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LES AIMANTS « Je t’aime... moi non plus »

Cette fiche propose un certain nombre d’exercices et d’activités pratiques de niveaux variés sur le magnétisme. C’est l’occasion de ressortir des tiroirs le matériel du chapitre du magnétisme d’Explor CYT (ancienne brochure d’enseignement des sciences du canton de Vaud). Même si le magnétisme n’est pas un thème développé en tant que tel dans le PER, il peut être un joli sujet pour mener un projet pour les OCOM. C’est également un bon support pour permettre aux élèves d’analyser un phénomène naturel, de mener une démarche expérimentale pour le découvrir et de prendre connaissance de ses applications technologiques.

A noter que la fiche « LES MOTEURS » donne une jolie application des électroaimants et permet de construire, en une période, un petit moteur électrique avec très peu de matériel. Dans ce document, vous trouverez aussi une activité interdisciplinaire que l’on peut aborder dans le cadre des OCOM pour construire un alternateur et produire ainsi du courant.

Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse

Rédaction : Marie-Noëlle Kaempf

Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro – Centre d’impression EPFL

Suivi de projet : Yolande Berga

Notions abordéesPhysique :

• Magnétisme

• Electroaimant et aimant permanent

• Courant et tension électriques

• Equilibre des forces

Sciences :

• Champ magnétique et migration

Objectifs d’apprentissage du PER MSN 36 - 35. Analyser des phénomènes natu-rels et des technologies à l’aide de démarches caractéristiques des sciences expérimentales :

• en acquérant les connaissances nécessaires en physique et en chimie.

• en utilisant un modèle pour expliquer et/ou prévoir le fonctionnement d’un objet tech-nique.

• en choisissant et en utilisant des instruments d’observation et de mesure.

• en organisant des prises de mesures et en formalisant les résultats d’une expérience.

MEP 33 - 31, MSN 35. Modéliser des situations, poser et résoudre des problèmes mobilisant des notions, des concepts, des raisonnements propres à la physique.Mécanique :

• Décomposition des forces et détermination des intensités

• Reconnaissance et prévision de la notion d’équilibre

Disciplines et options concernéesSciences : 10e et 11e

OCOM - Sciences * : 10e et 11e

OS MEP * : 11e

Les exercices 4 à 6 sont réservés aux élèves qui suivent l’OS MEP.

Durée de l’activitéIntroduction aux notions théoriques nécessaires et exercices : 4 périodes

Activité pratique : 3 périodes

On peut sélectionner l’une ou l’autre des activi-tés proposées ou certains des thèmes abordés pour investir moins de temps. On peut égale-ment suivre les différents prolongements pro-posés et en faire un projet d’une beaucoup plus grande ampleur.

* Disciplines spécifiques à la scolarité vaudoise OCOM : options de compétences orientées métiers OS MEP : option spécifique mathématiques et physique

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LE MAGNÉTISME TERRESTRE

Dans un premier temps, on aborde le magnétisme par son application concrète la plus courante : la boussole. Si les élèves n’en ont jamais manipulé, ils ont l’opportunité de le faire. Comme on le constate sur la figure 1 de la fiche élève, le pôle sud magnétique (appelé abusivement pôle Nord) de la Terre est très proche de son pôle Nord géographique.

Un article sur l’histoire et l’actualité de la recherche des pôles magnétiques :http://www.nationalgeographic.fr/actualite/antarctique-la-traque-du-pole-sud-magnetique-continue/7913930/

National Geographic, Antarctique : La traque du Pôle Sud magnétique continue, Marie Dias-Alves

Comme ces pôles sont générés par le noyau ferreux liquide de la Terre en constant mouvement, les pôles magnétiques peuvent se déplacer de 40 km par an, voire s’inverser sur des périodes beaucoup plus lon-gues : http://fr.wikipedia.org/wiki/Inversion_du_champ_magnetique_terrestre Wikipédia, Inversion du champ magnétique terrestre

Fais en sorte que deux clous s’attirent

Les élèves aimantent des clous sous l’influence du champ de l’aimant naturel. Ils consta-teront le caractère éphémère de l’aimantation du fer ou d’autres métaux. Faire disparaître l’aimantation peut être une prolongation de l’activité. Les frottements ou les chocs accélèrent ce processus. On peut aussi tester l’intensité de l’aimantation du clou selon la proximité ou le temps passé près de l’aimant.

Prolongement : mesurer la force de différents aimants en soulevant des charges plus ou moins lourdes.

Pour observer des lignes de champ autour d’un aimant, on peut saupoudrer de limaille de fer un barreau aimanté. On place un transparent ou une plaque de plexiglas sur l’aimant avant le saupoudrage pour pouvoir récupérer faci-lement la limaille.

