Le magnétisme

Le magnétisme
Matériel :
Paillasse prof :
Une bassine (oucristallisoir) remplie d'eau
Une rondelle de bouchon
De la patafixe
Un trombone neuf
Un aimant
Une boussole
12 aiguilles de boussoles + support (pointe)
Une feuille A3
Limaille de fer
Plaquette avec les petites barres incrustées (dans les alvéoles)
Aimant en U
Deux sacs congelation transparents
Deux feuilles A4
Expèrience d'Oersted :
Batterie
fils
réhostat
Montage de projection du champ magnétique dans un solénoïde (rétro...)
Batterie
Interrupteur 10A
Rhéostat 10A
Ampèremètre
Solénoïde
Rétroprojecteur
5fils
Limaille de fer
Rail de Laplace
Rail +tige
Fils
Interrupteur
Gros aimant en U
Principe du haut parleur
Une bobine plate suspendue à une potence +fils
Induction électromagnétique
Un galvanomètre ou ampèremètre à aiguille.
Une bobine (celle que l'on peut insérer dans le noyau)
Paillasse élève :
Un cristallisoir rempli à moitié d'eau
Une rondelle
Un trombone neuf
Un aimant
Montage pour mesurer l'intensité d'un champ magnétique :
1 teslamètre (sonde Hall)
2 multimètres
1 bobine
1 alim grise (+-15V)
1 Réhostat
6 fils
Le magnétisme
1)Détection et création d'un champ magnétique
1.1)Introduction
L'étrange pouvoir de la pierre aimant (minerai appelé
magnétite) de se plaquer contre les outils en fer est connu depuis
l'Antiquité. Selon la légende, un empereur chinois (2600 av J.-C.)
se guida dans le brouillard à l'aide d'une telle pierre.
Dès le IIIème siècle après J.-C., les chinois l'utilisèrent pour
fabriquer les premières boussoles.
1.2)Visualisation du champ magnétique créé par un aimant
Applications :
Les aimants sont utilisés dans de nombreuses applications de la vie courante :
•
Fermetures de portes (placards,
•
Moteurs électriques
frigos...)
•
Agitation magnétique
•
Disques durs
Cps
applications
Visualisation du champ magnétique :
Manipulation
➢
Placer un aimant sous une fauille A3 et
verser doucement de la limaille de fer.
➢
On place un aimant au milieu d'un
enssemble d'aiguilles de boussoles.
Observations (schéma)
Les deux pôles de l'aimant n'ont pas la même
action sur l'aiguille aimantée de la boussole
A retenir :
•
Un aimant est source de champ magnétique.
•
Une aiguille aimantée permet de détecter un champ magnétique.
•
La limaille de fer ainsi que les aiguilles des boussoles sorientent selon des lignes de
champ.
1.3)Le champ magnétique terrestre
En un lieu donné, une aiguille aimantée, pouvant tourner dans un plan
horizontal, comme celle d'une boussole, s'oriente toujours dans la
même direction et le même sens.
Si on s'écarte de la position d'équilibre, elle reprend la même
orientation après quelques oscillations.
Manipulation :
•
Etirez le trombone que vous avez sur la paillasse afin qu'il forme
un fil de fer droit.
•
Aimantez une seule extrémité du trombone avec l'aimant.
Placer le bout de liège circulaire dans le cristallisoir contenant de l'eau.
Déposer le fil de fer aimanté sur le liège.
•
Quelles sont vos observations ? Comparez avec celles de vos camarades.
On observe que toutes les aiguilles de la classe s'orientent dans la même direction.
•
•
cps_champ_magnetique terrestre
1.4)Champ magnétique créé par un courant : Expèrience d'Oersted
Oersted &eacutetait un physicien danois né à Rudkøbing en 1777, mort à
Copenhague en 1851.
En 1820, Oersted suite à une longue série d'expériences, découvre qu'une
aiguille aimantée placée à proximité d'un conducteur dévie lorsque l'on
branche le fil aux bornes d'une pile.
Il n'est pas question de parler à cette époque de circuit électrique et de
courant, mais Oersted soupçonne un lien entre l'électricité et le
magnétisme.
