Physique 4

Le champ magnétique.

I <3 magnets

Objectifs

• Observer et expliquer des phénomènes magnétiques simples.

• Mettre en évidence le champ électromagnétique et le définir.

• Définir et étudier différents champs magnétique et être capable de calculer sa valeur à partir de grandeur électriques.

Livre : Tale - chapitre 6

Exercices : 3-4-5-7-10 + 9,11,12,13, 15,

PPT à retrouver sur le site dès dimanche.

1. Interaction magnétique Activité - mise en évidence

A l’aide du matériel à disposition, réalisez les

différentes expériences, notez vos observations et

répondez aux questions.

a. Les aimants

Saupoudrer de la limaille de fer sur une plaque de verre posée sur un aimant..

Les aimants ont la propriété d’attirer la limaille de fer.

C’est un phénomène connu depuis l’Antiquité.

Les aimants naturels sont issus d’un minerai de fer, la magnétite, et sont formés essentiellement d’oxyde

magnétique de fer Fe3O4

Les aimants naturels sont valables pour quelques éléments seulement : fer, cobalt, manganèse, les alliages de fer, cobalt et nickel et gadolinium (Gd) et dysprosium (Dy).

Les aimants artificiels sont des matériaux (comme l’acier : fer + carbone) qui frottés dans le même sens avec un

aimant acquièrent les propriétés d’un aimant.

L’attraction se manifeste dans des zones voisines des

extrémités : les pôles de l’aimant. L’un des pôles est le

pôle nord, l’autre est le pôle sud.

Il existe plusieurs types d’aimants : aimant droit ou

barreau aimanté, aimant en U et aiguilles aimantées.

Interactions entre aimants

Aiguille aimantée + boussole

Aiguille aimantée + aimant

Si des petites aiguilles aimantées sont éloignées de tout aimant, de tout courant électrique et de tout objet en fer, celles ci s’alignent et indiquent la même direction.

Quand on approche un aimant d’une aiguille aimantée mobile : on constate que l’aiguille aimantée dévie : son pôle nord est attiré lorsqu’on approche un pôle sud, et il est repoussé lorsqu’on approche un pôle nord.

Des interactions magnétiques se manifestent entre l’aiguille aimantée et le barreau aimanté.

Deux pôles de même nature se repoussent et deux pôles de nature différentes s’attirent.

Un aimant est à la fois source et détecteur de champ magnétique.

Le champ magnétique terrestre.

Le champ magnétique terrestre est engendré par les mouvements du noyau liquide terrestre, essentiellement constitué de fer en fusion.

Ce fluide conducteur possède un mouvement assuré par la convection thermique et par la rotation du globe ; il crée donc et entretient des courants électriques, à l’origine du champ magnétique Terrestre.

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.

Le pôle de magnétisme nord de l'« aimant terrestre » pointe vers le sud géographique.

L’axe du modèle de l’aimant droit (N/S magnétique)

est incliné d’environ 15° avec l’axe de rotation de la

Terre (N/S géo)

b. Aimants et courants.

L’expérience d’Oersted

L’aiguille aimantée change de direction quand un

courant circule dans le circuit

Si on inverse les connexions : l’aiguille dévie en sens

inverse

Des interactions magnétiques se manifestent entre un

fil parcouru par un courant électrique et l’aiguille

aimantée

Bobines et courants.

Une bobine plate (constituée d’un fil de cuivre

enroulée circulairement) est suspendue en un point .

On y fait passer un courant dans le sens 1 et on

approche le pôle nord d’un aimant.

Observations :

La bobine est repoussée par l’aimant : la face de la

bobine en regard de l’aimant est une face nord.

Quand on inverse le courant : la bobine est attirée par

le pole sud de l’aimant : c’est une face sud.

On peut déterminer les faces Nord et Sud d’une bobine de la manière suivante :

• si on peut dessiner un N avec des flèches qui sont dans le sens du courant, c’est une face nord

• si c’est un S que l’on peut dessiner, c’est une face sud

Les faces d’une bobine plate se comportent comme les pôles d’un

aimant.

Une face d’un circuit est repoussée par un pôle de même nom et attirée par

un pôle de nom contraire

Deux bobines plates sont suspendues l’une face à

l’autre. On fait passer un courant dans chaque

bobine et on constate que :

• si les deux faces en regard sont deux faces

identiques, elles se repoussent

• si les deux faces en regard sont des faces opposés,

elles s’attirent

Le courant électrique est à la fois source et détecteur de champ magnétique.

2. Le champ magnétique B

a. Définition et origine du champ.

Au voisinage d’un aimant, l’aiguille aimantée subit

une action magnétique ; on interprète ce fait en

disant que l’aimant crée, dans son voisinage un

champ magnétique.

De même, un circuit parcouru par un courant

électrique crée, dans son environnement un champ

magnétique.

Les expériences précédentes montrent qu’un courant

électrique est à la fois source et détecteur de champ

magnétique. Un courant électrique est crée par des

charges électriques en mouvement.

Les charges électriques en mouvement sont-elles à

l’origine des effets magnétiques?

Les charges électriques en mouvement subissent

l’effet du champ magnétique. (Lundi)

Le champ électrique n’agit que sur des charges

électriques en mouvement. (Lundi)

Toute charge électrique en mouvement crée un

champ électrique B.

Et dans les aimants ?

La matière est formée d’atomes. Un modèle simple consiste à dire qu’un atome contient des électrons en mouvement très rapide autour d’un noyau central.

Le déplacement de ces électrons est équivalent à un courant électrique. L’atome se comporte alors comme une petite bobine possédant une face sud et une face nord.

