MOMENT MAGNETIQUE 1. But

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TravauxpratiquesintermédiairesdephysiqueDPMCGenève
MOMENTMAGNETIQUE
1. But:
Observationdeseffetsd’unchampmagnétiquesurundipôlemagnétique,ceci,àl’aided’une
pairedeHelmholtzconstituéededeuxbobinesplatesidentiquescirculairesetcoaxiales,
parcouruesdanslemêmesenspardescourantségauxetséparéesd’unedistanceégaleàleur
rayon.Dansunerégionvoisineducentredudispositif,lechampBestquasiuniforme,dirigé
suivantl’axecommunauxdeuxbobinesetdesensdonnéparlesrèglesusuelles.
1.1. Tabledesmatières:
1. But: ............................................................................................................................................................1
1.1. Tabledesmatières: ................................................................................................................................................................... 1
2. Introduction:..........................................................................................................................................2
2.1. Expérimenteravecledipôlemagnétique: ....................................................................................................................... 2
3. L'appareillage:.......................................................................................................................................2
3.1. L'aimant:......................................................................................................................................................................................... 2
3.2. Sourced'alimentation: ............................................................................................................................................................. 4
3.3. Lesaccessoires: ............................................................................................................................................................................ 4
3.4. Listed'indicationsetdequestionsutiles:........................................................................................................................5
4. Lemomentdeforcemagnétique:...................................................................................................6
4.1. Exercices: ........................................................................................................................................................................................ 6
4.2. Listed'indicationsetdequestionsutiles:........................................................................................................................8
5. L'oscillationharmonique: .................................................................................................................8
5.1. Exercices: ........................................................................................................................................................................................ 9
5.2. Listed'indicationsetdequestionsutiles:..................................................................................................................... 11
6. Mouvementsdeprécession:.......................................................................................................... 12
6.1. Exercices: ..................................................................................................................................................................................... 12
6.2. Listed'indicationsetdequestionsutiles:..................................................................................................................... 13
6.3. Mouvementdeprécession:dérivationdelapériodedeprécession. ................................................................. 14
7. Gradientdechamp: ..........................................................................................................................16
7.1. Exercices: ..................................................................................................................................................................................... 16
7.2. Listed'indicationsetdequestionsutiles:..................................................................................................................... 18
8. Complémenttechnique:................................................................................................................. 18
8.2. Matérielàdisposition ............................................................................................................................................................ 19
9. Références: .......................................................................................................................................... 19

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2. Introduction:
2.1. Expérimenteravecledipôlemagnétique:
Laplupartd'entrenousadessouvenirsd'enfanced'avoirjouéavecdesaimantsetd'avoirété
fascinéparleurcomportement.Onvousaprobablementapprisquececomportementpouvait
êtreexpliquéparl'existencede"pôles"NordetSudquisoits'attirentsoitserepoussent.
Toutefois,depuisvotreintroductionàl'électricitéetaumagnétismeclassique,vousavezappris
qu'unmodèleplusfondamentalaétédéveloppépourexpliquerlesinteractionsmagnétiques.Ce
modèleimpliqueledipôlemagnétique,quipeutêtremodéliséparuneboucledecourant.
Enconsidérantquelesaimantspermanentssontcomposéspardeminusculesdipôles
magnétiques,lechampmagnétiquedecourantspermanentspeutêtreprédit,demêmequele
comportementdecesaimantsenprésencedechampsmagnétiquesextérieurs.
Onvousaenseignécesconceptsd'unpointdevuethéorique,maintenantvousdeveztesterces
conceptsdanslelaboratoire.
L'appareilMomentMagnétiqueaétéconçuexactementpourcela,pourcimentervos
connaissancessurledipôlemagnétiqueàtraversdesexpériences.Vousexaminerezle
comportementd'undipôlemagnétiqueàlafoisdansunchampmagnétiqueuniformeetnon‐
uniforme.Vousrécolterezaussidesdonnéesafindecalculerlemomentmagnétiquedevotre
dipôle.
Ilyacinqexpériencesdifférentesquipeuventêtreréalisées;chacunedecesexpériences
comprenddescombinaisonsdifférentesdelamécaniqueetdel'électromagnétisme(EM).
L'enseignantpeutchoisirl'expériencequ'ilouelleveutquevousfassiez,maisilpeutvaloirla
peinedejeteruncoupd'œilsurlescinq,ellesvousaiderontdansvotrecompréhensiondela
physiqueetpourraientmêmeêtreutileslorsd'unexamen!
Maintenirlesupportaimantélorsqu'onretirelesbillespournepastirersurleressortetle
déformerdéfinitivement,rendantlesmesuresinutilisablesparlasuite.
3. L'appareillage:
Afind'utiliserl'appareilMomentMagnétiqueetd'apprendrelesprincipesphysiques
correspondants,ilestd'abordnécessairedecomprendrel'appareillage.Cettesectiondumanuel
fournitunedescriptiondesdifférentescomposantesdel'appareil.Etudiez‐leattentivementavant
lasessiondelaboratoire.
3.1. L'aimant:
Ceàquoil'onseréfèrelorsqu'onparlede"l'aimant"estlacomposantedel'instrumentqui
englobelesdeuxbobinesco‐axiales,lecoussind'air(palieràair)etlestroboscope(lampe‐éclair).
3.1.1. Lesbobines:Lesbobinessontcomposéesdefilsdecuivreenrouléautourd'unfuseau.
Chaquebobinea195spires.Lesdeuxbobinessonttoujoursconnectéesensériepourquele
mêmecourantpasseparchaquespire.Lecourantestaffichésurunampèremètreanalogue.Il
estimportantdenoterquelesbobinesontunecertainerésistanceetquecelle‐cidépenddela
température.Silecourantpasseparlesbobinespendantuntempsprolongéouquelecourant