Réalisation de l'expèrience d'Oersted :
Observations :
Les observations sont conformes à la
description d'Oersted. L'aiguille aimantée est
déviée lorsque le fil est parcourru par un courant
électrique.
A retenir :
Un courant électrique crée un champ magnétique.
2)Comment caractriser un champ magnétique ?
2.1)Vecteur champ magnétique.
Schéma :
Définition :
Le champ magnétique qui règne en un point de l'espace peut être caractérisé par un vecteur
dit « vecteur champ magnétique » tel que :
•
•
•

B
Sa direction est celle prise par une
aiguille aimantée dont le centre est placé
en ce point ;
Son sens va du pôle sud de l'aiguille vers
son pôle Nord;
Sa valeur se mesure avec un teslamètre
et s'exprime en tesla (symbole : T)
Ordre de grandeur :
•
Corps humain : 3.10-10T
•
Terre : 5.10-5 T
•
Aimant en céramique : 0,02 T
•
Electroaimant : 1 à 5 T
•
Bobines supraconductrices 10 à 40 T
2.2)Spectre magnétique et lignes de champ
Nous avons vu précédement que la limaille de fer se dispose autour de l'aimant sur des lignes que
l'on a appelé lignes de champ.
Aimant droit
Aimant en U
Deux aimants droits qui s'attirent (Pôle Nord
face au pôle Sud)
Expèrience à réaliser avec des sacs congélation
et de la limaille de fer.
Deux aimants droits qui se repoussent (Pôle
Nord face au pôle Nord)
cps_lignes_champ
A retenir :
•
Les lignes de champ d'un aimant sont des liges qui joignent ses pôles ; elles sont orientées
du pôle Nord vers le pôle Sud.
•
En tout point de l'espace le vecteur champ magnétique est tangent à une ligne de champ.
•
Un champ magnétique est dit uniforme quand le vecteur champ magnétique est le même en
tout point. Les lignes de champ sont alors parallèles.
cps_aurores
2.3)Superposition de deux champs magnétiques
Tracer sur une feuille deux perpendiculaires. Tracer un cercle dont le centre est l'intersection des
deux droites.
Au centre du cercle placer une boussole.
Dans un premier temps placer un aimant sur le bord du cercle. Notrer la direction de l'aiguille.
Dans un second temps placer le 2ème aimant.
Observe la direction de l'aiguille.
Experience :
Dans chacun de ces deux cas on place une aiguille de boussole au centre du cercle. Tracer la
direction adoptée par l'aiguille.
A retenir :
B 1 le
Soient deux aimants notés 1 et 2. Soit 
champ magnétique créé par l'aimant 1 en un
B 2 le champ magnétique créé
point M et soit 
par l'aimant 2 en ce même point M.
Le champ résultant est égal à la somme
vectorielle des champs créés par chaque source
au point M.
3)Propriétés d'un champ magnétique créé par un courant
3.1)Champ magnétique créé par un fil rectiligne parcouru par un courant
Le document ci-contre montre le spectre du
champ magnétique créé par un courant circulant
dans un fil rectiligne. Ce spectre est réalisé
dans un plan perpendiculaire au fil.
Les lignes de champ sont des cercles centrés
sur le fil. Le vecteur champ magnétique, en un
point est tangent au cercle passant en ce point.
Le sens du champ est déterminé à l'aide d'une
aiguille aimantée.
Règle de l'observateur d'Ampère :
•
L'observateur d'Ampère est placé sur
le fil, le courant entre par ses pieds et
sort par sa tête.
•
En regardant le point M ou il veut
connaître la direction du champ

magnétique, il voit
B M  dirigé sur
sa gauche.
3.2)Champ magnétique créé par un solénoïde
Un solénoïde est une bobine constituée par l'enroulement d'un fil conducteur sur un cylindre. Les
spires sont régulièrement réparties.
Manip avec le solénoïde et le rétroprojecteur.
A l'exterieur du solénoïde :
Les lignes de champ à l'extérieur d'un solénoïde parcouru par
un courant sortent par sa face Nord et entrent par la face sud.
