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17. Magnétisme Physique passerelle Page 1 sur 8
17 Magnétisme Physique passerelle
hiver 2016
1. Magnétisme naturel
Les Grecs de l'Antiquité découvrent une pierre noire qui peut attirer le fer. C’est la magnétite ������� :
Les aimants naturels présentent toujours un pôle Nord (rouge) et un pôle Sud (bleu ou vert) inséparables :
Convention pour dessiner les lignes de champ :
Les lignes de champ magnétique vont du Nord au Sud.
Règle d’attraction/répulsion entre aimants :
Les pôles différents s’attirent ; les pôles identiques se repoussent.
La Terre est elle-même un aimant avec des pôles magnétiques distincts des pôles géographiques :
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2. Magnétisme induit
Au 19e siècle, Ørsted montre qu’un champ magnétique peut être induit par un courant électrique :
Plus exactement :
• un courant électrique rectiligne induit un champ magnétique circulaire
• un courant électrique circulaire induit un champ magnétique rectiligne
On peut ainsi construire un électro-aimant en multipliant les spires parcourues par le courant électrique :
Le champ magnétique induit vaut :
� � ⋅ ⋅ �ℓ (page 150)
• � est le champ magnétique induit en teslas [T]
• � 4� ⋅ 10�� ��⋅�� � est la perméabilité magnétique du vide
• est le nombre de spires de l’électro-aimant
• � est le courant électrique en ampères [A]
• ℓ est la longueur de l’électro-aimant en mètres [m]
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3. Force de Laplace
Un fil rectiligne parcouru par un courant électrique et placé perpendiculairement à un champ magnétique
subit une force de Laplace :
Cette force dépend de l’intensité du courant et de celle du champ magnétique :
�� � ⋅ ��� � ��� (page 150)
• � est la force de Laplace en newtons [N]
• � est le courant électrique en ampères [A]
• � est la longueur de fil soumise au champ magnétique en mètres [m]
• � est le champ magnétique en teslas [T]
La règle de la main droite nous donne la direction et le sens de la force de Laplace :
La force de Laplace explique que deux fils parallèles parcourus par des courants identiques s’attirent :
La force de Laplace meut un moteur homopolaire constitué d’une pile, d’un fil et d’un aimant :
��
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4. Exercices
Exercice 1
Vrai ou faux ? Vrai Faux
a) Le champ magnétique ��� ne peut être produit que par un aimant.
b) Il est possible d’isoler les pôles Nord et Sud d’un aimant permanent.
c) Le champ magnétique ��� est toujours produit par une charge en mouvement.
d) Le champ magnétique ��� est canalisé dans les conducteurs en cuivre d’un électroaimant.
e) On calcule la valeur du champ magnétique ��� grâce à la règle de la main droite.
Exercice 2
Une tige conductrice est suspendue dans l'entrefer d'un aimant. La tige est parallèle à l'axe � , l'entrefer
de l'aimant est parallèle au plan � ; "�, comme le montre l’illustration ci-dessous. Dans quelle direction la
force de Laplace sera-t-elle orientée ?
� Vers le haut selon l'axe z
� Vers le bas selon l'axe z
� Vers la gauche selon l'axe x
� Vers la droite selon l'axe x
� Il n’y a pas de force de Laplace
Exercice 3
Un fil rectiligne où circule un courant est plongé dans un champ magnétique uniforme. Si le fil ne subit
aucune force, alors :
� c’est normal car c’est toujours le cas.
� le fil doit être perpendiculaire à B.
� c’est une situation impossible.
� le fil doit être parallèle à B.
Exercice 4
Un fil conducteur rectiligne est parcouru par un courant �. Le champ magnétique ��� créé par ce courant est
correctement représenté par le dessin :
� A
� B
� C
� D
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Exercice 5
Enroulez 200 tours d’un fil isolé autour d’une tige de fer et branchez-le aux bornes d’une pile de 1,5 volts
avec un interrupteur. Alors vous obtenez :
� un poste radio
� un électroaimant
� un ampèremètre
� un voltmètre
Exercice 6
Deux conducteurs parallèles sont parcourus par des courants de même intensité et de même sens. Les
forces que les conducteurs exercent l'un sur l'autre sont correctement représentées par :
� A
� B
� C
� D
Exercice 7
À proximité du sol le champ magnétique terrestre peut être considéré comme un vecteur parallèle au sol,
de direction nord-sud, pointant vers le nord. Un fil métallique est placé parallèlement au sol dans la
direction est-ouest. Le courant le traversant se déplace de l’est vers l’ouest. Le fil subit alors :
� une force verticale vers le centre de la terre
� une force horizontale vers le nord
� une force verticale vers le ciel
� aucune force
Exercice 8
Un tramway prend le courant par une seule perche tandis que les autobus électriques le prennent par deux
perches. Quelle est la raison de cette différence ?
