Première S Chapitre 10 Le magnétisme. I. Le champ magnétique.

Première S
Chapitre 10 Le magnétisme.
I. Le champ magnétique.
1. L’effet d’un champ magnétique.
Dans certaines circonstances, une aiguille aimantée s’oriente comme soumise à un couple. On dit alors
que dans cette région il règne un champ magnétique noté
B
r
.
Par convention, le sens de
B
r
est celui qu’indique le pôle nord de l’aiguille aimantée.
Remarque :
On appelle « champ » une grandeur physique, fonction des coordonnées de position d’un point de l’espace,
utilisée pour décrire localement les propriétés de la matière ou pour interpréter les phénomènes qui s’y
produisent. On parle ainsi de « champ de pression » (exemple des cartes météorologique).
2. Aimant et champ magnétique.
Visualisons aimant + aiguilles
Aimant + poudre de fer (spectre)
Animation
Le spectre magnétique de l’aimant est représenté ici par six lignes de champ. Chaque ligne est tangente en tout
point au vecteur champ magnétique (comme le montrent les aiguilles aimantées) et se referme sur elle-même.
L’intensité du champ magnétique diminue quand on s’en éloigne de l’aimant.
Vecteur champ magnétique
Le champ magnétique a les propriétés mathématiques d’un vecteur :
 une direction : celle prise par l’aiguille aimantée / tangente à la ligne de champ
 un sens : celui qu’indique le pôle nord de l’aiguille aimantée (du sud vers le nord de l’aiguille)
 une valeur (mesurée par une sonde spécifique : un teslamètre) en Tesla.
Aimant en U
Le champ magnétique dans l’entrefer d’un aimant en U est uniforme.
3. Le champ magnétique terrestre.
Le champ magnétique terrestre (ou champ géomagnétique) ressemble
à celui produit par un aimant droit (un barreau aimanté).
Le pôle Nord magnétique terrestre est en réalité un pôle de
magnétisme « sud » qui attire le pôle « nord » de l'aimant que
constitue l'aiguille de la boussole. Cette erreur historique d'appellation
conventionnelle des pôles de magnétisme nord sera difficile à
rectifier ; noter sur la figure que le pôle de magnétisme nord de
l'« aimant terrestre » pointe vers le sud géographique.
L'axe géomagnétique, passant par les deux pôles magnétiques, fait un
angle de 11,5° par rapport à l'axe de rotation de la Terre et de ce fait, le
pôle nord magnétique (Nm) est à environ 1000 km du pôle nord
géographique (Ng), en direction du Canada. Le pôle Sud magnétique,
quant à lui, se trouve au large de la Terre Adélie, dans la mer d'Urville,
à 65° S et 138°E.
Le champ magnétique est provoqué par les mouvements turbulents de liquides conducteurs à l'intérieur de la
Terre.
N
S
B
r
N
S

La valeur de l'induction magnétique est exprimée en Tesla. Actuellement, elle est de l'ordre de 47 µT au centre
de la France
4. Superposition de deux champs magnétiques (addition vectorielle)
Le champ magnétique résultant en un point est égal à la somme vectorielle des champs en ce point
∑
=
ii
BB
r
r
Exemples
II. Comment créer un champ magnétique ?
1. Expérience d’Oersted.
Expérience 1
Le fil est parallèle à la boussole. Lorsque le courant passe, la boussole dévie.
Le champ magnétique total est donné par la boussole. Cela prouve que l’on a créé un champ
magnétique en faisant passer un courant dans le fil.
Ce champ est perpendiculaire au fil.
Vu de dessus vu de la borne positive
Film d’animation « pile/pole « de EDF
Un fil conducteur parcouru par un courant crée un champ magnétique.
-
G
+
G
+
-
G
+
I
Bcréé
Btotal Bterre
Fil avec
intensité
entrante

2. Champ magnétique créé par un courant rectiligne.
En l’absence de milieux magnétiques, la valeur B du champ magnétique est proportionnelle à
l’intensité I du courant : B = k .I avec k une constante qui dépend de la géométrie du
courant, de son intensité ainsi que du point de mesure.
Topographie du champ crée par un courant rectiligne
Comment trouver le sens du champ magnétique ?
Le courant sort du pouce de la main droite, paume vers
le fil.
Les doigts donnent le sens de B, sortant des ongles.
3. Champ magnétique créé par un solénoïde.
Topographie du champ crée par un solénoïde
Comment trouver le sens du champ magnétique ?
I
I
N
S
les doigts dans le sens du courant. Le pouce donne le sens de
B
r
O axe de la spire
I
P

Le champ magnétique résultant au point P est porté par l’axe. Son sens est donné, en pratique, par la
règle de la main droite.
Solénoïde
Le solénoïde est une bobine très serrée de grande longueur. Il y a n spires par mètre, parcourues par
courant I (équivalent à une nappe de courant cylindrique).
Le champ magnétique dans un solénoïde est uniforme et de valeur I .n . B
0
µ=
Avec µo= 4.π.
7
10
−
et n = N/L ou N est le nombre de spires et L la longueur en mètre.
III. Les forces électromagnétiques.
1. Mise en évidence.
Le rail de Laplace.
2. Définition.
Loi de Laplace
Un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique est soumis à une force
électromagnétique (appelée force de Laplace).
Force de Laplace
Pour un champ magnétique uniforme
B
r
et un courant orienté dans le sens du vecteur
l
r
, la force de
Laplace a les caractéristiques suivantes :
 direction : orthogonale au plan formé par le conducteur et le vecteur
B
r
 sens : le trièdre (
l
r
,
B
r
,
F
r
) est direct
 valeur : F = I .l .B .sin (
l
r
,
B
r
)
Trièdre direct et trièdre indirect
I, B, F comme « ich bin fol »
IV. Couplage électromécanique
1. Conversion énergie électrique en énergie mécanique
+
-
N
S
F
r
I
N
S
trièdre (
l
r
,
B
r
,
F
r
) direct
l
r
B
r
F
r
main
droite
l
r
B
r
F
r

Le haut-parleur.
Le haut-parleur est composé
d’un aimant nord et d’un
aimant sud, d’une bobine de
fil conducteur placée autour
du pôle nord, d’un cône
solidaire de la bobine et relié
par des ressorts à un boîtier
cubique. L’ensemble cône-
ressort forme la membrane.
Deux douilles de raccordements permettent le branchement
électrique à un générateur de courant continu, ou générateur de
basses fréquences (G.B.F.).
Lorsqu’on alimente le haut-parleur à l’aide d’un G.B.F. (mode
sinusoïdal) réglé à une fréquence comprise entre 50 et 100 Hz, on
observe le déplacement alternatif de la partie centrale du
hautparleur. Le haut-parleur émet un son lorsque sa membrane vibre.
Le moteur.
Stator
Le stator est un aimant formé de deux pièces polaires
Rotor
Le rotor est un cylindre qui peut tourner autour de son axe. Il porte sur sa surface latérale, logés dans
des encoches, un grand nombre de conducteurs rectilignes.
Champ magnétique radial
La forme des pièces polaires et du rotor sont étudiés pour que, dans l'entrefer, il règne un champ
magnétique radial : le vecteur
B
r
est dirigé suivant un rayon du rotor.
Moteur électrique
Les fils diamétralement opposés sont associés deux à deux. Chaque couple de ces fils équivaut à une
sorte de cadre rectangulaire. Un fil est parcouru par un courant de même intensité que son opposé
mais de sens contraire.
S
N
S
N
B
r
B
r
B
r
B
r
I
B
r
B
r
I
F
r
F
r
F
r