Introduction

Fête de la science
28/03/2014
Florian LANGLOIS
Martin JAOUEN
Introduction
Lorsqu’on lâche une bille non magnétisée dans un tube de cuivre, cette
bille descend le long du tube sans aucune résistance comme elle le ferait
si on la jetait dans le vide.
Lorsqu’on lance dans ce même tube une bille aimantée, on observe que
celle-ci descend plus difficilement et lentement comme si une force
invisible voulait empêcher sa descente.
Problématique : Comment se fait-il, alors que le cuivre n’est pas un
matériau ferromagnétique, que la bille soit ralentie dans sa descente ?
Quelques mots de vocabulaire
Ferromagnétique : Un matériau est ferromagnétique lorsqu’il possède la
propriété de devenir magnétique, c’est-à-dire de s’aimanter lorsqu’il est placé
dans un champ magnétique. Un aimant est constitué d’un matériau
ferromagnétique.
Champ : espace dans lequel règnent des forces.
Qu’est-ce qu’un aimant ?
Un aimant est un matériau développant naturellement un champ magnétique et
capable d'attirer du fer, du nickel, du cobalt, du chrome.
Il possède un pôle Nord et un pôle Sud. Les pôles de même nature se
repoussent, ceux de natures différentes s'attirent. Le pôle Nord d’un aimant est
conventionnellement représenté en rouge.
Un aimant possède un champ magnétique représenté par un vecteur B allant
du pôle Sud vers le pôle Nord à l’intérieur d’un aimant droit.
Si on verse de la limaille de fer sur une plaque de verre recouvrant un
amant droit, on voit se dessiner les lignes de champ de l’aimant
Courant induit dans un circuit électrique
Lorsqu’on approche un aimant d’une
bobine
connectée
sur
un
galvanomètre G, on détecte un
courant électrique induit créé dans la
bobine .
Le sens de ce courant (I) dépend de
la façon dont on déplace l’aimant :
-si on approche le pôle nord suivant
l’axe, le courant est dans le sens
représenté sur la figure : il génère luimême un champ magnétique b induit
qui tend à s’opposer au champ
magnétique B.
-si on recule le pôle nord , I s’inverse
-si on approche le pôle sud , cela a le même effet que si on recule le pôle
nord.
Dans tous ces cas, on vérifie que I crée un champ b qui s’oppose à la
variation du champ magnétique que tend à provoquer le déplacement de
l’aimant , au sein de la bobine .
Pourquoi a-t-on choisi le tube en cuivre ?
Le tube a été choisi en cuivre car la force qui retient l’aimant est une force
électromagnétique qui s’applique seulement sur un matériau conducteur
comme le cuivre (car un courant doit circuler dans le tube d’où l’utilisation
d’un conducteur). De plus, comme expliqué précédemment, celui-ci n’est
pas aimanté. Donc le freinage de l'aimant dans le tube n'est en aucun
cas dû à une quelconque attraction magnétique entre l'aimant et le tube en
lui-même.
L’aimant est le seul objet qui génère un champ magnétique permanent.
Le courant de Foucault est le courant électrique induit créé dans une section
du tube de cuivre traversée par l’aimant.
L’aimant en chute possède un champ magnétique primaire (lignes de champ
rouges). Le déplacement de l’aimant dans le tube va générer un courant
électrique induit (courant qui par ses effets va s’opposer à la cause qui lui a
donné naissance) appelé courant de Foucault. Ensuite, comme dans la diapo
numéro 6, ce courant induit crée un champ magnétique secondaire qui, par ses
effets, va s’opposer à la chute de l’aimant.
Pour connaitre le sens du champ magnétique secondaire développé dans le
tube, on enroule les doigts de la main droite dans le sens du courant. La
direction du pouce donne alors le sens du champ magnétique b induit.
Explications
Sur le schéma de gauche, les lignes noires
sont les lignes de champ de l’aimant et les
lignes rouges représentent les courants de
Foucault circulant dans deux sections du tube
de cuivre (en aval et en amont de l’aimant).
Le vecteur v est le vecteur vitesse de l’aimant
en chute verticale dans le tube en cuivre.
A droite, on a schématisé les deux « aimants
invisibles » qui représentent les champs
magnétiques secondaires générés par les
courants de Foucault.
Les vecteurs force f indiquent l’effet de ces
champs magnétiques secondaires sur l’aimant.
Ces forces s’opposent à la chute de
l’aimant mais leur intensité est insuffisante
pour s’opposer entièrement au poids de
l’aimant, ce qui explique que celui-ci chute
quand même.
Lorsque la force de freinage compense le
poids de l’aimant, tout se passe comme s’il
n’était soumis à aucune force, n’accélère
plus et poursuit son mouvement en ligne
droite à vitesse constante.
Conclusion
La bille est ralentie dans sa descente à cause des deux aimants
invisibles créés grâce à l’interaction entre un solide magnétique et un
tube constitué de matériau conducteur, ici l’aimant et le tube en cuivre.
Ces aimants invisibles s’opposent à la descente de l’aimant et le font
donc ralentir dans sa chute.