� La perche supplémentaire du bus accroît la fiabilité.
� Le courant de retour du tramway passe par les rails.
� Le bus utilise du courant continu, mais pas le tramway.
� Le bus exige une intensité plus élevée que le tramway.
Exercice 9
Un courant électrique constant, qui parcourt un conducteur rectiligne, fait pivoter l’aiguille aimantée d’une
boussole :
� toujours
� jamais
� si l’aiguille et le conducteur sont parallèles
� si l’aiguille et le conducteur sont perpendiculaires
Exercice 10
La seule grandeur vectorielle dans la liste ci-dessous est :
� la masse
� l’accélération de la pesanteur
� le travail
� la puissance
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Exercice 11
La seule grandeur vectorielle parmi les propositions suivantes est :
� L’intensité du courant
� L’énergie cinétique
� Le travail
� L’accélération
Exercice 12
La seule grandeur scalaire est :
� l’accélération
� la pesanteur
� la tension
� le déplacement
Exercice 13
a) Nommez les pôles des aimants suivants :
b) Dessinez les lignes de champ entre les aimants :
c) Dessinez les lignes de champ de la « configuration de Halbach » ci-dessous et montrez que le champ
magnétique est beaucoup plus intense en-dessous du dispositif qu’en-dessus :
N S N
S N S
N S N
S N S
Exercice 14
Le 21 mai 2012, un étudiant de 20 ans présente sur M6 une invention
révolutionnaire : le « moteur magnétique », qui tourne à l’infini en ne
consommant ni essence ni électricité.
a) Expliquez le principe de fonctionnement de ce moteur.
b) Un tel moteur serait-il difficile à construire ?
c) Comment expliquer que ce moteur n’ait pas été commercialisé ?
d) Pourquoi la chaîne M6 a-t-elle retiré la vidéo de YouTube ?
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Exercice 15
L’électro-aimant cylindrique ci-contre a un rayon
# 75 cm et peut soulever une masse & 200 kg.
La formule suivante établit la relation entre le champ
magnétique � de l’électro-aimant, en teslas [T], et la
masse & qu’il peut soulever, en kilogrammes [kg] :
& ⋅ ( �) ⋅ *2�
Où la constante ( 9,81 [N/kg] et la constante
� 4� ⋅ 10�� [T · m/A].
a) Inversez la formule encadrée pour exprimer � en fonction des autres paramètres.
b) Quelle formule permet de calculer la surface * de l’électro-aimant si on ne connaît que son rayon # ?
c) Calculez la valeur du champ magnétique � généré par l’électro-aimant. Rép. : 52,82 mT
Exercice 16
Le professeur Foldingue construit une bobine de hauteur . 10 cm et de diamètre / 2 cm avec du fil
de cuivre de diamètre 0 1 mm. On suppose que les spires sont des cercles empilés qui se touchent.
a) Combien de spires compte la bobine du professeur Foldingue ? Rép. : 100
b) Quelle longueur de fil de cuivre est nécessaire pour construire une telle bobine ? Rép. : 6,28 m
c) Donnez le sens et l’intensité du champ magnétique B induit si un courant électrique de 1 A parcourt le
fil de gauche à droite. Rép. : vers la droite ; 1,26 mT
Exercice 17
Théodule fabrique un trapèze métallique avec des filaments de
résistance nulle et une barre en cuivre de longueur � 10 cm et de
diamètre / 4 mm. Le trapèze est placé dans un aimant permanent
qui délivre un champ magnétique uniforme d’intensité � 0,2 T. Les
filaments sont reliés à une pile de 4,5 V possédant une résistance
interne de 1,5 Ω, comme indiqué sur le schéma ci-contre :
a) Que vaut la résistance de la barre de cuivre ? Rép. : 1,34 μΩ
b) Que vaut l’intensité du courant lorsque l’interrupteur est enclenché ? Rép. : 3 A
c) Donnez le sens et l’intensité de la force de Laplace qui agit sur la barre de cuivre lorsque l’interrupteur
est enclenché. Rép. : vers la droite ; 0,06 N
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