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estélevé(~3‐4A)onvapouvoirsentirleurélévationentempérature.Lorsquelabobine
chauffe,larésistanceaugmenteetdonclecourantsemetàdiminuercarl'alimentationn'est
pasréguléeparlecourant.C'estdoncunebonneidéedebaisserlecourantàzéro,lorsque
l'aimantn'estpasutilisé.Essayezd'éviterl'utilisationdecourantélevédurantdespériodes
longues.L'appareilestconçupoursupporterlapuissancemaximaledel'alimentationsans
aucunrisque.Toutefois,vuquelecourantmaximalseradiminuésilatempératuredela
bobineaugmente,ilsepeutquevousn'obteniezpasunchampmaximalsilabobineesttrop
chaude,doncdesrésultatsinsuffisants.
Afindecalculerlechampmagnétiqueàl'intérieurdel'appareil,ondoiteffectuerune
intégrale,étantdonnéquechaquespireaunrayondifférentetunedistancedifférentedu
centredelapairedebobines.Untelcalculestunpeufastidieux.C'estpourquoionpeutvoir
les390spiresdesbobinescommeéquivalentesàdeuxbouclesdecourantséparées,qui
auraientunrayonetunedistanceéquivalentesdexmètres:
Rayonéquivalent= ………….…m
Distanceéquivalente=……………..m
EnutilisantcerayonetcesdistanceséquivalentesaveclaLoideBiot‐Savart,ilestpossiblede
calculerlechampmagnétiqueaucentre,oùsetrouveraledipôlemagnétique.C'estseulement
lechampmagnétiqueautourd'unepetiterégionautourdupointcentraldel'axedesbobines
quiestimportantpourtoutescesexpériences.
Lavaleurdugradientduchampmagnétiqueaucentreseranécessairepourl'unedes
expériences.Legradientduchamppeutêtrecalculéendérivantl'expressionduchamppar
rapportàz,oùzestladistancelelongdel'axedepuislecentredel'unedesbobines.
3.1.2. Lecoussind'air: lecylindreenlaitonaucentredudispositifdelabobineinférieure
comporteunlogementsphérique.Unpetittrouaucentredecelogementpermetàl'airsous
faiblepressiond’entrerdanslacavitésphérique.Laboulereposedanscettecavitéetflottesur
uncoussind'air.Ceciprocureunsupportsansfrictionsignificatif.Untuyaudevinyles'attache
àl'arrièredelasourced'alimentationàuneextrémitéetsurlafaceintérieureducoussind'air
avecunraccordfiletéàangledroitdel'autre.Faitesattentionànepasrestreindrel'arrivée
d'airenpliantaccidentellementletuyau.
3.1.3. Lestroboscope:lestroboscopesesituedansunechambreisolanteau‐dessusdela
bobinesupérieure.Onpeutvarierlafréquencedelalampe,commandesituéesurlepanneau
decontrôle.Lafréquencedelalampeestmesuréeetaffichéeautomatiquementàdeux
chiffressignificatifssurlepanneaudecontrôle.Cesdonnéessontmisesàjourtouteslesdix
secondes.
3.1.4. L'affichagedelafréquencedustroboscope:affichelafréquencedustroboscope(dela
lampe‐éclair)enHertz.Souslepanneaud'affichagesetrouveleboutonderéglagedela
fréquence.Tournerleboutondanslesensdesaiguillesd'unemontreaugmentelafréquence.
Aprèsl'ajustementdelafréquence,ilfautattendrequel'instrumentaitcalculélafréquence
réelle.Acôtéduboutonderéglagedelafréquencesetrouvel'interrupteurdelalampe‐éclair.
3.1.5. Interruptiondel’air:lasourced’airàétémodifiée,c’estdel’airduréseau.Ellesefait
parl’intermédiairedelavannesurlemanodétenteursituésurlaparoi,vérifierquelavanne
soitouvertedanslelocald’enface.Ouvrirlorsdel'exécutiondel'expériencesurlaforce
magnétique.
3.1.6. Lampetémoin:indiquequandl'alimentationACestenclenchéepourtoutlesystème
danslaboîted'alimentation.

