TP16 Les champsLes champs

Objectifs de la séance :

- Décrire un champ et ses propriétés ;- Cartographier un champ magnétique.

Fig. 1 : Carte isobarique du samedi 31 mars 2012 (Météosuisse)

La météorologie scientifique débute à la fin du XVIIIe

siècle, quand les français Jean-Charles DE BORDA (1733 – 1799) et Antoine DE LAVOISIER (1743 – 1794) observent simultanément l’évolution de la pression en divers points de la France. Aujourd’hui encore, pour analyser une situation météorologique, le champ de pression demeure un élément fondamental.

De nombreux autres champs sont également utilisés en météorologie et servent de support aux informations destinées au grand public : carte de champ de température ou carte de champ de vitesse du vent par exemple.

Comment obtient-on ces cartes ?

Vocabulaire et conventions :

1.1. Caractéristiques de quelques champsCaractéristiques de quelques champs 1.1.1.1. Champ magnétique créé par un courantChamp magnétique créé par un courant (expérience professeur)

Dans son mémoire publié en 1820, le Danois Christian Oersted (1777 – 1851), professeur de physique à Copenhague, fait part d’une découverte surprenante : les courants électriques modifient l’orientation d’aiguilles aimantées placées à leur proximité.

Un champ en physique peut être définit de deux manière différents :

Lorsque la grandeur étudiée est scalaire (température, pression,…), on parle de champ scalaire ; Lorsque la grandeur étudiée est vectorielle (vecteur vitesse, …), on parle de champ vectoriel.

Champ scalaire Champ vectoriel(ou champ de vecteurs)

Un champ est dit uniforme si ses caractéristiques (direction, sens et intensité) restent constantes : elles ne dépendent pas du point de l’espace considéré ;Une ligne de champ est une ligne tangente au vecteur champ, en chacun de ses points. Elle est orientée par une flèche dans le même sens que celui du champ.

BM

S

N

N

S

Protocole expérimental :

Une boussole ou une aiguille aimantée placée sous un fil traversé par un courant continu est déviée. On peut changer le sens du courant et l’aiguille s’oriente différemment.

Q1.Q1. Décrire ce que vous observez.Q2.Q2. Comment évolue le champ magnétique lorsque le courant change de sens ?Q3.Q3. Comment évolue le champ magnétique le long du fil ?

1.2.1.2. Champ magnétique créé par un aimantChamp magnétique créé par un aimant

Aimant en U

Certains matériaux, nommés « pierres d’aimant » par les Grecs, attirent le fer. Cette propriété a été remarquée dès l’Antiquité. Elle fut exploitée dans les boussoles bien plus tard par les Chinois.

Protocole expérimental :

Placez un aimant en U au centre de la feuille donnée en annexe : « Spectre d’un aimant en U » ; Placez une plaque pour spectre magnétique sur ou sous l’aimant en U ; Représenter sur le papier, par des lignes (lignes de champ), les directions des petites aimants autour de l’aimant en U. Orientez ces lignes par une flèche indiquant le pôle nord des aiguilles. Pour vous aider, vous pouvez placer une aiguille aimantée (montée sur un pivot fin) en différents endroits autour de l’aimant et observez son orientation (direction et sens).

Q4.Q4. L’orientation de l’aiguille aimantée dépend-elle du point où elle se trouve ? Q5.Q5. Quelle particularité présente le champ magnétique créé par l’aimant en U ?Q6.Q6. Le champ magnétique est un champ vectoriel. Justifiez cette affirmation.

1.3.1.3. Champ magnétique créé par un solénoïdeChamp magnétique créé par un solénoïde (expérience professeur)

Questions

Questions

Un solénoïde (ci-contre) est un dispositif constitué d'un fil électrique enroulé régulièrement en spirales de façon à former une bobine longue.

Une aiguille aimantée mobile autour d’un axe fixe (ci-dessous) placée dans un champ magnétique subit l’action de ce champ magnétique et prend une direction particulière ainsi qu’un sens particulier :

En un point M (dessin de droite), le vecteur champ magnétique a pour caractéristiques :

- direction : la droite sud-nord de l’aiguille aimantée ;- sens : du sud (S) vers le nord (N).

Q7.Q7. La bobine (solénoïde) parcourue par un courant crée-t-elle un champ magnétique ? Justifiez votre réponse.Q8.Q8. Comment varie la valeur du champ à l’intérieur du solénoïde ? Comment le qualifie-t-on ?Q9.Q9. Quelle différence présente le champ créé par le solénoïde avec celui créé par un fil ?

