De l`aimant aux Machines électriques

1) Le champ magnétique terrestre
En l’absence de toute autre source de champ, le pôle Nord
d’une aiguille aimantée (ou boussole) s’oriente vers le pôle
Nord magnétique terrestre.
2) Les aimants
Les aimants ont la propriété d’attirer, quelque soit le pôle en présence, certaines substances
dites ferromagnétiques. Ces matériaux tel que le fer, le nickel… attirés par la source de champ
vont prendre à leur tour une aimantation qui sera permanente ou temporaire.
Si nous mettons en présence deux aimants, des forces interactives sont crées.
F
S
N
F
S
S
N
Deux pôles de noms contraires s’attirent
N
N
S
Deux pôles de même nom se repoussent
3) Champ magnétique autour d’un aimant droit.
Comme le courant électrique, la champ magnétique est invisible. Il est mis en évidence par les
forces qui s’exercent sur une aiguille aimanté et qui la font tourner.
L’aiguille aimantée placée en un point de l’espace nous indique la direction ainsi que le sens du
champ magnétique du pôle Nord vers le pôle Sud à l’extérieur de l’aimant.
Un aimant produit un champ magnétique qui est visualisé à l'aide des lignes de champ
magnétique, elles ne se croisent pas et elles forment des boucles fermées.
Le champ magnétique este mis en
évidence par des aiguille aimantée
A l’aide de la limaille de fer, on peut faire
apparaître le champ magnétique
4) Un courant circulant dans un conducteur.
Lors du passage d’un courant (constant) dans un conducteur, l’aiguille dévie et prend une position
d’équilibre stable, prouvant ainsi qu’un champ magnétique a été crée.
Nord terrestre
Nord terrestre
+
-
i
Le courant électrique crée un champ magnétique
+
-
5) Le vecteur champ magnétique symbolisé par B
Les observations précédentes montrent que les propriétés magnétiques en un point de l’espace
magnétisé seront définies parun vecetur champ
B.
5.1 Caractéristiques du vecteur champ B
Point d’application : lieu où la connaissance du
champ est nécessaire.
Direction : Orientation de l’aiguille aimantée
tangente à la ligne de champ passant par le point
d’application.
Sens : Orientation du Sud vers le Nord de
l’aiguille aimantée.
Module : C’est l’intensité du champ symbolisé par
B ou plus généralement par B. Il dépend de la
source du champ et du lieu par rapport à celle-ci.
L’unité du champ magnétique est le Tesla, symbolisé par T
Quelques valeurs de champ magnétique
Champ magnétique terrestre : 20µT
Moteur électrique : inférieur à 2T
5.2 Recherche du sens du vecteur champ B
Connaissant le sens du courant circulant dans une spire ou une bobine, une règle simple parmet de
déterminer le sens du vecteur champ
♦
B , donc des polarité Nord-Sud de la source du champ.
Règle de la main droite
A l’exeption du pouce, les quatres autres doigts sont
orientés dans le sens de circulation du courant dans la
spire ou de la bobine. La direction du pouce donne le
sens Sud-Nord du vecteur champ B .
Le pouce de main droite indique le sens du vecteur champ B
Bobine longue (solénoïde)
♦
Bobine torique (forme de tore)
Règle de du tire-bouchon de Maxwell
Le sens des lignes de champ est celui dans lequel il
faut faire tourner un tire bouhon pour qu’il progresse
dans le sens du courant. On peut remplacer la tire
bouchon par une vis.
Règle du tire-bouchon de Maxwell
6) Module du vecteur champ
L’intensité du champ :
♦ au centre de la bibine pour une bobine longue.
♦ Sur le ligne moyenne d’une bobine torique.
est donné par la relation :
Bo : Intensité du champ magnétique, en Teslas (T)
N : nombre de spires de la bobine
L : Longueur de la bobine, en mètres (m)
I : Intensité du courant, en Ampères (A)
N.I
Bo = µ o .
L
µo est la constante magnétique appelée perméabilité du vide (ou air), elle a pour valeur :
µo = 4.π.10-7
Dans l’air, le champ magnétique est proportionnel à l’intensité du courant
7) Flux magnétique
Il est pratiquement impossible d’obtenir une grande étendue d’un champ magnétique uniforme tel que B = cste . Les lois
de variation du champ n’étant pas simple, les calculs utilisant cette grandeur deviennent vite compliqués ou impossible.
Nous allons donc introduire une nouvelle grandeur dont l’emploi est souvent pratique : le flux magnétique.
Une spire de section S est placée dans un champ
magnétique uniforme. Celle-ci est donc traversée par une
infinité de lignes de champ formant un flux magnétique.
7.1 Recherche du sens du vecteur champ B
•
Si la spire est perpendiculaire au vecteur champ B .
