17 Magnétisme
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17 Physique passerelle Magnétisme hiver 2016 1. Magnétisme naturel Les Grecs de l'Antiquité découvrent une pierre noire qui peut attirer le fer. C’est la magnétite : Les aimants naturels présentent toujours un pôle Nord (rouge) et un pôle Sud (bleu ou vert) inséparables : Convention pour dessiner les lignes de champ : Les lignes de champ magnétique vont du Nord au Sud. Règle d’attraction/répulsion entre aimants : Les pôles différents s’attirent ; les pôles identiques se repoussent. La Terre est elle-même un aimant avec des pôles magnétiques distincts des pôles géographiques : 17. Magnétisme Physique passerelle Page 1 sur 8 2. Magnétisme induit Au 19e siècle, Ørsted montre qu’un champ magnétique peut être induit par un courant électrique : Plus exactement : • un courant électrique rectiligne induit un champ magnétique circulaire • un courant électrique circulaire induit un champ magnétique rectiligne On peut ainsi construire un électro-aimant en multipliant les spires parcourues par le courant électrique : Le champ magnétique induit vaut : ⋅ • est le champ magnétique induit en teslas [T] • 4 ⋅ 10 • est le nombre de spires de l’électro-aimant • • 17. Magnétisme ⋅ ℓ ⋅ est (page 150) la perméabilité magnétique du vide est le courant électrique en ampères [A] ℓ est la longueur de l’électro-aimant en mètres [m] Physique passerelle Page 2 sur 8 3. Force de Laplace Un fil rectiligne parcouru par un courant électrique et placé perpendiculairement à un champ magnétique subit une force de Laplace : Cette force dépend de l’intensité du courant et de celle du champ magnétique : ⋅ • • • • (page 150) est la force de Laplace en newtons [N] est le courant électrique en ampères [A] est la longueur de fil soumise au champ magnétique en mètres [m] est le champ magnétique en teslas [T] La règle de la main droite nous donne la direction et le sens de la force de Laplace : La force de Laplace explique que deux fils parallèles parcourus par des courants identiques s’attirent : La force de Laplace meut un moteur homopolaire constitué d’une pile, d’un fil et d’un aimant : 17. Magnétisme Physique passerelle Page 3 sur 8 4. Exercices Exercice 1 Vrai ou faux ? Vrai Faux ne peut être produit que par un aimant. a) Le champ magnétique b) Il est possible d’isoler les pôles Nord et Sud d’un aimant permanent. est toujours produit par une charge en mouvement. c) Le champ magnétique est canalisé dans les conducteurs en cuivre d’un électroaimant. d) Le champ magnétique grâce à la règle de la main droite. e) On calcule la valeur du champ magnétique Exercice 2 Une tige conductrice est suspendue dans l'entrefer d'un aimant. La tige est parallèle à l'axe , l'entrefer de l'aimant est parallèle au plan ; ", comme le montre l’illustration ci-dessous. Dans quelle direction la force de Laplace sera-t-elle orientée ? Vers le haut selon l'axe z Vers le bas selon l'axe z Vers la gauche selon l'axe x Vers la droite selon l'axe x Il n’y a pas de force de Laplace Exercice 3 Un fil rectiligne où circule un courant est plongé dans un champ magnétique uniforme. Si le fil ne subit aucune force, alors : c’est normal car c’est toujours le cas. le fil doit être perpendiculaire à B. c’est une situation impossible. le fil doit être parallèle à B. Exercice 4 créé par ce courant est Un fil conducteur rectiligne est parcouru par un courant . Le champ magnétique correctement représenté par le dessin : A B C D 17. Magnétisme Physique passerelle Page 4 sur 8 Exercice 5 Enroulez 200 tours d’un fil isolé autour d’une tige de fer et branchez-le aux bornes d’une pile de 1,5 volts avec un interrupteur. Alors vous obtenez : un poste radio un électroaimant un ampèremètre un voltmètre Exercice 6 Deux conducteurs parallèles sont parcourus par des courants de même intensité et de même sens. Les forces que les conducteurs exercent l'un sur l'autre sont correctement représentées par : A B C D Exercice 7 À proximité du sol le champ magnétique terrestre peut être considéré comme un vecteur parallèle au sol, de direction nord-sud, pointant vers