1.4.1.4. Champ magnétique terrestreChamp magnétique terrestre

Protocole expérimental :

Placez une aiguille aimantée (montée sur un pivot fin) loin de toutes autres sources de champ. Elle n’est sensible qu’au champ magnétique terrestre. Regardez-la attentivement. Elle semble « piquer » vers le sol.

Q10.Q10. D’après-vous, pourquoi l’aiguille aimantée s’oriente légèrement vers le bas ?Q11.Q11. Représentez sur un schéma de la Terre, le champ magnétique terrestre (vous pouvez vous aider d’internet).Q12.Q12. Recherchez la valeur du champ magnétique terrestre.

2.2. Cartographie d’un champCartographie d’un champ (magnétique)

Pour déterminer complètement les caractéristiques du champ magnétique, il ne reste plus qu’à en connaître la valeur. Pour effectuer cette mesure, nous allons utiliser la console mobile Labquest sur laquelle on branche une sonde à effet Hall : l’ensemble forme alors un teslamètre.

Protocole expérimental :

Faire le zéro sur le capteur de la console Labquest (suivre les consignes du professeur) ;

Cartographie du champ magnétique créé par un aimant droit :

Mesurez différentes valeurs du champ magnétique en différents points autour de l’aimant ;

Pour chaque mesure, notez sa valeur sur la feuille de papier A4 en un point situé à la verticale de la sonde.

Sans toucher au montage, placez ensuite une aiguille aimantée en chacun des points et représentez sur la feuille

le champ magnétique (flèche indiquant la direction, le sens et la valeur (avec une échelle adaptée)).

Q13.Q13. Quelle précaution faut-il prendre lors de la mesure du champ ?Q14.Q14. Que signifie cartographier un champ ?

3.3. ConclusionConclusion

Conclure sur la séance en définissant la notion de champ, en indiquant quelques source possibles de champs (précisez le type du champ produit) et en répondant à la question du début de l’activité (en réutilisant des termes de vocabulaire définis pendant l’activité).

Questions

Questions

Questions

Spectre d’un aimant en U

Cartographie d’un champ magnétique

N S

S

N

TTABLEAUABLEAU DESDES COMPÉTENCESCOMPÉTENCES MISESMISES ENEN ŒUVREŒUVRE DANSDANS LL’’ACTIVITÉACTIVITÉ

COMPÉTENCES Exemples de capacités et d’aptitudes

MOBILISER SESCONNAISSANCES

Connaître les notions scientifiques du programme, le vocabulaire approprié, les symboles adaptés, les unités.

S’APPROPRIER Rechercher, extraire et organiser l’information utile.

Adopter une attitude critique vis-à-vis de l’information.

Questionner, identifier, formuler un problème.

Reformuler.

Identifier les risques.

RÉALISER

Réaliser un montage à partir d’un schéma.

Suivre un protocole donné.

Utiliser, dans un contexte donné, le matériel à disposition.

Savoir choisir, combiner et réaliser plusieurs actions.

Effectuer un relevé de mesures.

Schématiser, construire un graphique, un tableau, etc.

Exploiter une relation, un calcul littéral.

Effectuer un calcul numérique, utiliser les symboles et les unités appropriés, utiliser la calculatrice.

Reconnaître et utiliser la proportionnalité.

Respecter les règles de sécurité, manipuler avec soin, veiller au rangement du plan de travail, etc.

ANALYSER

Émettre une hypothèse.

Identifier les paramètres qui influencent un phénomène, choisir les grandeurs à mesurer.

Élaborer ou justifier un protocole.

Proposer une méthode, un calcul, un outil adapté ; faire des essais (choisir, adapter une méthode, un protocole).

Proposer, décrire un modèle ; utiliser un modèle pour prévoir, décrire et expliquer.

Percevoir la différence entre un modèle et la réalité, entre la réalité et une simulation.

VALIDER

Estimer l’incertitude d’une mesure, faire un traitement statistique d’une série de mesures, etc.

Interpréter des résultats, juger de la qualité d’une mesure, etc.

Confronter le résultat au résultat attendu, mettre en relation, déduire.

Valider ou invalider une information, une hypothèse, etc.

COMMUNIQUER À L’AIDE DE LANGAGES OU D'OUTILS SCIENTIFIQUES

Communiquer des résultats, rédiger une solution.

Exprimer un résultat (grandeur ─ unité ─ chiffres significatifs).

