Électromagnétisme

SPH3U
ÉDITION 2010
Électromagnétisme
SES4U
Électromagnétisme
Le présent guide sert de complément à la série d’émissions intitulée Électromagnétisme.
Édition 2010
Révision du guide : Richard Martel
Version originale
Rédacteurs : Eric Brown, Charles Rawlings
Traduction : Compagnie de traduction universelle, Montréal
La série, version française
Responsable de projet : Annette Lalonde
Conseiller pédagogique : Jules Poirier
Pour obtenir des exemplaires supplémentaires de ce guide :
• Vous pouvez imprimer ce guide à partir du site web www.tfo.org/ressources;
• Vous avez le droit d’en faire des photocopies à volonté;
• Vous pouvez acheter ce guide au Centre franco-ontarien de ressources pédagogiques à Ottawa,
joignable au 1.877.742.3677, poste 228 (Ontario) et au 1.877.747.8003, poste 228 (Canada).
Pour obtenir une copie des émissions :
• Vous pouvez les enregistrer sur DVD lors de leur diffusion sur les ondes de TFO;
• Vous pouvez consulter le site www.tfo.org/diffusion pour connaître la date de la prochaine
diffusion ou téléphoner au 1.800.387.8435, poste 2388 pour demander une diffusion spéciale;
• Les écoles de langue française en Ontario peuvent visionner ces émissions directement
sur le site web www.tfo.org/ressources. Les écoles des conseils scolaires qui sont abonnés
au service d’accès en ligne de TFO peuvent aussi y accéder par Internet.
TFO tient à remercier le Secrétariat d’État de sa participation financière à la réalisation de ce projet.
© L’Office des télécommunications éducatives de langue française de l’Ontario, février 2010.
Table des matières
4
Introduction
5
Le champ magnétique terrestre
(317301)
12
Le magnétisme et le mouvement des électrons
(317302)
18
La théorie des domaines magnétiques
(317303)
24
Le principe du moteur
(317304)
28
Induction électromagnétique
(317305)
32
La vie et le champ magnétique terrestre
(317306)
38
Dates à retenir et scientifiques importants
Introduction
Le magnétisme et l’électricité sont connus depuis l’Antiquité, mais ce n’est
qu’au XIXe siècle que les scientifiques ont découvert que ces deux phénomènes
sans rapport apparent étaient les manifestations d’une seule et même force.
La découverte de la force électromagnétique constituait le premier pas vers
une unification des forces fondamentales de la nature.
Nous savons maintenant que la force électromagnétique se manifeste tout
autour de nous. Notre civilisation ne serait pas la même sans la boussole,
l’électro-aimant, le moteur électrique, le générateur et le transformateur.
Pourtant, le champ magnétique de ces appareils est négligeable par rapport à
certains champs magnétiques observés par les astronomes. Il semble, par exemple,
que le centre de notre galaxie soit la source d’un formidable champ magnétique
décrivant un arc de plusieurs centaines d’années-lumière par rapport au plan de
la galaxie.
Cette série d’émissions sur l’électromagnétisme :
• expose les propriétés fondamentales des champs et des pôles magnétiques;
• décrit le champ magnétique de la Terre;
• montre la relation existant entre un courant électrique et les champs magnétiques;
• explique la source du champ magnétique dans les métaux ferromagnétiques;
• décrit les applications de l’électromagnétisme dans des appareils tels que
les moteurs électriques, les générateurs et les transformateurs;
• montre comment certains organismes vivants se servent du champ magnétique
de la Terre pour leurs propres besoins.
Les sections suivantes du guide peuvent être photocopiées et distribuées aux élèves.
• Questions sur l’émission : basées sur la matière abordée au cours de l’émission.
Les élèves devraient lire les questions avant le début de l’émission. Demander
aux élèves de ne pas prendre de notes en visionnant pour éviter de manquer
des parties. Leur expliquer qu’ils visionneront une deuxième fois en faisant
des pauses pour leur permettre de prendre des notes.
• Questions à discuter : aident les élèves à comprendre les notions principales,
à établir des relations d’ensemble et à découvrir certaines des conséquences
des notions abordées.
• Terminologie importante : liste comprenant la définition des termes importants
utilisés au cours de l’émission et l’énoncé des lois scientifiques présentées.
À la fin du guide, se trouve une liste de dates à retenir et de scientifiques importants.
Émission 1 (317301)
Le champ magnétique terrestre
Lien au curriculum de Sciences de l’Ontario
SES4U
Unité : Étude du système solaire
Attente
Expliquer l’influence de processus géologique internes et de phénomènes astronomiques
sur les astres du système solaire.
Contenu d’apprentissage
Compréhension et interprétations des concepts
Comparer des caractéristiques physiques
(par exemple, masse, taille, composition, rotation, champ magnétique)
des astres du système solaire (par exemple, planète, lune, comète, astéroïde).
Objectifs
Après avoir visionné cette émission, les élèves devraient pouvoir :
• décrire certaines applications modernes du magnétisme;
• raconter certaines des premières découvertes et expériences sur le magnétisme;
• expliquer la fabrication et l’utilisation de la boussole;
• décrire la forme des champs magnétiques entourant un aimant et la Terre;
• définir le terme pôle magnétique;
• illustrer la différence entre le pôle géographique Nord et
le pôle magnétique Nord de la Terre;
• définir les termes déclinaison et inclinaison magnétiques.
5
Électromagnétisme
É m i s s i o n 1 : Le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Description de l’émission
L’émission commence par une brève description d’un monde soudainement privé
de magnétisme. Sans les bienfaits du magnétisme, tous les moteurs et les générateurs
électriques modernes ne pourraient fonctionner. L’émission continue avec
la découverte de la magnétite (pierre d’aimant) par les Grecs jusqu’à son utilisation
dans la fabrication des boussoles.
L’étude du magnétisme en est restée là jusqu’à ce que Pierre de Maricourt
(Petrus Peregrinus) au XIIIe siècle taille une sphère dans une pierre d’aimant,
puis en observe le champ magnétique en y saupoudrant de la limaille de fer.
Il découvrit que la limaille de fer se répartissait sur des lignes précises reliant
deux points de la sphère; il appela les points pôles.
On passe ensuite à la description du champ tridimensionnel qui entoure
un aimant ordinaire, puis à la description des travaux de William Gilbert.
Gilbert croyait que la Terre était un aimant gigantesque dont les pôles
se trouvaient dans les régions polaires.
L’émission se termine par une description de la déclinaison et
de l’inclinaison magnétiques.
Nord géographique
Pôle
magnétique
Angle de
déclinaison
S
Figure 1
6
Électromagnétisme
É m i s s i o n 1 : Le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Activités avant le visionnement
Afin de pouvoir assimiler le contenu de l’émission, les élèves doivent comprendre :
• la fonction d’une boussole;
• la forme du champ magnétique entourant un aimant
(voir Activités avant le visionnement, émission 2);
• la loi des pôles magnétiques.
Activités après le visionnement
1. Concevoir et fabriquer sa propre boussole. Une méthode consiste à faire flotter
sur l’eau un aimant posé sur un morceau de bois. Une autre méthode consiste à
magnétiser une aiguille à coudre en la frottant à un aimant (frotter toujours
dans le même sens et avec le même pôle de l’aimant). Faire flotter l’aiguille dans
un bol d’eau en la posant d’abord sur un morceau de papier hygiénique, puis
pousser le papier dans le fond du bol avec un cure-dent. Lorsqu’on s’y prend
adroitement, la tension de surface de l’eau supporte le poids de l’aiguille.
2. Dans le cas où certains élèves n’auraient jamais utilisé une boussole, c’est peut être
utile de leur laisser du temps pour se familiariser avec cet instrument. Trouver
dans quelle direction se trouve le nord magnétique. Ce que l’on trouve en
réalité est la direction du champ magnétique à l’endroit où l’on est présentement.
L’environnement immédiat (présence de métal ou de minerai de fer) influe sur
le champ magnétique, et la boussole ne pointera probablement pas exactement
vers le pôle magnétique Nord. Trouver la déclinaison magnétique de sa région
et repérer le nord géographique à partir de la direction indiquée par la boussole.