Autre construction de boussole avec une construction géométrique de la rose des vents : http://sciencejunior.fr/experiences/construire-une-boussole/ Science Junior, Expérience : construire une boussole, Aloïs, décembre 2010

LES AIMANTS PERMANENTS

Prolongement : construction d’une boussole à l’aide d’une attache parisienne aimantée montée sur une aiguille. On peut aussi mettre un aimant dans une barquette flottante sur l’eau, tout comme un bouchon équipé d’une aiguille aimantée.

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LA RÉVOLUTION : L’AIMANT « ARTIFICIEL » OU ÉLECTROAIMANT

Bricotest : Vérifie le lien entre le courant électrique et le champ magnétique

Quiz

Dessine la façon dont l’aiguille de la boussole se positionne. L’aiguille rouge indique le Nord.Dans cet exercice, on suppose que le courant électrique dans le fil est suffisamment important pour que le champ magnétique terrestre soit né-gligeable par rapport au champ créé par le courant. (cf. remarque sur le bricotest)Rappeler aux élèves de regarder si le fil est au-dessus ou au-dessous de la boussole.

A)

C)

B)

D)

Dans le cadre du montage, pour éviter une surchauffe du circuit, il vaut mieux mettre un élément résistif supplémentaire, comme une ampoule par exemple, en particu-lier si l’on travaille avec un générateur. C’est l’occasion de se référer à l’effet Joule si cette notion a été vue précédemment avec les élèves. Si l’on utilise une pile, on peut brièvement connecter un fil électrique d’une borne à l’autre, mais cela s’échauffe rapi-dement. Pour toutes ces manipulations, il faudra rappeler aux élèves de respecter les indications des appareils ou ampoules pour ne pas dépasser les normes indiquées.

Au travers de ces manipulations, l’élève va constater que, lorsque le courant circule, l’aiguille de la boussole est déviée. Le champ magnétique reste faible autour du fil avec un petit courant. Il convient donc d’installer le fil dans la direction nord-sud. C’est ainsi que l’on observera une déviation symétrique de l’aiguille lorsque l’on change le sens du courant.

Inciter les élèves à changer le sens du courant, à placer la bous-sole à côté, sur et sous le fil s’ils n’y pensent pas eux-mêmes.Avant ou après le quiz, il convient d’insister sur le sens du champ magnétique engendré par le courant qui circule dans le fil. On peut donner l’astuce suivante aux élèves : le pouce de la main droite est positionné le long du fil dans la direction du courant électrique. Les extrémités des autres doigts de la main indiquent la direction du champ magnétique circulaire qui est autour du fil.

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Qui parviendra à soulever le plus de ferraille avec son électroaimant ?

La lame permet de dénuder le fil électrique pour l’alimenter.Les vis, clous, crayon ou cure-dent peuvent être utilisés comme support pour faire le bobinage. L’utilisation d’une pièce ferromagnétique au cœur de l’électroaimant permettra d’augmenter le champ magnétique total généré.Plus le nombre de spires est grand, plus l’élec-troaimant est puissant.

Une petite vidéo du fonctionnement de l’électroaimant est en lien sur la page de cette fiche.

La figure 6 de la fiche élève permet de montrer comment s’additionnent les champs magnétiques gé-nérés par chaque spire (boucle) au cœur de la bobine. Ils s’annulent entre les spires. Dans la pratique, les bobinages sont serrés, comme sur la figure 7. Le champ au cœur de la bobine y est plus homogène. Lorsque la bobine est longue par rapport à son diamètre, on parle de solénoïde. En plus d’être embo-binées de manière compacte, les spires sont superposées en un grand nombre de couches. Un vieux chargeur de téléphone sans fil démonté fournira un bon exemple de ces bobinages.

Pour amplifier le champ d’un électroaimant, on peut placer dans la bobine un noyau en fer doux. Sous l’effet du champ magnétique de l’électroaimant, il va devenir lui aussi un aimant. Cet effet est dévelop-pé dans la partie « les aimants permanents » de la fiche élève. Ce sera intéressant de voir si les élèves mobilisent cette notion lorsqu’ils feront le défi de l’électroaimant qui suit.

Quiz

A l’aide de la règle de la main droite et par comparaison avec les illustrations du paragraphe « L’aimant artificiel ou électroaimant », les élèves sont capables d’indiquer le sens du courant et des lignes de champ.

S N N S

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VÉRIFIONS...

C) Dans ce TP, la fonction adaptée à la bobine qui n’est pas allongée est : . Comme nous allons vérifier expérimentalement que le champ magnétique est proportionnel au

nombre de spires de la bobine et à l’intensité du courant qui circule dans le fil, il n’est pas utile de donner deux formules aux élèves.

Pour pouvoir quantifier le champ, nous allons tenter de mesurer l’attraction d’un aimant par la bobine. Les mesures des parties D) et E) nécessitent de la patience. On peut demander aux élèves d’imaginer d’autres tests de la force de l’aimant : déplacer une boîte de conserve, soulever un petit objet, etc.

