Thème 5   : Electromagnétisme

Chapitre 1   : le champ magnétique

Le champ magnétique crée par un aimant1. Les aimants   :

a. Force magnétique :Les matériaux attirés par l’aimant sont dit magnétiquesLes aimants exercent une force attractive à distance sur les matériaux magnétiques : c’est la force magnétique

b. Aimants naturels :Il s’agit d’aimants constitués d’un oxyde de fer, de formule chimique Fe3O4, magnétite. Matière qui peut-être aimantée : matière qui contient du fer

c. Aimants artificiels :Aimants fabriqués pour la plupart en aciers spéciaux

Formes   : aiguille aimantée, aimant droit, aimant en U, aimant de forme cylindrique, …Les matériaux magnétiques sont aussi ceux qui sont susceptibles de devenir aimantés et donc d’exercer à leur tour des forces magnétiques.

Pour aimanter de façon durable un morceau d’acier :- Le placer à proximité de l’extrémité d’un aimant (dans un champ

magnétique)- Le frotter plusieurs fois dans le même sens contre un autre aimant

d. Les pôles de l’aimant :Par convention, on appelle pôle nord de l’aiguille son extrémité pointant vers le nord géographique et pôle sud sur l’autre extrémité.

Deux pôles de même nom de repoussent, deux pôles de noms contraires s’attirent.

Il est impossible d’isoler un pôle d’aimant (de séparer les pôles d’un aimant)

2. Le concept de champ magnétique   : a. Définition  du vecteur champ magnétique:

Le vecteur champ magnétique …… en un point est définit comme suit :- Direction : celle prise à l’équilibre par la grande diagonale de l’aiguille

aimantée placée au point considéré ; c’est aussi la direction de la tangente à la ligne de champ en ce point

- Sens : sens SUD-NORD de cette aiguille. En convenant d’orienter les lignes de champs dans le même sens que …, on constate que ces

lignes se dirigent du pôle nord de l’aimant vers son pôle sud (à l’extérieur de celui-ci). Autrement dit, les lignes sortent du pôle nord de l’aimant.

- Grandeur : dépend de l’aimant utilisé et de la position du point par rapport à l’aiment. L’unité SI : le tesla (T).

Là où le champ est plus intense (proximité des pôles), une aiguille aimantée reprend sa position d’équilibre après des oscillations de courte durée.Si la grandeur du champ est plus faible, les oscillations de l’aiguille sont plus lentes.

Un objet contenant du fer ou une autre matière qui peut-être attirée, n’est attiré que lorsqu’il se trouve dans le champ magnétique de l’aimant.

b. Champ magnétique uniforme :Entre les 2 branches d’un aimant en U, les lignes de champ sont parallèles entre elles et perpendiculaires aux bras de l’aimant. Cette zone est une région de champ magnétique uniforme : les vecteurs …… y sont partout identiques. Les lignes de champs sortent du pôle nord de l’aimant pour se diriger vers le pôle sud.

Le champ magnétique crée par un courant (électro-aimant)

3. Champ magnétique au voisinage d’un conducteur rectiligne.a. Propriété :

Tout courant électrique génère autour de lui un champ magnétique.L’intensité du champ magnétique en un point est d’autant plus grande

que :- Le courant est intense- Le point est proche du fil

4. Champ magnétique au voisinage d’une spire.

a. Observations :

- Près du fil il y a des lignes concentriques (comme pour le fil rectiligne)

- En dessous de la spire, il y a des lignes +/- rectilignes

Remarque : Si on place une aiguille aimantée dans le champ magnétique de la spire, celle-ci s’oriente de manière tangente aux lignes de limailles de fer et nous indique le sens du champ magnétique.

b. Caractéristique du champ magnétique :

Sens : règle du pouce droite Intensité : plus le diamètre de la spire est petit plus l’intensité est

grande.

5. Champ magnétique au voisinage d’un solénoïde.

Solénoïde : il est constitué d’un fil conducteur qui a été enroulé en hélice sur un cylindre de grande longueur pas rapport à son diamètre. Il est constitué d’un ensemble de spire. (= une bobine)

a. Quand on fait passer du courant dans un solénoïde, cela crée un champ magnétique.

- Les aiguilles aimantées s’orientent de manière tangente aux lignes de limailles de fer.