3. On peut déterminer la direction du Nord géographique autrement, en sortant
le soir et en repérant l’étoile polaire (Polaris). Cette étoile indique presque
parfaitement le nord. Comparer sa direction à la direction obtenue en rectifiant
la lecture de la boussole. Cela peut aussi constituer une bonne manière de
déterminer la déclinaison locale.
4. Si l’on dispose d’un morceau de magnétite, répéter certaines des expériences de
Pierre de Maricourt. Observer le champ magnétique autour de la magnétite avec
de la limaille de fer ou des boussoles. Repérer les pôles de la pierre. En faisant
flotter la magnétite sur un morceau de bois, on obtiendra une boussole.
5. À l’aide d’un brûleur Bunsen, chauffer au rouge l’aiguille utilisée pendant
la première activité. La laisser refroidir, la faire flotter de nouveau dans un bol
d’eau, puis observer si ses propriétés magnétiques sont toujours les mêmes.
S’assurer qu’il ne se trouve pas d’aimant puissant à proximité de l’aiguille
pendant qu’elle refroidit.
7
Électromagnétisme
É m i s s i o n 1 : Le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Notes
1. La première mention de l’utilisation de la boussole est attribuée à Shen Kua,
un mathématicien chinois. En 1050, il décrivait l’utilisation d’une aiguille
magnétique pour se diriger lors de déplacements terrestres. Peu après 1100,
un autre Chinois, Chu Yu, rapportait que des marins étrangers naviguant entre
Canton et Sumatra se servaient de boussoles.
2. Dans l’hémisphère nord, le pôle magnétique se situe présentement à environ
78° de latitude nord et à 100° de longitude ouest, au nord-ouest de Resolute
dans les TNO.
3. Les zones où la concentration de matériaux magnétiques comme le fer est
plus forte que la normale causent des distorsions au champ magnétique de
la Terre. Des détecteurs d’anomalies magnétiques placés à bord d’avions volant
à basse altitude peuvent repérer ces distorsions qui indiquent la présence de
gisements de minerai. Cette méthode sert également à repérer les sous-marins
en plongée, les bateaux coulés, etc.
4. Il est intéressant de noter que le pôle nord d’un aimant a déjà été décrit comme
celui de ses extrémités qui pointe vers le pôle nord géographique de la Terre.
Sachant cela, et le fait que les pôles opposés s’attirent, on se rend compte que
le pôle magnétique le plus près de notre pôle nord géographique est le pôle
sud magnétique de la Terre. William Gilbert a mené d’autres expériences au cours
desquelles il chauffait des aimants, et il a découvert que cela leur faisait perdre
leurs propriétés magnétiques. On croit aujourd’hui que le noyau de la Terre
est constitué en grande partie de pierre en fusion (avec un centre solide, chaud
et relativement petit), on ne se la représente donc plus comme un simple aimant
gigantesque.
5. Les pôles magnétiques se déplacent lentement. Comme les boussoles pointent
dans la direction du champ magnétique local, cette direction change également
peu à peu. Il y a 20 ans, à Toronto, le nord magnétique se trouvait à 8° à l’ouest
du nord géographique; il se trouve maintenant à 9° (Cela signifie qu’à Toronto,
le nord géographique se trouve à 9° à droite de la direction indiquée par
une boussole). Aussi, dans la plupart des endroits, le champ magnétique
possède-t-il une composante verticale appelée, l’inclinaison magnétique.
Aux pôles magnétiques, le champ magnétique est vertical; à l’équateur
magnétique, il est horizontal. L’équateur magnétique ne forme pas un cercle
parfait et ne correspond pas nécessairement à l’équateur géographique.
8
Électromagnétisme
É m i s s i o n 1 : Le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Questions sur l’émission
Pendant le visionnement de l’émission, trouver des réponses
aux questions suivantes :
1. Qu’arriverait-il si le magnétisme cessait soudainement d’exister?
2. Comment appelait-t-on les premiers aimants naturels?
3. Nommer l’instrument que l’on obtient en plaçant un aimant sur un morceau
de bois que l’on fait flotter sur l’eau?
4. Quel est le nom des points reliés par la limaille de fer saupoudrée sur
une sphère magnétique?
5. À quelle conclusion Gilbert est-il arrivé concernant la Terre?
6. Quel est le pôle magnétique situé dans le Nord canadien?
7. Qu’arrive-t-il à un aimant lorsqu’on le chauffe au rouge?
8. Quel terme sert à désigner la différence de direction entre le nord géographique
et la direction indiquée par une boussole?
9. Quel est le nom de l’angle formé par le champ magnétique local et
la surface de la Terre?
9
Électromagnétisme
É m i s s i o n 1 : Le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Questions à discuter
Répondre aux questions suivantes, après le visionnement de l’émission.
Dans certains cas, il faudra faire une recherche pour trouver la réponse.
1. Les pistes d’atterrissage des aéroports sont numérotées selon la direction
magnétique sur laquelle elles pointent. Par exemple, à l’aéroport international
Pearson près de Toronto, la piste numéro 6 pointe à 60° à l’est du nord
géographique. Pourquoi les pistes sont-elles numérotées selon la direction
magnétique?
2. À la page 10 du numéro de juin 1987 du magazine Discover, on raconte
qu’un « détecteur d’assassin » conçu par un empereur chinois il y a environ
2200 ans, était constitué de portes exerçant une puissante attraction magnétique.
Quiconque portant un poignard ou une armure de métal et essayait de passer
ces portes, s’y retrouvait cloué. Cela est-il possible? Comment aurait-on fabriqué
de telles portes? Préparer et exécuter des expériences à l’échelle réduite pour
répondre à ces questions.
3. Supposer que la porte décrite à la question 2 ait vraiment existé. Décrire
plusieurs stratagèmes qu’aurait pu utiliser un assassin pour introduire
clandestinement des armes en passant par cette porte.
4. Approcher une boussole de divers objets métalliques. Réagit-elle?
De nombreuses boussoles sont installées dans de grands objets de métal
tels que des navires, des avions, et même des autos. Cela en perturbe-t-il
le fonctionnement? Comment ces boussoles sont-elles « étalonnées » pour
donner une lecture juste?
5. Qu’arrive-t-il aux molécules (ou aux atomes) d’une substance lorsqu’elle est
chauffée? Pourquoi la chaleur peut-elle lui faire perdre ses propriétés
magnétiques?
6. Décrire la ou les directions que la boussole d’un avion indiquerait au cours
d’un vol entre Vancouver et Londres par le chemin le plus court. On peut
déterminer le chemin le plus court en tendant un bout de ficelle entre
les deux villes sur un globe terrestre.
10
Électromagnétisme
É m i s s i o n 1 : Le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Terminologie importante
Boussole
Aimant reposant librement sur un pivot horizontal de manière
à pouvoir s’aligner sur le champ magnétique local.
Champ magnétique
Zone se trouvant sous l’influence de forces magnétiques. Tout point
du champ correspond à une force et à une direction (de la force)
indiquée par le pôle nord d’un aimant.
Déclinaison magnétique
Différence entre la direction vers laquelle pointe le champ magnétique
et le nord géographique.
Inclinaison magnétique
Angle formé par la surface de la Terre et la direction du champ magnétique.
Loi des pôles magnétiques
Les pôles opposés (par exemple, nord et sud) s’attirent mutuellement,
tandis que les pôles semblables (par exemple, nord et nord, sud et sud)
se repoussent mutuellement.
Pierre d’aimant
Oxyde ferreux-ferrique (FeO.Fe2O3) qui possède à l’état naturel
des propriétés magnétiques. On l’appelle également magnétite.
Pôle magnétique
Endroit vers lequel convergent les lignes du champ magnétique ou
duquel elles divergent.
Pôle nord
Extrémité d’un aimant qui pointe vers le pôle magnétique dans
la région arctique de la Terre.
11
Électromagnétisme
É m i s s i o n 1 : Le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Émission 2 (317302)
Le magnétisme et le mouvement des électrons
Lien au curriculum de Sciences de l’Ontario
SPH3U
Unité : Électricité et magnétisme
Attente
Expliquer le rôle des champs magnétiques dans la production et la transmission d’énergie.