le nord. Un fil métallique est placé parallèlement au sol dans la direction est-ouest. Le courant le traversant se déplace de l’est vers l’ouest. Le fil subit alors : une force verticale vers le centre de la terre une force horizontale vers le nord une force verticale vers le ciel aucune force Exercice 8 Un tramway prend le courant par une seule perche tandis que les autobus électriques le prennent par deux perches. Quelle est la raison de cette différence ? La perche supplémentaire du bus accroît la fiabilité. Le courant de retour du tramway passe par les rails. Le bus utilise du courant continu, mais pas le tramway. Le bus exige une intensité plus élevée que le tramway. Exercice 9 Un courant électrique constant, qui parcourt un conducteur rectiligne, fait pivoter l’aiguille aimantée d’une boussole : toujours jamais si l’aiguille et le conducteur sont parallèles si l’aiguille et le conducteur sont perpendiculaires Exercice 10 La seule grandeur vectorielle dans la liste ci-dessous est : la masse l’accélération de la pesanteur le travail la puissance 17. Magnétisme Physique passerelle Page 5 sur 8 Exercice 11 La seule grandeur vectorielle parmi les propositions suivantes est : L’intensité du courant L’énergie cinétique Le travail L’accélération Exercice 12 La seule grandeur scalaire est : l’accélération la pesanteur la tension le déplacement Exercice 13 a) Nommez les pôles des aimants suivants : b) Dessinez les lignes de champ entre les aimants : c) Dessinez les lignes de champ de la « configuration de Halbach » ci-dessous et montrez que le champ magnétique est beaucoup plus intense en-dessous du dispositif qu’en-dessus : N S S N S N N S N S S N Exercice 14 Le 21 mai 2012, un étudiant de 20 ans présente sur M6 une invention révolutionnaire : le « moteur magnétique », qui tourne à l’infini en ne consommant ni essence ni électricité. a) b) c) d) 17. Magnétisme Expliquez le principe de fonctionnement de ce moteur. Un tel moteur serait-il difficile à construire ? Comment expliquer que ce moteur n’ait pas été commercialisé ? Pourquoi la chaîne M6 a-t-elle retiré la vidéo de YouTube ? Physique passerelle Page 6 sur 8 Exercice 15 L’électro-aimant cylindrique ci-contre a un rayon # 75 cm et peut soulever une masse & 200 kg. La formule suivante établit la relation entre le champ magnétique de l’électro-aimant, en teslas [T], et la masse & qu’il peut soulever, en kilogrammes [kg] : &⋅( ) ⋅ * 2 Où la constante ( 9,81 [N/kg] et la constante 4 ⋅ 10 [T · m/A]. a) Inversez la formule encadrée pour exprimer en fonction des autres paramètres. b) Quelle formule permet de calculer la surface * de l’électro-aimant si on ne connaît que son rayon # ? c) Calculez la valeur du champ magnétique généré par l’électro-aimant. Rép. : 52,82 mT Exercice 16 Le professeur Foldingue construit une bobine de hauteur . 10 cm et de diamètre / 2 cm avec du fil de cuivre de diamètre 0 1 mm. On suppose que les spires sont des cercles empilés qui se touchent. a) Combien de spires compte la bobine du professeur Foldingue ? Rép. : 100 b) Quelle longueur de fil de cuivre est nécessaire pour construire une telle bobine ? Rép. : 6,28 m c) Donnez le sens et l’intensité du champ magnétique B induit si un courant électrique de 1 A parcourt le fil de gauche à droite. Rép. : vers la droite ; 1,26 mT Exercice 17 Théodule fabrique un trapèze métallique avec des filaments de résistance nulle et une barre en cuivre de longueur 10 cm et de diamètre / 4 mm. Le trapèze est placé dans un aimant permanent qui délivre un champ magnétique uniforme d’intensité 0,2 T. Les filaments sont reliés à une pile de 4,5 V possédant une résistance interne de 1,5 Ω, comme indiqué sur le schéma ci-contre : a) Que vaut la résistance de la barre de cuivre ? Rép. : 1,34 μΩ b) Que vaut l’intensité du courant lorsque l’interrupteur est enclenché ? Rép. : 3 A c) Donnez le sens et l’intensité de la force de Laplace qui agit sur la barre de cuivre lorsque l’interrupteur est enclenché. Rép. : vers la droite ; 0,06 N 17. Magnétisme Physique passerelle Page 7 sur 8 17. Magnétisme Physique passerelle Page 8 sur 8