Rendre compte à l’écrit ou à l’oral en utilisant un vocabulaire adapté.

ÊTRE AUTONOME, FAIRE PREUVE D’INITIATIVE

S’impliquer.

Prendre des initiatives, anticiper, faire preuve de créativité.

Travailler en autonomie.

Travailler en équipe.

CCORRECTIONORRECTION

1.1.1.1. Champ magnétique créé par un courantChamp magnétique créé par un courant (expérience professeur)

Réponses aux questions :

Q1.Q1. La boussole s’oriente dans une direction particulière, quand le fil est parcouru par un courant, ce qui implique l’existence d’un champ magnétique créé par le fil électrifié.Q2.Q2. Le sens du champ magnétique change avec le sens du courant électrique (la boussole tourne dans le sens inverse).

Q3.Q3. Le champ magnétique garde les mêmes caractéristiques tout le long du fil, si on se place toujours à la même distance.

Un courant électrique, d'intensité I, parcourantun fil crée un champ magnétique B autour de celui-ci.

1.2.1.2. Champ magnétique créé par un aimantChamp magnétique créé par un aimant

Réponses aux questions :

Q4.Q4. L’orientation de l’aiguille aimantée dépend du point où elle se trouve.

Mise en évidence des lignes de champ magnétique par des brindilles d'acier ou de la limaille de fer.

Q5.Q5. Entre les branches de l’aimant en U, les lignes de champ sont rectilignes et parallèles. Le champ magnétique y est donc uniforme :

Q6.Q6. Le champ magnétique est un champ vectoriel car on peut définir en chaque point de l’espace où règne ce champ, un vecteur champ magnétique avec une direction, un sens et une valeur (intensité).

1.3.1.3. Champ magnétique créé par un solénoïdeChamp magnétique créé par un solénoïde (expérience professeur)

Réponses aux questions :

Q7.Q7. Le fait que l’aiguille aimantée prenne une orientation particulière au voisinage de la bobine (solénoïde) lorsqu’elle est parcourue par un courant, implique l’existence d’un champ magnétique créé par la bobine.Q8.Q8. À l’intérieur du solénoïde, les lignes de champ sont des droites parallèles. Le champ magnétique est donc uniforme à l’intérieur du solénoïde.Q9.Q9. Le champ magnétique n’est uniforme qu’à l’intérieur de l’enroulement alors qu’il est uniforme tout le long d’un fil si l’on se place à la même distance de ce fil.

1.4.1.4. Champ magnétique terrestreChamp magnétique terrestre

Réponses aux questions :

Q10.Q10. Les lignes de champ, selon l’endroit sur Terre où l’on se trouve, ne sont pas parfaitement horizontales. Ainsi, on peut décomposer le vecteur champ magnétique terrestre en une composante horizontale et une composante verticale (dirigée vers le centre de la Terre). Aux pôles magnétiques, la composante horizontale a une valeur nulle.

- La direction de l’horizontale de l’aiguille aimantée et le pôle nord géographique fait un angle appelé « déclinaison » et notée D. À Paris, sa valeur est actuellement voisine de D = 0° mais elle varie au cours du temps ;

- La direction de l’aiguille aimantée fait un angle avec l’horizontale appelé « inclinaison » et notée I. à Paris, sa valeur est I = 64°.

Q11.Q11. Représentation du champ magnétique terrestre :

L'axe géomagnétique, passant par les deux pôles magnétiques de la Terre, fait un angle de 11,5° par rapport à l'axe de rotation de la Terre.Une mesure d'avril 2007 par le projet "PolyArtique" situa le pôle Nord magnétique à une latitude de 83.95°N et une longitude de 121.02°O. Soit étant situé à 673 km du pôle Nord géographique et ayant une vitesse moyenne de déplacement de 55km/an (soit une moyenne d'environ 150m/jour ou 6m/h). À l'été 2010, il a été estimé qu'il n'était plus qu'à 550 km du pôle Nord géographique. En outre la position du pôle magnétique varie au cours de la journée, se déplaçant ainsi de plusieurs dizaines de km autour de sa position moyenne.Le pôle Nord magnétique terrestre est en fait un pôle de magnétisme « sud ». Il s'agit d'une pure convention, due au choix d’appeler « nord » la pointe de l'aiguille de la boussole qui pointe approximativement le pôle Nord géographique.

Source : Wikipedia.org

Q12.Q12. Valeur du champ magnétique terrestre :

La valeur moyenne du champ magnétique terrestre est d'environ 5 10-5 T. Sa direction et son intensité ne sont pas constantes. De plus, il n'est pas identique en tout point du globe.