Contenus d’apprentissage
Compréhension et interprétations des concepts
• Décrire qualitativement les caractéristiques des champs magnétiques,
dont la nature vectorielle et tridimensionnelle (par exemple, principe d’Oersted…).
• Distinguer le courant conventionnel du flux d’électrons et indiquer la règle
qui s’applique dans chaque cas (règle de la main gauche pour le courant conventionnel
et de la main droite pour le flux d’électrons).
• Déterminer, à l’aide de la règle de la main droite, la direction du champ magnétique
et le sens du courant lorsqu’un conducteur rectiligne et un solénoïde sont parcourus
par un courant électrique.
Objectifs
Après avoir visionné cette émission, les élèves devraient pouvoir :
• expliquer la construction d’une pile classique comme celle conçue par Volta;
• décrire la découverte d’Oersted sur les effets magnétiques du courant électrique;
• décrire la forme d’un champ magnétique autour d’un conducteur droit
traversé par un courant électrique;
• utiliser la règle de la main gauche pour les conducteurs pour déterminer
la direction du champ magnétique produit;
• décrire et expliquer la forme du champ magnétique entourant
une bobine traversée par un courant électrique;
• utiliser la règle de la main gauche pour les bobines pour prédire
la direction du champ magnétique entourant une bobine, produit
par un courant électrique donné.
12
Électromagnétisme
É m i s s i o n 2 : Le m agnét is m e et le m ouvem ent des élec trons
Description de l’émission
L’émission commence par une brève révision de ce qu’est la force magnétique
et une comparaison avec la force électrique. Jusqu’au début du XIXe siècle,
on croyait que ces forces n’avaient aucun lien entre elles.
L’émission se poursuit avec un aperçu de l’invention de la pile par Alexandre Volta
(1745-1827). Cette invention, grâce au courant continu qu’elle fournit, a permis de
faire un grand nombre de recherches scientifiques, notamment dans le domaine de
l’électromagnétisme. Hans Christian Oersted (1777-1851) était l’un de ces chercheurs.
Il découvrit accidentellement l’effet magnétique produit par un courant électrique.
On ne pouvait plus douter du rapport existant entre la force magnétique et
la force électrique.
André Ampère (1775-1836) fit une étude détaillée du champ magnétique entourant
un conducteur traversé par un courant. Il découvrit que le champ était circulaire
et que sa direction variait selon celle du courant. Cette relation est résumée par
la règle de la main gauche pour les conducteurs.
Lorsqu’on enroule un conducteur droit, on peut prédire par cette règle la forme
circulaire du champ magnétique produit par un courant électrique traversant
le conducteur. Si l’on enroule plusieurs fois le conducteur sur lui-même, on obtiendra
une bobine. Un courant traversant la bobine produit un champ magnétique dont
la direction peut être prédite au moyen de la règle de la main gauche pour
les bobines.
L’émission se conclut par une question : la présence d’une barre de fer à l’intérieur
d’une bobine traversée par un courant a-t-elle un effet sur le champ magnétique?
Cette question annonce le sujet de l’émission 3, « La Théorie des domaines
magnétiques ».
Activités avant le visionnement
Afin de pouvoir assimiler le contenu de l’émission, les élèves doivent comprendre :
• la loi des pôles magnétiques;
• le concept du courant électrique;
• la forme du champ magnétique entourant une barre aimantée.
Une façon simple d’observer le champ entourant un aimant consiste à déposer
l’aimant à plat entre deux livres sur une surface non métallique. Étendre ensuite
une feuille d’acétate entre les deux livres pour qu’elle repose sur le dessus de
l’aimant. Saupoudrer uniformément la feuille de limaille de fer et tapoter doucement
la feuille pour permettre à la limaille de s’aligner sur le champ magnétique.
On peut utiliser cette technique pour indiquer la présence des champs autour de
divers aimants et en illustrer la forme.
13
Électromagnétisme
É m i s s i o n 2 : Le m agnét is m e et le m ouvem ent des élec trons
Limaille de fer
Barre aimantée
Feuille d’acétate
Figure 2
Activités après le visionnement
1. Fabriquer une pile semblable à celle qu’avait conçue Volta. Séparer les couches
de métaux différents par des essuie-tout trempés dans une solution saline.
Vérifier la puissance de la pile au moyen d’un voltmètre ou en branchant
une ampoule de lampe de poche à la pile. Étudier ensuite la relation entre
la différence de potentiel obtenue et a) la combinaison des métaux utilisée
et b) le nombre de couches de métaux. Des pièces de monnaie constituent
une source de métaux différents. Noter que les pièces de monnaie pourront
subir une forte corrosion si on laisse la pile se décharger pendant un certain temps.
2. Former une bobine possédant le plus fort champ magnétique possible en utilisant
une longueur donnée de conducteur flexible et une pile donnée. Mettre au point
une méthode pour comparer la force du champ magnétique (p. ex. l’importance
de la déviation de l’aiguille d’une boussole ou le nombre de clous retenus par
la bobine).
3. Pendant que le courant électrique traverse une bobine, utiliser de petites boussoles
pour observer la direction du champ magnétique a) à l’extérieur et b) à l’intérieur
de la bobine.
14
Électromagnétisme
É m i s s i o n 2 : Le m agnét is m e et le m ouvem ent des élec trons
Notes
1. Le terme électro-aimant n’a pas été utilisé au cours de la présente émission,
car il désigne d’ordinaire la combinaison d’une bobine et d’un noyau perméable.
On appelle solénoïde la bobine seule.
2. Les lignes de force magnétique constituent un moyen utile d’illustrer l’intensité
et la direction d’un champ magnétique. Cependant, elles ne sont pas plus réelles
que les lignes qui représentent les rayons de lumière. C’est pourquoi, au cours
de l’émission, il n’est pas fait mention de « lignes de force », mais de direction
du champ.
3. La puissance du champ produit par une bobine traversée par un courant électrique
varie directement selon l’intensité du courant et le nombre de tours par unité de
longueur de la bobine.
Questions sur l’émission
Pendant le visionnement de l’émission, trouver des réponses
aux questions suivantes :
1. Qui a inventé les premières piles pouvant fournir un courant électrique?
2. Quelles étaient les parties essentielles de ces piles?
3. Qui a découvert qu’un courant électrique produit un champ magnétique?
4. Décrire la forme du champ magnétique produit lorsqu’un courant électrique
traverse un conducteur droit.
5. Quel scientifique a découvert le rapport entre la direction du courant électrique
traversant un conducteur droit et la direction du champ magnétique?
6. D’après la règle de la main gauche pour les conducteurs, qu’indique :
a) la direction du pouce?
b) la direction des doigts refermés?
7. Si un courant électrique traverse une bobine :
a) où le champ sera-t-il plus puissant?
b) qu’arrivera-t-il au champ entre chacun des cercles de la bobine?
8. Lorsqu’on utilise la règle de la main gauche pour les bobines, qu’indique :
a) la direction des doigts refermés?
b) la direction du pouce?
15
Électromagnétisme
É m i s s i o n 2 : Le m agnét is m e et le m ouvem ent des élec trons
Questions à discuter
Répondre aux questions suivantes, après le visionnement de l’émission.
Dans certains cas, il faudra faire une recherche pour trouver la réponse.
1. En quoi le champ d’une bobine traversée par un courant électrique et
celui d’une barre aimantée sont-ils semblables? En quoi sont-ils différents?
2. Quelle unité de mesure d’intensité électrique porte un nom rappelant
Alexandre Volta?
3. Dans le courant alternatif (c.a.), la direction du courant électrique s’inverse
tous les 1/120e de seconde. Décrire le champ d’une bobine traversée
par un courant alternatif.
4. Si un courant électrique s’éloigne directement de vous, le champ magnétique
se dirigera-t-il dans le sens des aiguilles d’une montre ou bien dans le sens inverse?
Expliquer sa réponse.
Former des petits groupes pour répondre aux questions 5 et 6.
5. Que peut-on faire pour augmenter la puissance du champ magnétique produit
par une bobine traversée par un courant électrique?