φ=B.S
•
B : en Teslas (T)
S : en mètres carrés (m²)
φ : en Webers (Wb)
Si la spire est inclinée et forme un angle α avec sa projection sur un plan perpendiculaire au
vecteur champ
B.
φ = B . S . cos α
Spire oblique par rapport aux lignes de champ
7.2 Flux propre d’une bobine
Chasue spire de la bobine parcourue par le courant crée son propre flux. Le flux total produit par
l’ensemble des spires est donc : φt
=B.S.N
8) Une bobine parcourue par un courant électrique
Un inductance est constitué d’une bobine montée sur un circuit magnétique.
Approchons l’ensemble d’un récipient contenant des clous. Il ne se passe rien. (Fig1)
Lorsque la bobine est traversée par un courant électrique (interrupteur K fermé), les clous sont
attirés. (Fig2)
A l’ouverture de l’interrupteur, les clous retombent dans le récipient.
Bobine
Circuit
magnétique
Circuit
magnétique
Bobine
Clous dans
un récipient
La bobine est traversée par un courant.
Les clous sont attirés. (Fig 2)
Pas de courant.
Rien ne se passe. (Fig 1)
Bobine de laboratoire
9) Influence du champ sur un conducteur parcouru par un
courant.
Un conducteur parcouru par un courant électrique d’intensité i peut se déplacer librement sur
deux rails conducteurs qui les supportent.
Alimentons en courant continu une bobine magnétisant le circuit magnétique qui entoure le
conducteur et les rails.
Dès la fermeture de l’interrupteur K, le champ magnétique est crée et le conducteur se déplace
spontanément.
Lorsque K est fermé, une force F déplace le conducteur vers la droite
Un conducteur parcouru par un courant électrique et placé dans un champ magnétique est
c’est la force électromagnétique (ou
Force de Laplace)
soumis a une force qui tend à le déplacer :
10) Force électromagnétique et loi de Laplace.
L’expérience précédente nous a montré l’existence de la force électromagnétique (ou force de
Laplace).
Loi de Laplace : le module de la force électromagnétique est proportionnel à :
l’intensité B du champ magnétique.
L’intensité I du courant électrique dans le conducteur ;
La longueur du conducteur soumis au champ
F = B.I.L
B en Tesla (T)
I en Ampère (A)
L en mètre (m)
F en Newton (N)
Sens de la force F : sa direction est perpendiculaire au plan formé par B et I et sons sens
est déterminé par la règle de la main droite
Majeur (Magnétisme)
B (Tesla)
Intensité (Index)
I (Ampère)
I
Conducteur
B
Force (Force)
F (Newton)
F
Règle de la main droite
Nota : Si le conducteur est parallèle a la direction du champ B, la force est nulle.
En réalité F=B.I.L.sinα, avec α l’angle formé par les directions I et B.
11) Mise en évidence du phénomène d’induction
Bobine
N
S
V
On approche ou on éloigne l’aimant de la bobine le
plus rapidement possible . On constate qu’une tension
apparaît aux bornes de la bobine, lors des
déplacements de l’aimant. C’est le phénomène
d’induction. Cette tension s’appelle f.e.m. induite.
C’est la variation du flux causé par le déplacement
de l’aimant qui est à l’origine de f.e.m induite .
12) Mise en évidence du courant induit
Bobine
N
S
Le milliampèremètre décèle l’apparition d’un
courant appelé courant induit (ou courant de
Foucault), lors du déplacement de l’aimant.
C’est la f.e.m. d’induction qui est à l’origine de
ce courant induit.
mA
13) Phénomène d’auto-induction
D’une façon générale, toute variation de flux magnétique à travers un circuit crée dans celui –ci
un force électromotrice d’induction. Le sens du courant ainsi produit est tel que les forces
électromagnétiques qui en résultent tendent par leurs effets à s’opposer à la variation de flux
(loi de Lenz). Une force électromotrice d’auto-induction apparaît aux bornes d’une bobine
parcourue par un courant d’intensité variable. Elle tend à s’opposer à ces variations d’intensité.
(c’est
la loi de Lenz). Cette fém peut s’exprimer ainsi :
∆I
E=L
∆t
Par ses effets,
∆I est la variation d’intensité (en A)
∆t est la durée de cette variation (en s)
L est l’inductance de la bobine (en H)
E est la fém moyenne développée (en V)
le courant induit s’oppose à la cause qui lui donne naissance.
Explication concrète
Exemple (Fig 7) : Le courant va provoquer un
champ de sens tel qu’il va s’opposer à la sortie
de l’aimant.
5) Vecteur champ magnétique symbolisé par
Les propriétés magnétiques en un point de l’espace magnétisé
sont définies par un vecteur champ : B
Il existe un champ magnétique autour des fils électriques
transportant du courant.
L’unité du champ magnétique est le Tesla, symbolisé par T.
Exemples :
Champ magnétique terrestre : 20µT
Moteur électrique : inférieur à 2T
Fig 7
B