Ce sont de lignes fermées qui ne se croisent jamais.
A l'intérieur du solénoïde :
•
Le champ magnétique est uniforme, de vecteur 
B
parallèle à l'axe du solénoïde.
•
Son sens, qui dépend du sens du courant, est donné
par une règle d'orientation (Observateur d'Ampère)
•
La valeur du champ magnétique est données par :
 μ0 . N. I 
∥
B∥ =
L
B : champ magnétique en Tesla.
μ0 :Perméabilité du vide = 4π10-7SI
I : Intensité en Ampères
N : Nombre de spires
L : Longueur du solénoïde en m
Evaluation de l'intensité du champ magnétique à l'intérieur d'un solénoïde :
Afin d'étudier l'intensité du champ magnétique
vous allez utiliser une sonde à effet Hall.
Celle-ci, reliée à une voltmètre vous permet de
déterminer la valeur du champ magnétique.
En effet la tension de sortie du teslamètre est
directement proportionnelle à l'intensité du
champ magnétique.
La conversion est la suivante : 1mT.V-1
Mise en évidence de la proportionnalité entre l'intensité du courant traversant le solénoïde et
l'intensité du champ magnétique.
•
Réaliser le montage et le monter au professeur avant de mettre sous tension. Vous poitionnerez la
sonde au milieu du solénoïde.
•
Mettre le teslamètre sous tension à l’aide de l’adaptateur secteur.
•
Faire un mesure du champ magnétique pour une intensité nulle.
•
Attendre 5 minutes, le temps nécessaire à la stabilisation thermique des différents composants.
•
A l'aide du rhéostat, réglez l'intensité du courant traversant le solénoïde. Vous effectuerez une série
de mesures comprises entre 0,1 et 0,32 A
Intensité mesurée
0
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
0,22
0,24
0,26
0,28
0,3
0,32
Bx10-3
Intensité mesurée
0
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
0,22
0,24
0,26
0,28
0,3
0,32
Bx10-3
2,50E-002
7,10E-001
8,66E-001
1,04E+000
1,19E+000
1,34E+000
1,49E+000
1,64E+000
1,80E+000
1,94E+000
2,09E+000
2,26E+000
2,38E+000
Sur le graph ci-dessous, tracez la courbe B=f(I)
Quelle conclusion pouvez vous tirer ?
On déduit du graphique précédent qu'il y a bien proportionnalité entre l'intensité traversant un
solénoïde et l'intensité du champ magnétique.généré en son centre. Cela vérifie la relation :
 μ0 . N. I 
∥
B∥ =
L
Mise en évidence de l'uniformité du champ électrique à l'intérieur du solénoïde.
Fixez l'intensité à 250mA et déplacez la sonde à l'intérieur du solénoïde. Que remarquez vous ?
Hall rentré à (cm)
0
0,5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
5,90E-001
8,60E-001
1,19E+000
1,26E+000
1,34E+000
1,48E+000
1,61E+000
1,68E+000
1,77E+000
1,81E+000
1,84E+000
1,86E+000
1,88E+000
1,89E+000
1,90E+000
1,90E+000
1,90E+000
1,91E+000
1,91E+000
1,92E+000
1,92E+000
1,93E+000
On remarque que l'intensité du champ magnétique dans le solénoïde est constant uniquement au
centre de celui-ci. Lorsqu'on s'éloigne du centre du solénoïde l'intensité du champ magnétique
diminue.
cps_champ_proportionnel_i
4)Forces électromagnétiques
4.1)Force de Laplace
Experience :
Une tige cylindrique ferme un circuit électrique constitué de deux rails parallèles. La tige est placée
dans le champ magnétique d'un aimant en U.
Quelles sont les observations lorsqu'on ferme l'interrupteur ?
On remarque que la tige s'éloigne de l'aimant.
Que se passe-t-il en changeant le sens de circulation de électrons ?
La tige cylindrique se rapproche de l'aimant.
Revenir à la configuration initiale et changer le sens du champ magnétique.