D) Pour 5 spires :

I [A] d [cm]

1 0,3

2 0,5

3 0,7

4 0,9

5 1,0

E) Pour 5 A :

N d [cm]

5 1,0

10 1,7

20 3,5

30 6,2

On calcule l’intensité B du champ magnétique à l’intérieur d’un solénoïde grâce à la relation suivante établie par Ampère :

B l’intensité du champ magnétique en teslas [T] N le nombre de spires de la bobine l la longueur de la bobine (solénoïde) en mètres [m] I l’intensité du courant en ampères [A] µ0 la perméabilité magnétique du vide : µ0 = 4π ∙ 10-7 [Tm/A]

Cette formule est valable pour une bobine dont la longueur est grande par rapport au diamètre de ses spires (solénoïde).

La fonction adaptée aux bobines courtes est : r le rayon de la bobine

B = µ0 ∙ I ∙ Nl

B = µ0 ∙ I ∙ N2r

B = µ0 ∙ I ∙ N2r

Il est difficile d’obtenir des mesures de qualité. Toutefois, cela permet d’établir clairement que l’intensité du champ magnétique augmente avec le courant et le nombre de spires.

Voici quelques mesures obtenues.

d

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ET TOUT CELA EN CHIFFRES...

Les élèves abordent le calcul de l’intensité du champ magnétique qui règne à l’intérieur d’un solénoïde comme une application numérique d’une valeur de fonction (Exercice 1) puis sont appelés à raisonner sur des situations proportionnelles ou inversement proportionnelles dans l’Exercice 2.Comme prolongement, on peut faire tracer aux élèves l’intensité du champ en fonction de la distance au fil. L’intensité du champ exprimée en teslas étant faible pour de petits courants, c’est aussi l’occa-sion d’utiliser la notation scientifique.

Exercice 1

B = = ≈ 0,031 T = 3,1 ∙ 10-2 Tµ0 ∙ I ∙ N 4π ∙ 10-7 ∙ 5 ∙ 500l 0,1

Exercice 3

On appréciera le caractère durable de l’aimant permanent pour la fixation du dessin sur le frigo, sans consommation d’énergie électrique.

Par contre, pour attirer la voiture ou les boîtes de conserve ou pour les libérer, on appréciera de pouvoir enclencher ou couper le courant de l’électroaimant.

Pour les moteurs électriques de Solar Impulse, on a besoin des deux types d’aimants. Cet exercice peut faire le lien avec la fiche « MAGNÉTISME + ÉLECTRICITÉ = MOTEUR ! ». Les électroaimants sont utilisés dans les haut-parleurs, écouteurs de mp3, etc. Un sujet à développer si le cœur vous en dit.

Exercice 2 L’intensité du champ est … Vrai Faux

• 3 fois plus importante si je triple le nombre de spires

• 3 fois plus grande si j’espace les spires pour que le bobinage mesure 15 cm

• 2 fois plus importante si j’utilise un courant de 4 A

• plus importante si les spires sont de diamètre inférieur

• identique si le courant est 2 fois moins grand et s’il y a 2 fois plus de spires

• identique s’il y a 2 fois plus de spires mais que la bobine a la même longueur

• identique s’il y a 2 fois plus de spires mais que la bobine est 2 fois plus longue

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POUR ALLER PLUS LOIN…

Ces trois exercices s’adressent à des élèves qui savent résoudre une équation et qui ont déjà vu l’ad-dition vectorielle dans le cadre du chapitre des forces en physique.

2,82 ∙ 10-6 = 4π ∙ 10-7 ∙ I ∙ 80

I ≈ 2,8 ∙ 10-2 A = 28 mA

47 ∙ 10-6 = 4π ∙ 10-7 ∙ I ∙ 800,06

BTerre =µ0 ∙ I ∙ N

l

BTerre = Bbobine

∙ 0,06

: (4π ∙ 10-7 ∙ 80)

47 ∙ 10-6 = 3,2π ∙ 10-7 ∙ N

N ≈ 47 spires

47 ∙ 10-6 = 4π ∙ 10-7 ∙ 0,08 ∙ N0,1

BTerre =µ0 ∙ I ∙ N

l

BTerre = Bbobine

: (3,2π ∙ 10-7)

Exercice 5

Peut-être faudra-t-il préciser aux élèves que l’axe de la bobine est l’axe de révolution du cylindre qu’elle forme.

Exercice 6Exercice 4

Si besoin est, on peut indiquer aux élèves qui au-raient de la difficulté à aborder le problème que le champ magnétique terrestre et celui de la bobine sont perpendiculaires l’un à l’autre et doivent être de même intensité puisque l’angle formé par l’ai-guille est de 45 °.

= tan 25° ∙ BTerreµ0 ∙ I ∙ N

l

tan 25° = Bbobine

BTerre

Bbobine = tan 25° ∙ BTerre

lµ0 ∙ N

I = tan 25° ∙ BTerre ∙

0,054π ∙ 10-7 ∙ 100

I = tan 25° ∙ 47 ∙ 10-6 ∙

≈ 0,0087 A = 8,7 mA

lµ0 ∙ N

∙