Une aiguille aimantée est placée sous un fil conducteur
 Orienter le fil conducteur de manière qu’il soit aligné avec l’aiguille.
 Mettre en route l’alimentation et faire passer un courant électrique
dans le fil conducteur, sans dépasser 2 A.
5. Noter vos observations.
6. Que démontre cette expérience ?
 Dans le circuit électrique, remplacer le fil de cuivre par une bobine de
cuivre entourée de quelques aiguilles aimantées, et réaliser la même
expérience.
7. Comment est orienté le champ magnétique créé à l’intérieur d’une
bobine traversée par un courant électrique ?
 Permuter les bornes de l’alimentation et recommencer l’expérience.
8. Le sens du champ magnétique dépend-il du sens du passage du courant
dans la bobine ?
c) Loi de Laplace
 Placer un barreau métallique en équilibre sur deux rails de manière
qu’il puisse rouler librement.
 Placer un gros aimant en U autour du barreau aimanté
 Mettre en route l’alimentation pour faire passer un courant dans le
barreau aimanté (maximum 2A).
9. Noter vos observations.
10. Votre observation confirme-t-elle que l’aimant n’exerce pas de force
sur les électrons immobiles du barreau métallique ?
11. Quelle observation indique que l’aimant exerce une force sur les
électrons en mouvement du barreau aimanté ?
 Permuter les pôles de l’aimant et recommencer l’expérience.
 Permuter les bornes de l’alimentation et recommencer l’expérience.
12. Interpréter vos observations.
6
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Champs magnétiques
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Activité n°4 : Créer une tension alternative
a) Aimant et bobine
 Placer le pôle Nord ou Sud d’un aimant au centre d’une bobine reliée à
un circuit électrique comportant deux DEL en dérivation.
1. Un champ magnétique fixe permet-il de créer un courant électrique
dans une bobine ?
 A partir de la position précédente, retirer très brusquement l’aimant de
la bobine (une des DEL doit s’allumer).
 Faire la même expérience avec l’autre pôle de l’aimant.
 Tourner la bobine d’un demi-tour et faire les mêmes expériences à
partir de l’autre face de la bobine.
2. Que peut-on dire du champ magnétique au centre de la bobine quand
on déplace l’aimant ?
3. Un champ magnétique variable permet-il de créer un courant
électrique dans une bobine ?
b) Alternateur de bicyclette
Un alternateur de bicyclette (ou dynamo) est constitué d’un rotor (pièce
constituée d’une succession d’aimants qui est mise en rotation lorsque la
roue tourne), à l’intérieur d’un stator (bobine fixe reliée à la lampe
d’éclairage du vélo).
 Mettre en rotation la roue de vélo, et vérifier que la lampe s’allume.
 Visualiser sur l’oscilloscope la tension aux bornes de l’alternateur.
4. Expliquer le principe de création du courant dans l’alternateur.
5. Pourquoi la tension ainsi créée est-elle dite « alternative » ?
7
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Champs magnétiques
Classe : . . . . . .
Attention ; cette activité peut donner des tensions élevées :
ne rien toucher quand l’alimentation est en fonctionnement !
Activité n°5 : Transformateur
Un transformateur est constitué de deux bobines contenant un nombre de
spires différent. La première bobine est alimentée par un générateur de
tension de 6 V.
 Vérifier sur le montage que les deux bobines ne sont pas reliées entreelle électriquement.
 Alimenter la première bobine avec une tension alternative de 6 V.
1. Qu’observe-t-on aux bornes de la seconde bobine ? Pourquoi ?
2. A l’aide de l’oscilloscope, mesurer la tension maximale aux bornes de
la première bobine, puis la tension maximale aux bornes de la seconde
bobine.
3. Quel est un rôle du transformateur ?
 Retirer plus ou moins la carcasse de fer doux qui entoure les deux
bobines et observer la tension aux bornes de la seconde bobine.
4. Quel est le rôle de cette carcasse ?
 Alimenter la première bobine avec une tension continue de 6 V (pas
plus de quelques secondes).
5. Qu’observe-t-on aux bornes de la seconde bobine ? Pourquoi ?
6. Donner une condition d’utilisation du transformateur.
 Echanger les branchements des deux bobines, pour alimenter la
seconde bobine avec une tension alternative de 6 V. Visualiser la tension
aux bornes de la première bobine.
7. Quel est un autre rôle du transformateur ?
8
Fiche de demande de matériel
LABO de SCIENCES PHYSIQUES
Lycée Marcelin Berthelot, Pantin
LISTE DE MATERIEL T.P.
Classe
Salle
Date
NOM
Heure
Eve GRISARD
TITRE : Magnétisme
PAILLASSE ELEVES :
2 ateliers de chaque :
Atelier n°1 : aimants
 2 petites aiguilles aimantées
 clous, pointes, punaises, pièces de monnaies diverses,
plaques en aluminium, en cuivre, morceau de bois, de
polystyrène…
 2 Aimants droits dont les pôles sont indiqués
 1 boussole (ou aiguille de boussole grand format sur pic).
 1 aiguille de boussole suspendue à un fil
 1 aimant dont les pôles ne sont pas indiqués
Atelier n°2 : spectres
 limaille de fer dans un pot d’huile
 aimant droit
 aimant en U
 Aimant droit sous une plaque de verre ou de plexiglas
posée sur 4 bouchons
 Limaille de fer dans une boîte avec spatule
 plaque de plexiglas portant une bobine de cuivre, reliée à
une alimentation continue variable pouvant délivrer au
moins 2 A + rhéostat 33  + multimètre (A) en série).
Atelier n°3 : vecteur champ magnétique
 2 Aimants droits identiques
 Tesla mètre
 Feuille photocopiée avec un rapporteur
 Feuille photocopiée avec une règle
 Grande aiguille aimantée
9
PAILLASSE
PROFESSEUR:
Au bureau :


Fiche de demande de matériel
LABO de SCIENCES PHYSIQUES
Lycée Marcelin Berthelot, Pantin
NOM
LISTE DE MATERIEL T.P.
Classe
Salle
Date
Eve GRISARD
TITRE : Magnétisme
Atelier n°4 : Expérience d’Oersted et loi de
Laplace
 Montage d’Oersted : plaque avec un gros fil de cuivre
électrique et aiguille de boussole (grand format) sur pic
(punaise) placée sous le fil, alimentation continue, rhéostat
33  et multimètre en série.
 bobine électrique fine, alimentée par une alimentation
continue, résistance variable 33 , entourée de plusieurs
petites aiguilles de boussole (petit format) sur pic
(punaise).
 Montage de Laplace : barre de cuivre pouvant rouler sur
deux rails horizontaux, reliés à une alimentation continue,
rhéostat 33 et multimètre en série
 Gros aimant en U.
Atelier n°5 : Créer une tension alternative
 grosse bobine électrique reliée à un circuit à 2 DEL
montées en parallèle en sens opposé.
 Aimant droit
 Alternateur de bicyclette branché sur lampe et sur
oscilloscope.
Atelier n°6 : Transformateur
 Transformateur alimenté par une alimentation
alternative/continue 6 V, avec 2 branchements sur
oscilloscope.
 Carcasse de fer doux pour le transformateur
Autre info :
10
Heure