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3.2. Sourced'alimentation:
Cequel'onappellela"sourced'alimentation"contientenfaitd'autrescomposantsquelaseule
sourced'alimentation.Surlepanneauavant,encommençantparlagauche,setrouvent:
3.2.1. L'ampèremètreanalogique:litlecourantquipassedanslesbobines(vuquecelles‐ci
sontconnectéesensérie).Leboutonau‐dessousestutilisépourréglerlecourant.Tournerle
boutondanslesensdesaiguillesd'unemontreaugmentelecourantdanslesbobines.
3.2.2. Interrupteurdedirectionduchamp:contrôlelechampmagnétiqueaucentre.Celui‐ci
estdirigésoitverslehautsoitverslebas.
3.2.3. Interrupteurdegradientduchamp:contrôlelaprésenced'ungradientdechamp
magnétiqueaucentredesbobines.
3.3. Lesaccessoires:
Lesaccessoiressontlescomposantesdel'appareilquinesontpasrattachéesdemanière
permanenteauxdeuxpartiesprincipalesdel'appareil.Ellessontutiliséespoureffectuerles
différentesexpériences.Examinons‐les.
3.3.1. Lesboules:lesboulessontsimplementdesboulesdebillardAramith,avecunpetit
aimantcylindriqueaucentrequiagitcommeundipôlemagnétique.Lemomentmagnétique
pointedansladirectiondelapoignéedelaboule.Lapoignéepermetdefairetournerlaboule,
mesurersafréquenceetdedéterminerladirectiondesonmomentmagnétique.
Lespoignéessurlesboulessontpercéesd'untroulelongdeleuraxe.Danslecadrede
l'expériencesurlemomentdeforcestatique,onplacedanscetrouunefinetigeenmétalsur
laquelleestaccrochéunpoids.Latiged'aluminiumauneextrémitéenacierquis'accroche
rapidementàl'aimentàl'intérieurdelaboule.Lepoidsamovibleestunpetitcylindreen
plastiqueclairavecunanneauàl'intérieurquiempêchelepoidsdetomberaccidentellement
delatige.Lepoidsapourrôledefairevarierlemomentdeforceduauchampgravitationnel,
cecisefaitenledéplaçantlelongdelatige(Figure1).
3.3.2. Tourenplastique:letubeenplastiqueclairattachéàunebasecylindriquepeutêtre
placéau‐dessusducoussind'air.Cetappareilestutilisépourl'expériencesurlaforce
magnétique.Uncapuchondenylonplacésurlehautdutube,tientlatigequisupportele
ressort.L'autreextrémitéduressortestconnectéeàl'aimant.Lapositiondel'aimantsuspendu
dansletubepeutêtrerégléeenbougeantlatigedanslecapuchon.Ilyaaussiunepetitevisà
œilattachéeauboutdudipôlequipeutêtreutiliséepourempêcherl'aimantdetournersur
sessuspensionsàcardan(Figure2).Desbillesderoulementsàbillespourcalibrerleressortet
pesantungrammechacunesontfournis.

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3.3.3. Champmagnétiquetournant:c’estunaccessoire
optionnel,alorsilsepeutqu'ilnesoitpasinclus.Lechamp
magnétiquetournantestsimplementuneconfiguration
spécialed'aimantspermanentsetdecalesenfermouqui
fournissentunchampmagnétiquehorizontal.Cechamp
magnétiquehorizontal(~1.0mT)peutêtretourné
manuellementautourducoussind'air.Ilauntroudanssa
basequipermetaucoussind'aird'agircommesonaxede
rotation(Figure3).Cechampmagnétiqueestutilisépour
démontrerlarésonancemagnétiquenucléaire.
3.3.4. Niveau«œildebœuf»:silecoussind'airn'estpasmisàniveau,cecipeutinduireun
momentdeforceadditionnel,dûauflotinégaldel'air.Untelmomentpeutproduiredes
donnéeserronées.Leniveau«œildebœuf»estsimplementunerégionrempliedeliquide
avecunebulle.Quandlabulleestdanslecercle,l'appareilestraisonnablementmisàniveau.
Leréglagepeutsefaireenplaçantdescalessouslespiedsencaoutchoucsousl'aimant.
3.4. Listed'indicationsetdequestionsutiles:
Aconsulteravantdecommencervotresessiondelaboratoireetavoiravecvouslorsde
l'expérience.Cecivousaideraàidentifieretàréfléchirauxbonnestechniquesexpérimentales.
Rappelez‐vousquel'objectiffinaldel'expérienceestdedéterminerlavaleurdumoment
magnétiquedudipôle.
Aveclesrésultatsobtenuspendantl’expérience,faitesdestableauxetn'hésitezpasàlesmodifier
sivousdécouvrezunemeilleuremanièred'organiservosdonnées.Enplusdereleverlesdonnées
sousformedetableau,ilestimportantdefaireungraphique.Cecipermetd'identifier
directementunrésultataberrantetdoncdepouvoirréitérerlamesuretoutdesuiteafind'en
vérifierlavalidité.
Outilsutiles:Piedàcoulissecalibréd’uneprécisionde0.1mm(salle104)
Règlegraduée,d'uneprécisionde1mm (salle108)
Balanced'uneprécisionde0.1grammes  (salle107)
Chronomètre(salle108)