6. Dresser la liste du plus grand nombre possible d’utilisations d’une bobine
traversée par un courant électrique.
7. Rédiger une brève biographie de Hans Christian Oersted.
8. Rédiger une brève biographie d’André Ampère.
9. Quelle est la fonction d’une bobine dans une sonnerie électrique?
10. a) À quoi sert un relais dans un circuit électrique?
b) Quelle est la fonction d’une bobine dans un relai?
16
Électromagnétisme
É m i s s i o n 2 : Le m agnét is m e et le m ouvem ent des élec trons
Terminologie importante
Bobine
Conducteur enroulé, formant plusieurs boucles ou spires.
Courant électrique
Passage à travers un conducteur de particules à charge négative appelées électrons.
Électron
Particule négative gravitant autour du noyau d’un atome.
Enroulement
Synonyme de « bobine ».
Pile
Dispositif produisant une différence de potentiel (voltage)
pouvant faire circuler des électrons autour d’un circuit.
Règle de la main gauche pour les bobines
Si la main gauche est placée autour d’une bobine de manière que les doigts
soient refermés dans la direction du courant électrique, le pouce pointera
dans la direction du champ à l’intérieur de la bobine, donc vers le pôle nord
de la bobine.
Règle de la main gauche pour les conducteurs
Si la main gauche est placée autour d’un conducteur avec le pouce pointant
dans la direction du courant électrique, les doigts seront refermés sur
le conducteur dans la même direction que le champ magnétique.
Courant électrique
N
N
S
Champ magnétique
Règle de la main gauche pour les bobines
Champ magnétique
Courant électrique
Règle de la main gauche pour les conducteurs
17
Électromagnétisme
É m i s s i o n 2 : Le m agnét is m e et le m ouvem ent des élec trons
Émission 3 (317303)
La théorie des domaines magnétiques
Lien au curriculum de Sciences de l’Ontario
SPH3U
Unité : Électricité et magnétisme
Attente
Expliquer le rôle des champs magnétiques dans la production et la transmission d’énergie.
Note : Cette émission présente des concepts pour faciliter la compréhension du principe
du moteur qui est présenté dans l’émission 4 de cette série.
Objectifs
Après avoir visionné cette émission, les élèves devraient pouvoir :
• comprendre que la force du champ magnétique produite par une bobine
traversée par un courant augmente lorsqu’on utilise comme noyau
une substance ferromagnétique;
• reconnaître que la combinaison d’une bobine et d’un noyau forme
un électro-aimant;
• expliquer pourquoi un atome de fer se comporte comme un dipôle magnétique;
• décrire, du point de vue des domaines, comment un morceau de fer se magnétise;
• décrire différentes façons de démagnétiser un aimant par la perturbation
de l’alignement des atomes.
18
Électromagnétisme
É m i s s i o n 3 : La t héor ie des dom aines m agnét iques
Description de l’émission
L’émission débute par la revue de quelques notions de base, dont l’utilisation du pôle
nord d’une boussole afin d’indiquer la direction d’un champ magnétique et la règle
de la main gauche tant pour les conducteurs droits que pour les bobines.
Le champ magnétique d’une bobine s’intensifie lorsqu’on introduit un noyau de fer
et cette combinaison d’une bobine et un noyau s’appelle un électro-aimant.
Ce qui nous conduit à la question suivante : pourquoi certaines substances comme
le fer peuvent-elles aisément se magnétiser, alors que d’autres comme le cuivre
ne le peuvent pas? De plus, le fer pur perd rapidement son magnétisme, tandis
que l’acier le retient très longtemps.
Afin d’expliquer ces notions, l’émission étudie la trajectoire des électrons dans
un atome. Ces déplacements se comparent au flux des électrons le long d’une boucle
simple. La source du champ magnétique des atomes ferromagnétiques provient
du spin des électrons.
L’émission se poursuit en démontrant que la présence de larges groupes d’atomes,
appelés domaines, donnent au morceau de fer ses propriétés magnétiques.
On se sert ensuite de la théorie des domaines pour expliquer :
• l’intensification du champ magnétique d’une bobine par un noyau de fer;
• pourquoi seulement quelques substances (ferromagnétiques) provoquent
une telle intensification;
• pourquoi une barre aimantée perdra son magnétisme si elle est chauffée
ou martelée;
• pourquoi l’acier retient son magnétisme plus longtemps que le fer pur.
L’émission se termine en indiquant qu’un aimant peut influencer un conducteur où
passe un courant. L’émission 4, « Le Principe du moteur », analyse cette possibilité.
Activités avant le visionnement
Afin de pouvoir assimiler le contenu de l’émission, les élèves doivent comprendre :
• la règle de la main gauche pour les conducteurs;
• la règle de la main gauche pour les bobines;
• la structure des atomes, du moins en ce qui concerne la notion que
les électrons négatifs gravitent autour d’un noyau positif.
Les élèves devraient aussi observer les faits suivants :
• l’augmentation du magnétisme d’un morceau de fer lorsqu’on le frotte,
toujours dans le même sens, avec un pôle magnétique;
• la baisse du magnétisme dans un morceau de fer aimanté par rapport
à un morceau d’acier aimanté;
• la perte de magnétisme d’une barre aimantée lorsqu’elle est chauffée ou martelée;
• la formation de deux barres aimantées complètes lorsqu’on brise une barre en deux.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 3 : La t héor ie des dom aines m agnét iques
Activités après le visionnement
1. Concevoir une expérience qui permet de déterminer quel noyau (fer ou nickel)
produit le plus fort champ magnétique dans un électro-aimant.
2. Construire un appareil qui utilise un électro-aimant, comme un relais ou
un carillon de porte.
3. Formuler une hypothèse qui permettrait de démagnétiser une barre aimantée
selon une méthode qui n’est pas décrite dans l’émission. Faire une expérience
pour vérifier cette hypothèse.
4. Trouver une méthode qui indique si la résistance électrique d’une bobine
change lorsqu’on insère un noyau ferromagnétique. Faire l’expérience
en utilisant le courant continu et le courant alternatif.
Notes
1. On peut comparer l’intensité de différents champs magnétiques en les plaçant
chacun leur tour à angle droit avec le champ magnétique de la Terre. La déviation
angulaire de la boussole par rapport au nord géographique sert à mesurer
l’intensité du champ. Si la déviation est D, l’intensité du champ variera directement
selon la tangente D.
2. On a avancé l’hypothèse de l’existence d’unipôles magnétiques, mais ils n’ont pas
encore été détectés.
3. L’énoncé selon lequel les spins des électrons dans un atome donné ne se font que
dans deux directions est la seule référence de la série à la théorie des quanta.
Il faut comprendre que la théorie des quanta a donné le nom de spin de
l’électron à la propriété que possède un électron de se comporter comme
un dipôle magnétique. On ne pense plus aujourd’hui qu’il tourne réellement
sur lui-même.
4. La plus forte région d’un champ magnétique attire une substance paramagnétique,
alors qu’elle repousse une substance diamagnétique. Le palladium, le platine et
l’oxygène gazeux sont des substances paramagnétiques, tandis que la plupart
des sels et beaucoup de métalloïdes sont diamagnétiques.
20
Électromagnétisme
É m i s s i o n 3 : La t héor ie des dom aines m agnét iques
Questions sur l’émission
Pendant le visionnement de l’émission, trouver des réponses
aux questions suivantes :
1. Qu’arrive-t-il à l’intensité du champ magnétique produit par une bobine
lorsqu’on y introduit un noyau de fer?
2. Quel nom donne-t-on à la combinaison d’un noyau de fer et d’une bobine
traversée par un courant?
3. Où se trouve la plus grande partie de la masse d’un atome?
4. Où sont les électrons dans un atome?
5. Quelle sorte de mouvement électronique produit le champ magnétique
des atomes de fer?
6. Nommer deux métaux ferromagnétiques autres que le fer.
7. Que signifie le terme dipôle magnétique?
8. Comme appelle-t-on un groupe d’atomes dont les champs magnétiques
vont tous dans la même direction?
9. Lorsqu’on magnétise un morceau de fer, quel domaine augmente?
10. Pourquoi une barre de fer aimantée perd-elle son magnétisme
après un certain temps?
