Physique5g1h electromagnétisme v1.0

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    03-Apr-2016
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Cours destiné aux élèves de Benoît Pochet

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  • P 1 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

    PHYSIQUE 5G1h

    ELECTROMAGNETISME Dcouverte dune nouvelle force, la force lectromagntique

    Comment fonctionne une boussole, une ligne haute tension, un transformateur, une dynamo, un

    moteur, un haut-parleur, une guitare lectrique ?

    Comment produire du courant lectrique dans un alternateur ?

    Pourquoi utilise-t-on des transformateurs ?

    1. Le champ magntique

    2. La force lectromagntique

    3. Les courants induits

  • P 2 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

    1. Le champ magntique

    Les aimants a. Force magntique

    Exprience

    Laimant est source dun champ magntique. La terre gnre galement un champ magntique (ple nord et ple sud). Les applications de ce phnomne physique sont nombreuses : La sonnette lectrique ,le disjoncteur ,le haut-parleur,

    Approchons un aimant de diffrents objets quotidiens : du bois, du verre, des pices de monnaie, des cls, des clous, etc

    Observations : Nous constatons que laimant attire certains objets

    Ces matriaux ainsi attirs par laimant sont dits magntiques. Les aimants exercent une force attractive distance sur les matriaux magntiques : il sagit de la force magntique

    Exemple du haut-parleur :

    Exprience

    Envoyons des impulsions lectriques dans l haut-parleur (de la musique) Le phnomne peut tre accentu en plaant de leau sur la membrane.

    Observations : Nous constatons la membrane se met vibrer et se dplace suivant le rythme de la musique et donc des impulsions lectrique.

    Comment lnergie lectrique est-elle transforme en nergie mcanique ?

  • P 3 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

    b. Les aimants naturels ou artificiels ?

    Bien quil existe dans la nature une pierre naturelle ayant la proprit dun aimant, nous utilisons

    actuellement des aimants artificiels fabriqus base dacier spciaux.

    Il existe diffrentes formes daimants :

    - Aimant droit - Aimant en U - Aiguille aimante (boussoles) - Aimant cylindrique

    Pour aimanter un morceau dacier, on le frotte plusieurs fois dans le mme sens contre un autre aimant.

    c. Les ples des aimants

    Exprience

    Essayons de ramasser de la limaille de fer laide dun aimant

    Observations : Nous constatons que lattraction se manifeste principalement au voisinage des extrmits

    Les extrmits de laimant sont appeles les ples de laimant

    En observant une boussole, nous observons quelle se stabilise toujours dans la mme direction du sud vers le nord gographique.

    On appelle ple nord de laiguille son extrmit pointant vers le nord gographique et ple sud lautre extrmit.

  • P 4 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

    En approchant un ple nord dun aimant du ple nord de laiguille aimante de la boussole, on constate quil se repousse. A linverse, en approchant un ple sud dun ple nord de laiguille aimante, ils sattirent.

    Deux ples de mme nom se repoussent, deux ples de noms contraires sattirent

    Lorsque lon brise en aimant droit en deux morceaux, les deux ples subsistent sur chacun des morceaux. Il est impossible disoler un ple daimant

    Le concept de champ magntique a. Champ magntique cre par un aimant droit

    Exprience

    Plaons un aimant droit sur une plaque de verre sur laquelle nous saupoudrons de la limaille de fer. Tapotons lgrement sur la plaque.

    Observations avec schma:

    Ces courbes sappellent les lignes de champ magntique et lensemble de ces lignes constituent le spectre magntique de laimant. En plaant une boussole en diffrents points de la plaque, elle se stabilise dans une direction

    tangente la ligne du champ passant par le point.

    En retournant laimant de faon inverser les ples, laiguille effectue une rotation de 180.

    b. Vecteur champ magntique

    Le vecteur champ magntique B en un point est dfini comme suit :

    - Direction : celle prise lquilibre par laiguille aimante place au point considr. Cest la direction de la tangent la ligne de champ en ce point.

    - Sens : sens sud-nord de cette aiguille. Les lignes sortent du ple nord de laimant.

    - Grandeur : dpend de laimant utilis et de la position du point par rapport laimant. Lunit est le tesla (T) (Nicolas Tesla, physicien amricain dorigine Serbe).

  • P 5 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

    c. Champ magntique uniforme

    Exprience

    Visualisons le spectre magntique dun aimant en U.

    Observations: Entre les 2 branches, les lignes de champ sont parallles entre elles et perpenticulaires aux bras de laimant.

    Cette zone est une rgion de champ magntique uniforme. Les vecteurs B y sont partout identiques.

    Remarque : Reprsentation des champs magntiques dont la direction est perpendiculaire la

    feuille.