2.2. Cartographie d’un champCartographie d’un champ (magnétique)

Réponses aux questions :

Q13.Q13. Il ne faut pas de source de champ magnétique à proximité qui pourrait perturber l’observation et les mesures.Q14.Q14. Cartographier un champ consiste à représenter ce champ en différents points de l’espace.

3.3. ConclusionConclusion

Un champ est la représentation d’un ensemble de valeurs prises par une grandeur physique en différents points d’une région de l’espace.

A vous de faire la suite…

Fiche TP n°18Fiche TP n°18Déroulement de la séance :

Champ magnétique créé par un aimantChamp magnétique créé par un aimant

Présenter aux élèves une boussole.A quoi sert-elle ? Dans quelles circonstances s’en sert-on ?

Réponses possibles : pour s’orienter sur une carte, pour connaître le nord magnétique terrestre.

Demander à chaque binôme de décrire la direction et le sens de leur aiguille aimantée ou boussole.

On s’aperçoit que toutes les aiguilles aimantées adoptent la même orientation et le même sens (parler des pôles nord et sud).

Pourquoi les aiguilles des boussoles s’orientent-elles toutes dans le même sens ?

Réponses possibles : les élèves peuvent dire que la Terre est un aimant, qu’il y a un gros aimant à proximité de leur boussole.

Conclusion : Tout se passe comme s’il existait un aimant au centre de la Terre qui orienterait les boussoles.

Distribuer une feuille A4 comportant le contour de l’aimant droit.

Sur la photo ci-contre, l’aimant est posé sur un support pour que l’aiguille soit à même hauteur.

Il vaudrait mieux utiliser de petites aiguilles basses proches de la table ou sur support étroit : Jeulin ou Pierron en propose en lots de 6, pour que le tracé de l’orientation de l’aiguille aimanté soit facilité

Travail des élèves : à l’aide de limaille de fer (qui se comporte comme une aiguille aimantée) et d’un cristallisoir ou bien de plaquettes comportant plusieurs petits aimants, visualiser la direction de l’axe des aimants ou de la limaille.Représenter sur un papier, par des lignes, les directions des aimants ou de la limaille autour de l’aimant droit.Orienter ces lignes par une flèche indiquant le pôle nord des aiguilles.

Discussion : L’espace autour de l’aimant possède des propriétés magnétiques qui orientent des aiguilles aimantées : celles-ci ne peuvent pas prendre n’importe quelle position. Dans cet espace il règne un champ magnétique dont la direction et le sens sont donnés par l’aiguille aimantée.

Conclusion : cet ensemble de lignes constitue la cartographie du champ magnétique de l’aimant.

Remarque : La loi du magnétisme est telle que les pôles opposés s'attirent. Par choix de convention historique, le pôle Nord d'un aimant est celui qui pointe le Nord de la Terre. En conséquence, le pôle magnétique de la Terre à proximité du Pôle Nord géographique (à l'époque de l'homme moderne) est un pôle sud au sens du magnétisme. Ce pôle est toutefois nommé « pôle Nord magnétique » parce que c'est plus intuitif pour un pôle qui donne approximativement le Nord géographique.

Q8.Q8. Pour mettre en évidence l’existence d’un champ électrostatique en un point, il faut placer une charge électrique en ce point et observer la force qu’elle subit.

COMPLEMENTCOMPLEMENTLa magnétite est une espèce minérale composée d'oxyde de fer (II, III), ferrimagnétique, de formule Fe3O4

À une température de 580 °C (point de Curie), le magnétisme disparait pour réapparaitre ensuite en refroidissant. Ce minéral est un conducteur électrique.

Sources de l’activitéSources de l’activité

Activité n°2 p219 (BELIN 1ère S)Activité n°3 p220 (BELIN 1ère S)Activité n°4 p221 (BELIN 1ère S)Activité n°1 p218 (BORDAS 1ère S, Collection E.S.P.A.C.E Lycée)Activité n°2 p219 (BORDAS 1ère S, Collection E.S.P.A.C.E Lycée)Activité n°1 p232 (BORDAS 1ère S, Collection E.S.P.A.C.E Lycée)Activité n°4 p206 (HACHETTE 1ère S, Collection Dulaurans Durupthy)Activité n°2 p255 (NATHAN 1ère S, Collection SIRIUS)

Sitographie :

http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=3259