11. Quel genre d’atome aide l’acier à retenir son magnétisme?
12. Décrire brièvement deux façons d’enlever le magnétisme d’une barre aimantée.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 3 : La t héor ie des dom aines m agnét iques
Questions à discuter
Après le visionnement de l’émission, répondre aux questions suivantes.
Dans certains cas, il faudra faire une recherche.
1. Quelle sorte de mouvement électronique empêche les atomes de fer de
se comporter comme de minuscules aimants?
Expliquer sa réponse.
2. Quelle sorte de mouvement électronique permet aux atomes de fer de
se comporter comme de minuscules aimants?
3. Décrire quelques usages des électro-aimants à la maison et à l’école.
4. a) Comment sont disposés les domaines dans un morceau de fer non magnétique?
b) Qu’arrive-t-il à ces domaines lorsque le fer est placé dans un champ magnétique?
5. Un morceau de fer pourra se magnétiser si on le frotte toujours dans le même sens,
avec le pôle d’une barre aimantée. Expliquer pourquoi.
6. La Terre possède un grand champ magnétique. Trouver à quoi ressemble le centre
de la Terre et, ensuite, déterminer si le champ magnétique de la Terre provient
d’une immense barre aimantée qui s’étend d’un pôle à l’autre.
7. Découvrir comment on utilise le magnétisme dans :
a) les bandes sonores
b) les disquettes d’ordinateur.
8. a) Quelle est la différence entre une substance diamagnétique et
une substance paramagnétique?
b) Donner un exemple de chaque substance.
9. a) Découvrir ce qu’on entend par le point de Curie.
b) Établir la valeur du point de Curie pour le fer, le cobalt et le nickel.
Former des petits groupes pour répondre aux questions suivantes :
10. Comment pourrait-on construire un aimant avec trois pôles nord
et un seul pôle sud?
11. Dessiner un jouet qui utiliserait un électro-aimant.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 3 : La t héor ie des dom aines m agnét iques
Terminologie importante
Bobine
Conducteur enroulé, formant plusieurs boucles ou spires.
Courant électrique
Passage à travers un conducteur de particules à charge négative appelées électrons.
Démagnétisation
Processus par lequel une substance magnétique perd son magnétisme.
Dipôle magnétique
Objet qui possède deux pôles magnétiques.
Domaine
Espace d’une substance ferromagnétique dans lequel les champs magnétiques
des atomes sont alignés. Il se comporte comme un minuscule aimant à l’intérieur
de la substance.
Électro-aimant
Combinaison d’une bobine et d’un noyau.
Ferromagnétique
Toute substance qui contient des atomes possédant un champ magnétique global.
Ferromagnétisme
Magnétisme que possède un objet dont les atomes se comportent comme de
minuscules aimants. Chaque électron dans l’atome a une propriété appelée spin,
qui produit un champ magnétique. Dans la plupart des atomes, les champs
magnétiques s’annulent, mais dans une substance ferromagnétique comme le fer,
plusieurs de ces champs ne sont pas éliminés. L’atome se retrouve avec un champ
magnétique global.
Magnétisation
Procédé qui rend un objet magnétique. Lorsqu’un objet ferromagnétique est placé
à l’intérieur d’un champ magnétique, les domaines qui sont orientés dans la même
direction que ce champ absorbent les autres domaines et, finalement l’objet
ne contient plus qu’un seul domaine.
Noyau
Substance autour de laquelle la bobine est enroulée.
Noyau
Centre positif d’un atome. Il contient presque toute la masse d’un atome.
Règle de la main gauche pour les bobines
Si la main gauche est placée autour d’une bobine de manière que les doigts
soient refermés dans la direction du courant électrique, le pouce pointera
dans la direction du champ à l’intérieur de la bobine, donc vers le pôle nord
de la bobine.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 3 : La t héor ie des dom aines m agnét iques
Émission 4 (317304)
Le principe du moteur
Lien au curriculum de Sciences de l’Ontario
SPH3U
Unité : Électricité et magnétisme
Attente
Expliquer le rôle des champs magnétiques dans la production et la transmission d’énergie.
Contenus d’apprentissage
Compréhension et interprétations des concepts
• Décrire qualitativement les caractéristiques des champs magnétiques,
dont la nature vectorielle et tridimensionnelle.
(par exemple, …principe du moteur, loi de l’induction électromagnétique de Faraday, …)
• Expliquer le fonctionnement d’un moteur électrique et d’un alternateur
et décrire le rôle de leurs composantes.
Objectifs
Après avoir visionné cette émission, les élèves devraient pouvoir :
• décrire la découverte par Ampère des forces magnétiques qui s’exercent
sur deux conducteurs porteurs de courant et placés l’un près de l’autre;
• expliquer le fonctionnement d’un canon à rails électromagnétique;
• énoncer le principe du moteur et l’appliquer à l’explication des interactions
électromagnétiques types;
• énoncer la règle de la main gauche pour la force et l’appliquer afin de déterminer
la direction des forces subies par les conducteurs placés dans un champ magnétique
externe;
• décrire le fonctionnement d’un moteur électrique simple;
• expliquer le rôle des commutateurs et des balais dans les moteurs électriques.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 4 : Le pr inc ipe du m ot eur
Description de l’émission
Au début de l’émission, on observe, sur la Lune, un canon à rails électromagnétique
qui lance des marchandises vers Titan. L’explication du fonctionnement de ce canon
illustre le principe du moteur et nous conduit à discuter de l’expérience d’Ampère
avec les conducteurs porteurs de courant.
L’émission parle ensuite de la règle de la main gauche pour la force et utilise cette
règle pour démontrer la direction des forces qui existent dans les moteurs électriques,
ainsi que le fonctionnement des commutateurs et des balais dans ces moteurs.
L’émission se termine sur la question de l’utilisation possible d’un moteur
comme générateur électrique, ce qui nous amène à l’émission 5, « L’Induction
électromagnétique ».
Activités avant le visionnement
Afin de pouvoir assimiler le contenu de l’émission, les élèves doivent comprendre :
• le courant électrique;
• les champs magnétiques et les pôles;
• la règle de la main gauche pour les conducteurs;
• les champs magnétiques qui entourent une barre aimantée.
Activités après le visionnement
1. Beaucoup d’universités et d’entreprises s’occupent de la conception de canons
à rails et à bobinages qui pourraient servir, entre autres, à la production de
la fusion nucléaire par collision rapide, au lancement de charges dans l’espace
à des coûts minimes et à la synthèse de nouveaux matériaux. Des élèves peuvent
présenter à la classe des dessins de ces canons à rails et à bobinages.
2. Dessiner et construire un petit moteur électrique fonctionnant à pile.
3. Dessiner et construire son propre canon à rails comme projet de classe ou pour
une exposition scientifique. S’assurer que toutes les précautions sont prises avec
les projectiles et les courants à haute tension.
Notes
Parmi les applications du principe du moteur (ailleurs que dans les moteurs
électriques), nous retrouvons la déviation des faisceaux d’électrons dans les
téléviseurs, les compteurs d’électricité comme les ampèremètres et les voltmètres,
les haut-parleurs, les trains sur monorail magnétique, etc.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 4 : Le pr inc ipe du m ot eur
Questions à discuter
Après le visionnement de l’émission, répondre aux questions suivantes.
Dans certains cas, il faudra faire une recherche.
1. L’inversion du courant dans les rails affecte-t-elle la direction dans laquelle
un canon à rails tire?
2. Comment obtient-on sur la Lune l’électricité nécessaire au fonctionnement
du canon à rails?
3. Pourquoi les canons à rails ne servent-ils pas au lancement des astronautes
en orbite?
4. Trouver et décrire comment sont formées les ceintures de radiation Van Allen
autour de la Terre. Comment le principe du moteur s’y applique-t-il?
5. Trouver et décrire le fonctionnement d’un canon à électrons dans un téléviseur.
6. L’électricité arrive généralement à la maison sous forme de courant alternatif (c.a.)
qui change de direction 120 fois par seconde. Trouver et décrire le fonctionnement
des moteurs qui utilisent ce genre de courant. En quoi sont-ils différents
des moteurs à courant continu (c.c.) décrits dans cette émission?