- Il y a 2 spectres magnétiques : un intérieur et un extérieur.Le spectre extérieur est semblable à celui d’un aimant droit qui occuperait la même place que le solénoïdeLe spectre intérieur est celui d’un champ magnétique uniforme. (Lignes de champ parallèle à l’axe du solénoïde)

C’est comme si il y avait un aimant au milieu de la bobine.Remarque : Si nous inversons le sens du courant, les aiguilles aimantées s’orientent en sens inverse.

b. Le sens du champ : donné selon la règle de la main droite. Le pouce indique le N. Le sens du champ magnétique va toujours du N vers le S.Remarque : On symbolise le champ magnétique par un B et le sens par une flèche au-dessus du B.

c. L’intensité du champ magnétique généré par un solénoïde dépend :

- L’intensité du courant (I) : si on augmente l’intensité, les aiguilles se stabilisent plus rapidement. UNITE : ampère A

- Le nombre de spires (N) : les aiguilles se stabilisent d’autant plus rapidement que le nombre de spires est élevé. PAS D’UNITE

- La longueur du solénoïde (l) : les aiguilles vont se stabiliser beaucoup plus rapidement que la longueur du solénoïde est petite. UNITE : mètres m

- Le milieu à l’intérieur du solénoïde : les aiguilles se stabilisent plus rapidement si on introduit un morceau de fer à l’intérieur du solénoïde

Formule : (unité =T)

Remarque : Le coefficient de proportionnalité dépend du milieu remplissant l’intérieur. Il augmente si matériau : fer, nickel, cobalt,… Il s’appelle perméabilité magnétique du milieu. UNITE : T.m/A

6. L’électroaimant

a. Constitution d’un électroaimant.

Si on met un tube de fer dans un solénoïde, le champ magnétique va être amplifié. On crée un électroaimant. Celui-ci est temporaire dont l’aimantation disparaît avec le courant.

L’électroaimant est comparable à un solénoïde, si ce n’est que son champ magnétique a une plus grande intensité.

1. La sonnette électriqueLorsqu’on ferme le circuit, l’électroaimant devient « efficace », il y a création de champ magnétique et il attire la pièce magnétique. La petite lamelle en plastique va donc se déplacer avec au bout, le marteau, sur le timbre. On entendra DING DONG. A ce moment-là, le circuit électrique devient ouvert et le courant ne sait plus passer. Il n’y a donc plus de champ magnétique. La pièce magnétique va revenir à sa place, ce qui rend de nouveau le circuit fermé, et donc, le même schéma recommence.

2. Les disjoncteurs (dans les installations électriques. Ils protègent le circuit électrique dans les maisons).C’est le même principe que pour la sonnette.Tant que l’intensité du courant électrique n’est pas trop élevée, la lamelle reste en contact avec la vis. Par contre, si l’intensité du courant devient trop élevée, l’intensité du champ magnétique augmente également. La lamelle est attirée de manière beaucoup plus importante vers l’électroaimant et elle quitte le contacteur, ce qui provoque une ouverture du circuit.Une intervention manuelle est nécessaire pour enclencher à nouveau le circuit. En effet, un dispositif empêche la lamelle de revenir automatiquement vers la vis et le circuit reste donc coupé.

3. Le relais (ascenseur, CD-Rom, vitre voiture,…)Le but du relais est de contrôler l’ouverture ou la fermeture d’un circuit électrique à l’aide d’un circuit indépendant du premier. Tant que le circuit 1 est ouvert, la lame mobile est écartée de la vis et le circuit 2 est ouvert. En poussant sur le bouton poussoir, un courant s’installe dans le circuit 1. L’objet magnétique va se déplacer vers l’électroaimant, ce qui provoque le contact entre la lame et la vis. Le circuit 2 est alors fermé et le moteur est mis en route.

Chapitre 2   : les courants induits

Loi de Faraday : Pour qu’il y ait un courant induit dans un circuit, il faut qu’il y ait :

- Soit modification de l’orientation du champ magnétique par rapport au circuit- Soit modification de la grandeur du champ magnétique lorsqu’il traverse la surface des

spires d’une bobine- Soit modification de la surface S traversée par les lignes de champ magnétique

Pour qu’il y ait un courant induit dans un circuit, il faut qu’il y ait une variation de flux magnétique… à travers le circuit.

Ce courant induit n’apparait que pendant l’intervalle de temps …… pendant lequel a lieu la variation de flux magnétique.