La tige se rapproche à nouveau de l'aimant.
 qui agit sur une portion
La force électromagnétique F
rectiligne de circuit de longueur l, parcourue par un
courant continu d'intensité I et situé dans un champ
magnétique 
B , est caractérisée par :
•
Sa direction perpendiculaire au plan formé par le
conducteur et le vecteur 
B
 ) soit
•
Son sens, les que le trièdre ( l , 
B , F
direct avec l vecteur parallèle au conducteur et
orienté dans le sens du courant.
•
•
Son point d'application, situé au milieu de la portion de fil conducteur.
Sa valeur F donnée par la relation : F= I.l.B.sin (α) avec α l'angle 
 l , 
B .
Règle des trois doigts de la main droite :
 ) est direct :
Le trièdre ( l , 
B , F
•
L'index indique la direction de l'intensité du courant.
•
Le majeur indique la direction du champ magnétique
•
Le pouce indique la direction de la poussée ou de la
force.
4.2)Principe de fonctionnement d'un haut parleur
Experience :
•
Suspendre une bobine plate à une potence.
•
Approcher un aimant de la bobine.
•
Etablir un courant dans la bobine.
•
Observer son mouvement.
Que se passe-t-il en l'absence de courant ?
En l'absence de courant la bobine de bouge pas à l'approche de l'aiment.
Qu'observe-t-on lors de l'établissement du courant ?
Lors de l'établissement du courant dans la bobine on observe que celle ci-est soit attirée soit
repoussée. (selon le sens de l'intensité)
Lorsqu'on établit le courant dans une bobine
placée dans le champ magnétique d'un aimant,
la bibine est soit attirée, soit repoussée. Cela
dépend de la nature (Nord/Sud) du pôle de
l'aimant situé à proximité de la bobine.
Lorsqu'on change le sens du courant, les
phénomènes sont inversés.
Sur chaque morceau de spire, parcourue par
courant et placée dans le champ magnétique
l'aimant, s'exerce une force de Laplace.
somme de toutes ces forces est à l'origine
mouvement.
un
de
La
du
A retenir :
Une bobine parcourue par un courant et
placée dans un champ magnétique, subit des
actions électromagnétiques.
4.3)Le moteur a courant continu
Le stator, immobile est un aimant permanent ou un électroaimant; les lignes de champ
magnétique passent par l'axe du moteur.
•
Le rotor est la partie tournante. Il est constitué d'enroulements de spires autour d'un cylindre
de fer. Ces spires sont alimentées par un courant continu. Chaque spire rectangulaire
comprend deux conducteurs actifs comme AB et DC.
•
Les conducteurs AB et DC sont parcourus par le courant d'intensité I et placés dans le
champ magnétique. Ils sont tous deux soumis à deux forces de même valeur, de même
direction, mais de sens opposés (Sens de l'intensité). Ces forces provoquent la rotation
autour de l'axe.
•
A chaque passage de la spire par le neutre ( I=0), il faut que le courant change de sens.
Dans le cas contraire la force de Laplace s'opposerait au mouvement et le moteur cesserait
de tourner.
•
Le système de balais permet de changer le sens de la circulation du courant au moment du
passage de la spire par la ligne neutre. C'est la commutation.
A retenir :
Le moteur électrique permet de convertir une énergie électrique en énergie mécanique.
•
5)Comment produire du courant électrique
5.1)L'induction électromagnétique
Expérience :
On approche un aimant d'une bobine dont les deux
extrémités sont reliées à un voltmètre.
Observations :
Lorsque l'aimant est immobile la tension est nulle. Mais si
on déplace l'aimant alors il existe pendant un bref instant
une tension aux bornes de la bobine.
A retenir :
L'apparition d'une tension électrique aux bornes d'une bobine mobile dans le voisinage
d'un aimant fixe est appelé phénomène d'induction.
5.2)Application de l'induction à la production d'électricité
cps_aimant_prod_courant
Une dynamo de vélo ainsi qu'un alternateur de centrale électrique
fonctionnent sur le même principe. Le rotor est constitué d'un
aimant en rotation autour du stator constitué de bobines.
Le champ magnétique variant dans les bobines crée un courant
induit.
A retenir :
Le phénomène d'induction permet de convertir l'énergie
mécanique en énergie électrique.