7. Imaginer un moteur à c.c. qui aurait besoin d’un léger tour pour démarrer
lorsque le courant est branché. Donner l’emplacement exact de l’armature et
décrire la construction de ce moteur. Comment peut-on résoudre ce problème?
(Former de petits groupes afin de découvrir des solutions possibles.)
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 4 : Le pr inc ipe du m ot eur
Terminologie importante
Balai
Partie du circuit électrique d’un moteur électrique qui permet l’établissement
de contacts glissants dans le circuit.
Commutateur
Appareil qui permet de renverser la direction du courant à intervalles réguliers
dans un moteur électrique.
Conducteur
Matériau à l’intérieur duquel les électrons circulent facilement, en général
un fil de cuivre ou d’aluminium.
Moteur électrique
Engin qui transforme l’énergie électrique en énergie mécanique.
Principe du moteur
Si on place un conducteur porteur de courant dans un champ magnétique externe,
il subira une force qui sera perpendiculaire à la fois à la direction du courant et
à celle du champ magnétique externe.
Règle de la main gauche pour la force
Si le pouce de la main gauche est tourné dans le sens du déplacement des électrons
dans un conducteur et que les doigts tendus pointent dans le sens du champ
magnétique externe, la paume indiquera la direction de la force exercée sur
le conducteur.
Direction du champ magnétique
Force
électromagnétique
Déplacement
des électrons
Vient directement
de la paume
Règle de la main gauche pour la force
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 4 : Le pr inc ipe du m ot eur
Émission 5 (317305)
Induction électromagnétique
Lien au curriculum de Sciences de l’Ontario
SPH3U
Unité : Électricité et magnétisme
Attente
Expliquer le rôle des champs magnétiques dans la production et la transmission d’énergie.
Contenus d’apprentissage
Compréhension et interprétations des concepts
• Décrire qualitativement les caractéristiques des champs magnétiques,
dont la nature vectorielle et tridimensionnelle.
(par exemple, …principe du moteur, loi de l’induction électromagnétique de Faraday, …)
• Expliquer comment les transformateurs augmentent ou diminuent le potentiel électrique
et le courant en fonction du nombre de spires des bobines primaires et secondaires.
Objectifs
Après avoir visionné cette émission, les élèves devraient pouvoir :
• expliquer la signification du terme induction électromagnétique;
• décrire la découverte de l’induction électromagnétique par Faraday;
• décrire les conditions nécessaires à la production du phénomène
d’induction électromagnétique;
• expliquer le fonctionnement d’un transformateur simple;
• énoncer la loi de Lenz;
• recourir à la loi de Lenz pour prédire le sens d’un courant électrique induit;
• expliquer comment une génératrice électrique produit de l’électricité.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 5 : Induc t ion élec t r om agnét ique
Description de l’émission
L’émission commence en demandant comment est produit le courant électrique
qui alimente les résidences et les usines. Elle rappelle ensuite la faculté que possède
un courant électrique de produire un champ magnétique. On envisage alors
la possibilité de produire de l’électricité à partir d’un champ magnétique.
Joseph Henry (1797-1878) et Michael Faraday (1791-1867) ont découvert en même
temps le phénomène connu sous le nom d’induction électromagnétique. Au cours
de l’émission, on étudie en détail la découverte de Faraday et l’on compare
son appareil à un transformateur simple.
On énonce ensuite la loi de Lenz et on explique son application à la prédiction
du sens des courants induits. Enfin, on présente le concept d’induction
électromagnétique et on explique le fonctionnement d’une génératrice électrique.
Activités avant le visionnement
Afin de comprendre le contenu de l’émission, les élèves doivent :
• revoir la découverte de l’électromagnétisme par Oersted;
• revoir la règle de la main gauche pour les conducteurs;
• revoir la règle de la main gauche pour les bobines;
• examiner les pièces d’un transformateur simple;
• examiner les pièces d’une génératrice simple.
Activités après le visionnement
1. Organiser une visite d’une centrale électrique. Accorder une attention particulière :
• aux génératrices électriques;
• à la manière dont est produite la rotation des armatures de génératrices;
• à la source d’énergie utilisée pour imprimer un mouvement de rotation
aux armatures;
• à l’utilisation des transformateurs servant à distribuer l’énergie électrique.
2. Concevoir un moyen d’utiliser un moteur électrique simple comme génératrice.
3. Réaliser une expérience pour déterminer la différence de potentiel et les propriétés
électriques d’un transformateur. L’appareil doit être constitué d’un transformateur
(avec des bobines comptant un nombre différent de tours), d’une source de
courant alternatif, de deux voltmètres à c.a., et de deux ampèremètres.
Par mesure de sécurité, assurez-vous que la différence de potentiel et le courant
sont de faible intensité.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 5 : Induc t ion élec t r om agnét ique
Questions sur l’émission
Pendant le visionnement de l’émission, chercher les réponses aux questions suivantes :
1. Quel physicien américain a découvert l’induction électromagnétique?
2. Dans l’expérience de Faraday : a) quel est le nom de la bobine qui est branchée
à la pile? b) quel est le nom de la bobine dans laquelle le courant est induit?
3. Qu’arrive-t-il à un champ magnétique s’il induit un courant électrique?
4. Dresser la liste des trois principales pièces d’un transformateur.
5. Qui a mis au point la première génératrice électrique?
6. Quel physicien a découvert que le champ produit par le courant induit
s’oppose toujours à l’induction?
7. Nommer les pièces de l’armature d’une génératrice.
8. Décrire le mouvement de l’armature pendant que la génératrice fonctionne.
9. Nommer le type de courant qui s’inverse régulièrement.
Questions à discuter
Répondre aux questions suivantes après le visionnement de l’émission.
Dans certains cas, il faudra faire une recherche.
1. a) Énoncer la loi de Lenz.
b) Si le pôle sud d’une barre aimantée s’approche d’une bobine, quel pôle
magnétique sera induit sur la bobine, à l’extrémité la plus rapprochée de
la barre aimantée?
c) Si le pôle nord d’un aimant s’éloigne d’une bobine, quel pôle magnétique
sera induit sur la bobine, à l’extrémité la plus rapprochée de la barre aimantée?
d) Une barre aimantée dont le pôle nord est situé près de l’extrémité d’une bobine
ne se déplace pas du tout par rapport à la bobine. Quel pôle magnétique est
induit sur la bobine, à l’extrémité la plus rapprochée de la barre aimantée?
2. Comment peut-on brancher les bornes d’une pile à une génératrice de manière
à fournir :
a) du courant électrique direct à un circuit extérieur?
b) du courant alternatif à un circuit extérieur?
3. Quelle est la principale source d’énergie de la centrale électrique de votre région?
4. Décrire le fonctionnement d’une bobine d’induction dans une automobile.
5. Expliquer le fonctionnement d’une bobine d’induction dans un laboratoire.
6. a) Trouver le rôle joué par les transformateurs dans le réseau de distribution
d’énergie électrique entre la centrale électrique et votre domicile.
b) Pourquoi utilise-t-on des transformateurs à cette fin? (Un transformateur
survolteur présente plus de spires autour de la bobine secondaire. Il en résulte
que le transformateur augmente la différence de potentiel, mais diminue
l’intensité du courant.)
7. Comparer le fonctionnement d’un moteur et celui d’une génératrice.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 5 : Induc t ion élec t r om agnét ique
Terminologie importante
Armature
Combinaison d’une bobine et d’un noyau subissant un mouvement
de rotation dans une génératrice.
Bobine primaire
Bobine d’un transformateur qui reçoit le courant électrique.
Bobine secondaire
Bobine d’un transformateur dans lequel le courant est induit.
Courant alternatif
Courant électrique qui s’inverse régulièrement.
Galvanomètre
Appareil de mesure électrique pouvant mesurer un courant électrique
de faible intensité.
Génératrice électrique
Appareil qui produit une différence de potentiel (ou un courant)
en imprimant un mouvement de rotation à une bobine dans
un champ magnétique.
Induction électromagnétique
Processus par lequel un champ magnétique produit un courant électrique.