Dans un matériau non aimanté, les atomes sont orientés dans tous les sens : les effets s’annulent. Dans un aimant, il y a une orientation privilégiée des atomes qui génèrent des pôles Nord et Sud.

Le champ magnétique est crée par le mouvement de charges électriques et n’agit que sur des charges électriques en mouvement.

Le champ magnétique terrestre est du à des charges mouvantes résultantes des mouvements de convection dans le noyau terrestre.

b. Le vecteur champ magnétique

Comme pour le champ électrique, on décrit le champ

magnétique en un point par un vecteur B en ce point.

Pour décrire un champ magnétique en un point M de l’espace,

on utilise un vecteur champ magnétique B(M) dont les

caractéristiques sont les suivantes :

• son point d’application est M

• sa direction est celle qu’aurait une petite aiguille aimantée

placée au point M

• son sens va du pôle Sud au pôle Nord de l’aiguille aimantée

placée au point M

• sa valeur est exprimée en tesla (T)

Nikola Tesla, ingénieur croate (1857-1943) qui a effectué

de nombreux travaux sur les systèmes mécaniques utilisant

des champs magnétiques et qui a inventé le moteur tournant.

La valeur du champ magnétique se mesure à l’aide d’un

teslamètre.

Ordres de grandeur :

• champ magnétique terrestre : 10-5 T

• champ magnétique à proximité d’un aimant : 10-3 T à

10-1 T

• valeur maximale obtenue en laboratoire (électroaimant

– bobines supraconductrices) : environ 101 T

Si deux sources créent séparément, en un point de

l’espace M, des champs magnétiques B1(M) et

B2(M), le champ magnétique B(M) obtenu par

l’action simultanée des deux sources, appelé champ

magnétique résultant est :

𝐵(𝑀) = 𝐵1 𝑀 + 𝐵2(𝑀).

On fait l’addition vectorielle

Expérience : superposition de 2 champs à proximité

d’une aiguille aimantée.

3. Spectre magnétique et lignes de champs.

• A. Ligne de champ

• Les lignes de champ magnétique sont des courbes

illustrant l’allure du champ magnétique : en chaque

point M d’une ligne de champ magnétique, le vecteur

champ magnétique 𝑩(𝑴) est dirigé selon la tangente à

la ligne.

• Une ligne de champ magnétique est orientée dans le

sens du champ magnétique et se referme sur elle-

même.

• Un spectre magnétique est la représentation dans un

plan d’un ensemble de lignes de champ magnétique

On peut obtenir un spectre magnétique en

saupoudrant de limaille de fer une plaque de

plexiglas, les particules de fer vont s’aligner selon les

lignes de champs. (voir XP, animations…)

b. Champ uniforùme

Le champ magnétique est uniforme dans une région

de l’espace, si, en tout point de cette région, le

vecteur champ magnétique a les mêmes

caractéristiques (direction, sens et valeur).

Ex : le champ crée par un aimant en U. Les bobines

de Helmotz.

c. Champ magnétique créé par un courant continu Expérience :

Un fil parcouru par un courant électrique crée un champ magnétique dans son voisinage : c’est une source de champ magnétique

Dans le cas d’un fil rectiligne parcouru par un courant continu, les lignes de champ magnétique dans un plan perpendiculaire au fil sont des cercles concentriques centrés sur l’axe du fil.

La géométrie des lignes de champ reste la même quel que soit le sens du courant dans le fil. En revanche, l’orientation des lignes de champ (c’est-à-dire le sens du champ magnétique en un point de la ligne de champ) dépend du sens du courant électrique dans le fil.

Trois « règles » d’orientation permettent de relier le

sens du vecteur champ magnétique en un point M au

sens du courant dans le fil et réciproquement.

4. Valeurs du champ magnétique

crée par un courant. voir TP

La valeur du champ magnétique en un point M

dépend de l’intensité I du courant circulant dans le fil

et de la distance r par rapport au fil.

• Plus l’intensité du courant augmente, plus la valeur

du champ magnétique crée augmente.

• Plus la distance au fil diminue, plus la valeur du

champ magnétique diminue.

Le cas du solénoïde.

Un solénoïde est constitué par un enroulement en hélice de spires régulièrement réparties sur la surface latérale d’un support cylindrique dont la longueur est grande par rapport au rayon.

Un solénoïde est caractérisé par :

• sa longueur L qui représente la distance entre ses deux extrémités

• son diamètre D

• son nombre de spires N

Un solénoïde parcouru par un courant électrique est une source de champ magnétique.

A l’extérieur du solénoïde, les lignes de champ sont

semblables à celles d’un aimant droit.

A l’intérieur et loin des extrémités du solénoïde, le

champ magnétique est uniforme et sa direction est

celle de l’axe du solénoïde.

Le sens du vecteur champ magnétique dépend du

sens du courant.

Le spectre su solénoïde rappelant, à l’extérieur, celui

d’un aimant droit, on peut définir la face Nord et la

face Sud d’un solénoïde comme il existe le pôle Nord

et le pôle Sud d’un aimant.

Le champ magnétique et les lignes de champ

magnétique « sortent » par la face Nord et « rentrent »

par la face Sud du solénoïde.

A l’intérieur d’un solénoïde suffisamment long, loin des faces et en absence de milieu magnétique, la valeur du champ magnétique est :

𝑩 = 𝝁𝟎 ∙ 𝒏 ∙ 𝑰

avec B : valeur du champ magnétique en tesla (T)

n : nombre de spires par unité de longueur en m-1

I : intensité du courant en ampère (A)

μ0 est une constante appelée perméabilité du vide :

μ0 = 4π∙10-7 T∙m∙A-1

: la relation B = μ0∙n∙I est valable dans l’air car la perméabilité de l’air est identique à celle du vide.