    2. Le champ magntique terrestre

  • P 6 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

    3. Le champ magntique cr par un courant

    Champ magntique au voisinage dun solnode

    Exprience

    Un solnode est constitu dun fil conducteur qui est enroul en hlice sur un cylindre de grande longueur par rapport son diamtre. On appelle ce systme une bobine, chaque boucle porte le nom de spire. Faisons passer dans la bobine un courant de plusieurs ampres et observons. Inversons ensuite le sens du courant.

    Observations: Les aiguilles aimantes se stabilisent dans des directions privilgies, les limailles de fer se placent selon des lignes permettant de distinguer un spectre magntique intrieur et un spectre extrieur. Le spectre extrieur est semblable celui dun aimant droit. Dans sa partie centrale, le spectre intrieur est celui dun champ magntique uniforme. Si nous inversonsle sens du courant, les aiguilles aimantes sorientent en sens enverse.

    Le champ magntique B en un point de la rgion intrieure au solnode a pour direction celle de laxe du solnode. Son sens sinverse si on inverse le sens du courant La grandeur du B augmente avec lintensit I du courant. Elle augmente galement lorsque le nombre de spires par unit de longueur du cylindre augmente.

  • P 7 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

    Comme le champ gnr est semblable celui donn par un aimant droit, il est dusage dattribuer un ple nord et un ple sud une telle bobine parcourue par un courant. Le champ magntique sort toujours de la bobine par sa face nord.

    Comment retrouver le sens du champ :

    Rgle de la main droite : la main est place sur une spire de faon telle que les doigts indiquent le sens conventionnel du courant et que la paume soit tourne vers lintrieur du solnode. Le pouce cart donne le sens des lignes de champs lintrieur du solnode.

    Electroaimant

    Exprience

    Introduisons un noyau de fer lintrieur du solnode parcouru par un courant. Approchons de la limaille de fer des extrmits du noyau de fer.

    Observations: Les oscillations des aiguilles aimantes places proximit indiquent une forte augmentation du champ. La limaille sagglomre comme sil sagissait de ples daimants. En ouvrant le circuit lectrique, la limaille retombe.

    Lensemble solnode-noyau de fer constitue un lectro-aimant. Le noyau de fer amplifie la grandeur du champ magntique cre proximit. Cest un aimant temporaire dont laimantation disparait avec le courant.

  • P 8 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

    Utilisations pratiques a. Electroaimant porteur

    La masse des objets soulevs par des lectroaimants industriels peut atteindre plusieurs tonnes.

    b. La sonnette lectrique

    Schma et explications :

    c. Les disjoncteurs

    Le rle des disjoncteurs est dinterrompre immdiatement le courant en cas de surintensit dans le circuit. Le principe de fonctionnement est quasiment identique celui de la sonnerie lectrique. Tant que lintensit du courant lectrique nest pas trop leve, la lamelle reste en contact. Si lintensit du courant devient trop leve, llectroaimant attire la lamelle qui quitte le contacteur ce qui ouvre le circuit.

  • P 9 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

    2. La force lectromagntique

    Lorsquun aimant est proche dun conducteur parcouru par un courant, il existe une force d'interaction agissant sur l'un et l'autre. Cette force est appele force lectromagntique. Celle-ci est la base du moteur lectrique et du hautparleur.

    Mise en vidence de la force lectromagntique

    Exprience

    Constituons un circuit comportant: - un gnrateur de tension continue; - des fils de connexion ; - un lment en forme de balanoire comportant une tige horizontale en aluminium (mtal lger et non magntique) . Plaons cette tige dans un champ magntique uniforme vertical cr par exemple par un aimant en U.

    Fig 2.1

    Observations: L'lment de la tige est ainsi soumis un champ magntique qui lui est perpendiculaire (fig. 2.1 et 2.2). Faisons passer un courant d'intensit l :la balanoire se dplace, une force F lui est donc applique (fig. 2.3 et 2.4).

    Fig 2.3 et Fig 2.4

    Une portion de circuit parcourue par un courant, place dans un champ magntique, est soumise une force lectromagntique dite force de Laplace , du nom de Pierre-Simon de LAPLACE, physicien et mathmaticien franais (1749-1827).

  • P 10 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

    Caractristiques de la force lectromagntique a. Champ magntique perpendiculaire au conducteur

    Cherchons les caractristiques de la force lectromagntique en considrant d'abord le cas particulier o le champ magntique est de direction perpendiculaire au conducteur. a) Point d'application: c'est le milieu 0 du conducteur soumis au champ uniforme (fig. 2.1). b) Direction: dans l'exprience prcdente, la barre en aluminium tend se dplacer horizontalement; la direction de F est perpendiculaire au plan dfini par le conducteur et par le champ. c