Loi de Lenz
Lorsqu’un courant est induit par un champ magnétique externe variable,
le sens du courant induit fait que son champ magnétique s’oppose
aux variations du champ externe.
Noyau
Substance autour de laquelle est enroulée la bobine. Si la bobine
ne renferme aucun noyau, on dira qu’elle possède un noyau d’air.
Transformateur
Appareil constitué de deux bobines reliées par un noyau commun.
Un courant d’intensité variable traversant la bobine primaire induit
un courant dans la bobine secondaire.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 5 : Induc t ion élec t r om agnét ique
Émission 6 (317306)
La vie et le champ magnétique terrestre
Lien au curriculum de Sciences de l’Ontario
SES4U
Unité : Étude du système solaire
Attente
Expliquer l’influence de processus géologiques internes et de phénomènes astronomiques
sur les astres du système solaire.
Contenus d’apprentissage
Compréhension et interprétations des concepts
Décrire des caractéristiques (par exemple, atmosphère, océan, couche d’ozone, champ magnétique terrestre)
propices à l’apparition et au maintien de la vie sur Terre, en les comparant aux conditions existantes
sur d’autres planètes du système solaire.
Objectifs
Après avoir visionné cette émission, les élèves devraient pouvoir :
• expliquer ce qu’est le vent solaire;
• décrire l’apparence des taches solaires;
• décrire une des activités qui se produisent dans les taches solaires;
• décrire la production d’éruptions solaires et de protubérances;
• expliquer les effets du champ magnétique de la Terre sur les particules
chargées du vent solaire;
• expliquer la structure et l’importance des ceintures de radiation de Van Allen;
• décrire comment se forment les aurores (boréales et australes);
• décrire une inversion du champ magnétique de la Terre et ses effets possibles
sur la vie;
• décrire l’utilisation du champ magnétique terrestre par des organismes vivants
comme le pigeon voyageur et la bactérie des marécages.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 6 : La vie et le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Description de l’émission
L’émission débute par l’illustration du besoin de protéger un astronaute sur la Lune,
du flot de particules chargées, appelé vent solaire. On parle ensuite des taches
solaires, des éruptions et des protubérances, et de leurs effets sur l’intensité du vent
solaire. Le champ magnétique de la Terre protège la vie en déviant ces particules
autour de la Terre, mais quelques particules restent prises dans les ceintures de
radiation de Van Allen. On explique cette déviation par le principe du moteur.
L’émission se poursuit par la description de la formation des aurores (boréales
et australes) et les inversions du champ magnétique terrestre. Elle se termine en
expliquant comment des créatures aussi différentes que le pigeon voyageur et la
bactérie de vase se servent du champ magnétique pour se diriger.
Activités avant le visionnement
Afin de pouvoir assimiler le contenu de l’émission, les élèves doivent comprendre :
• le principe du moteur appliqué à un courant qui traverse un conducteur placé
dans un champ magnétique;
• le champ magnétique de la Terre.
Activités après le visionnement
1. Si possible, organiser une visite d’une centrale électrique.
Accorder une attention particulière :
• aux génératrices électriques;
• à la manière dont est produite la rotation des armatures de génératrices;
• à la source d’énergie utilisée pour imprimer un mouvement de rotation
aux armatures;
• à l’utilisation des transformateurs servant à distribuer l’énergie électrique.
2. Concevoir un moyen d’utiliser un moteur électrique simple comme génératrice.
3. Réaliser une expérience pour déterminer la différence de potentiel et les propriétés
électriques d’un transformateur. L’appareil doit être constitué d’un transformateur
(avec des bobines comptant un nombre différent de tours), d’une source de
courant alternatif, de deux voltmètres à c.a., et de deux ampèremètres.
Par mesure de sécurité, assurez-vous que la différence de potentiel et le courant
sont de faible intensité.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 6 : La vie et le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Activités après le visionnement
1. Faire des recherches sur le cycle des taches solaires ainsi que ses effets sur
les variations climatiques ou sa coïncidence avec ces mêmes variations.
Déterminer où se trouvent les taches solaires dans le cycle actuel et faire
une prévision météorologique à long terme. Établir un graphique des intensités
récentes du cycle et faire quelques extrapolations.
2. Découvrir comment les astronautes se protègent des particules du vent solaire.
3. Faire des recherches et essayer de photographier le Soleil. Quelques taches
solaires apparaîtront sur les photos. Prendre ces photos durant une certaine
période afin de déterminer la vitesse de rotation du Soleil et la « durée de vie »
des taches solaires. Remarque : Ne jamais regarder directement le Soleil à l’œil nu
ou avec des instruments d’optique comme des jumelles ou un télescope.
Utiliser les techniques de rétroprojection.
4. Faire des expériences sur les changements de direction du courant électrique dans
les tubes de Crookes avec des aimants. Prudence, car de hautes tensions sont en jeu
et il peut y avoir production de rayons X, surtout dans les tubes à cathode froide.
5. Faire des expériences avec divers gaz dans les tubes de Crookes et produire
des lumières de différentes couleurs… comme une aurore dans un tube!
6. Faire des recherches afin de savoir comment d’autres créatures vivantes utilisent
le champ magnétique terrestre.
7. Lorsqu’une comète s’approche du Soleil, elle développe une deuxième queue.
Faire des recherches et expliquer :
a) pourquoi ce phénomène se produit-t-il?
b) pourquoi une queue est courbée, alors que l’autre est droite?
34
Électromagnétisme
É m i s s i o n 6 : La vie et le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Notes
1. Le Soleil émet un flot de particules chargées, appelé vent solaire. À cause de
leur charge, ces particules peuvent être déviées par le champ magnétique terrestre,
mais les radiations électromagnétiques du Soleil, comme les rayons ultraviolets,
ne le sont pas. Heureusement, la couche d’ozone absorbe une grande partie de
ces rayons ultraviolets et ainsi, nous protège.
2. Le champ magnétique du Soleil s’inverse lui aussi et les taches solaires produisent
de forts champs magnétiques. La direction d’un champ est uniforme durant
un certain cycle de la tache, puis il s’inverse. La durée du cycle complet d’une tache
solaire est d’environ 10 à 11 ans. Toutefois, la période qui s’écoule entre
deux cycles au maximum avec le champ magnétique dans la même direction
est d’environ 21 ans.
Tout au long de son histoire, la Terre a connu des fluctuations périodiques de
son propre champ magnétique. Les géophysiciens croient que le champ
magnétique terrestre provient en fait de mouvements complexes des charges
électriques au sein du noyau en fusion de la planète.
Ce flux de charge électrique semble s’inverser de temps à autre, produisant ainsi
une inversion des pôles nord et sud. Le flux de charge électrique au sein du noyau
ralentit, réduisant le champ magnétique à environ dix pour cent de sa force
normale. Le champ magnétique de la Terre étant démesurément affaibli,
le vent solaire n’est plus dévié autour d’elle et les particules chargées tombent
en pluie à sa surface.
Ceci peut perturber le matériel génétique dans les cellules vivantes, entraînant
des mutations qui pourraient expliquer l’extinction soudaine de beaucoup de
plantes et d’animaux, et l’apparition d’espèces entièrement nouvelles. Alors
le champ magnétique fortement réduit s’inverse et retrouve sa pleine puissance.
3. Au cours des 76 derniers millions d’années, on a identifié 171 inversions du champ
magnétique. La dernière est survenue il y a environ 700 000 ans. Durant un million
d’années avant cette dernière inversion, le champ a presque toujours été inversé,
à l’exception de deux périodes de 100 000 ans durant lesquelles il était dans
la même direction qu’aujourd’hui. La durée entre les inversions est en moyenne
de 450 000 ans, mais elle varie de 50 000 ans à trois millions d’années. Jusqu’à
ce que nous en comprenions mieux les causes, les inversions demeureront plutôt
imprévisibles. Le champ magnétique terrestre semble s’être affaibli d’environ
15 pour cent depuis 1670.
4. Les aurores apparaissent en général à l’extrême nord ou à l’extrême sud,
là seulement où le champ magnétique capte le vent solaire assez bas pour que
ses particules chargées puissent agir sur les molécules.
5. Des expériences semblent démontrer que les pigeons voyageurs utilisent la position
du soleil dans le ciel et le champ magnétique terrestre pour se diriger. Ils utilisent
le soleil lorsqu’il est visible et le champ magnétique lorsqu’il est caché.
Des expériences montrent que des pigeons auxquels on avait attaché des aimants
sur la tête (pour annuler le champ de la Terre) s’égaraient par temps nuageux,
mais pas par temps ensoleillé. Par temps nuageux, sans les aimants, les pigeons
ne s’égaraient pas.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 6 : La vie et le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Questions sur l’émission
Pendant le visionnement de l’émission, trouver les réponses aux questions suivantes :
1. Quel est le nom donné aux particules chargées qui proviennent du Soleil?
2. Qu’est-ce qu’une tache solaire?
3. Qu’arrivera-t-il à la force du vent solaire si le nombre de taches solaires augmente?
4. Qu’est-ce qui protège les humains du vent solaire?
5. Que peut-on observer lorsque les particules du vent solaire entrent
en collision avec les atomes et les molécules de l’atmosphère?
6. Qu’est-il arrivé au climat de la Terre durant les périodes de faible activité solaire?
7. Qu’est-ce qu’une inversion du champ magnétique?
8. Nommer au moins deux créatures, autres que les humains, qui utilisent
le champ magnétique terrestre pour se diriger.
Questions à discuter
Après le visionnement de l’émission, répondre aux questions suivantes.
Dans certains cas, il faudra faire une recherche.
1. Qu’est-ce que le soleil émet, outre des rayons de lumière et des particules chargées?
2. Combien de temps dure le cycle d’une tache solaire?
Quand la prochaine période d’activité maximale du soleil sera-t-elle atteinte?
3. Si une navette spatiale se trouvait dans une orbite normale de 200 km au-dessus
de la surface de la Terre, combien de fois plus haut les astronautes devraient-ils
se rendre pour atteindre la plus basse des ceintures de radiation de Van Allen?
4. Qu’arriverait-il si le champ magnétique de la Terre disparaissait à tout jamais?
Donner quelques conséquences d’ordre biologique et physique.
5. Quelles planètes possèdent d’importants champs magnétiques?
Lesquelles n’en possèdent pas?
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 6 : La vie et le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Terminologie importante
Aurore (boréale et australe)
Lueur apparaissant dans la haute atmosphère et dont l’intensité varie d’une légère
brume à de grands rideaux de banderoles multicolores. On les retrouve en général
dans les régions proches des pôles magnétiques de la Terre. Près du pôle magnétique
nord, ce sont des aurores boréales (lumières du Nord) et près du pôle magnétique
sud, des aurores australes.
Ceintures de radiation de Van Allen
Régions en forme de beignet autour de la Terre où les particules du vent solaire
sont arrêtées avant d’être déviées par le champ magnétique de la Terre.
Inversion du champ magnétique
Renversement des pôles magnétiques de la Terre, le sud se retrouvant au nord
et vice-versa. Ce phénomène se produit en moyenne tous les 450 000 ans.
On en comprend encore mal les causes.
Radiation
Flux d’énergie sous forme d’ondes ou de particules.
Taches solaires
Régions de la surface du soleil qui sont nettement plus froides que le reste de
la surface. Les forts champs magnétiques qui existent à l’intérieur de ces taches
pourraient bien en être la cause.
Vent solaire
Flot de particules chargées que le soleil émet.
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Électromagnétisme
É m i s s i o n 6 : La vie et le c ham p m agnét ique t er r es t r e
Dates à retenir et scientifiques importants
v. 624-546 av. J.-C.
Thalès : philosophe grec. Il est le premier à décrire
des expériences avec des minerais naturellement
magnétiques et à découvrir qu’ils pouvaient attirer
le fer.
1031-1095
Shen Kua : mathématicien chinois et fabricant
d’instruments. Le premier à mentionner par écrit
l’usage d’une aiguille magnétique pour indiquer
la direction à suivre dans les voyages terrestres.
1544-1603
William Gilbert : savant et physicien anglais.
Il a correctement décrit le magnétisme terrestre
et a découvert les règles de répulsion et d’attraction
des aimants par les pôles. Il a aussi découvert que
le fer magnétisé perdait son magnétisme lorsqu’il était
chauffé à de hautes températures. Il a publié
De Magnete en 1600.
1588
Défaite de l’Armada espagnole.
v. XIIe siècle
Chu Yu : Chinois. Il rapporte qu’entre 1086 et 1099,
la boussole était utilisée par les navigateurs étrangers
qui voyageaient entre Canton et Sumatra.
1643-1727
Sir Isaac Newton : physicien anglais.
Il a fait des expériences sur la lumière, le mouvement
et la gravitation.
1157-1217
Alexander Neckam : encyclopédiste anglais.
Le premier Européen connu à faire référence
à la boussole.
1736-1806
Charles-Augustin de Coulomb : physicien français.
En 1785, il a établi avec une certain précision la loi
qui gouverne les pôles magnétiques et selon laquelle
les forces d’attraction et de répulsion électriques sont
en raison inverse du carré de la distance.
vers XIIe siècle
Pierre Le Pèlerin de Maricourt : Croisé français.
Donne la première description détaillée de la boussole
comme instrument de navigation (1269). Explore
le champ entourant une pièce sphérique de magnétite
avec de la limaille de fer et donne le nom de pôles
aux endroits où les forces magnétiques semblent
se concentrer.
1745-1827
Comte Alessandro Volta : physicien italien.
Inventeur de la pile Volta et de l’électroscope.
1749-1752
Benjamin Franklin : fait des expériences sur l’électricité.
1275-1292
Marco Polo en Chine.
1769-1821
Napoléon Bonaparte.
1492
Voyage de Christophe Colomb.
1771-1851
Hans Christian Oersted : physicien danois.
Il a découvert l’action magnétique d’un courant
électrique (1820).
1519-1522
Ferdinand de Magellan et Juan Sebastian del Cano
accomplissent la première circumnavigation.
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1775-1836
André-Marie Ampère : physicien français.
Il énonce les formules pour calculer la force d’un champ
magnétique. Il suggère que le magnétisme provient de
minuscules courants circulant dans les molécules.
Électromagnétisme
Dates à retenir et personnages importants
1775-1783
Révolution américaine.
1789
Révolution française.
1791-1867
Michael Faraday : physicien et chimiste anglais.
En 1831, il a construit ce qui est en fait la première
génératrice électrique (unipolaire). Ce genre de
génératrice était un engin de faible voltage sans
utilité commerciale à cause de son coût élevé et
sa faible efficacité. Il a aussi construit les premiers
transformateurs, avec Joseph Henry.
1797-1878
Joseph Henry : physicien américain.
En 1829, il a découvert l’auto-induction.
On croit qu’il a été le premier à découvrir l’induction
électromagnétique en 1830, mais Faraday a découvert
peu après le même effet et a publié ses découvertes
avant. Avec Faraday, il a construit les premiers
transformateurs.
1859-1906
Pierre Curie : physicien français.
Époux de Marie Curie. Il a fait d’importantes
recherches sur le paramagnétisme. On appelle point
de Curie la température à laquelle les matériaux
ferromagnétiques perdent leur magnétisme et
deviennent paramagnétiques.
1866
Pose du premier câble transatlantique.
1876
Invention du téléphone.
1901
Marconi réussit la transmission du premier message
radio transatlantique.
1804-1865
Heinrich Lenz : physicien estonien. La loi de Lenz
gouverne la direction des courants électromagnétiques
induits.
1808-1835
Hippolyte Pixii : inventeur français. Il a construit la
première génératrice hétéropolaire (1832) – plus utile
que la génératrice unipolaire de Faraday. Il a inventé le
commutateur.
1812-1814
Guerre de 1812 (conflit entre les Etats-Unis et
la Grande-Bretagne).
1831-1879
James Clerk Maxwell : physicien écossais.
En 1864, il a mis au point les quatre équations
fondamentales qui combinent l’électricité et
le magnétisme en un seul phénomène –
l’électromagnétisme.
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Électromagnétisme
Dates à retenir et personnages importants