1) Mise en évidence : I) Notion de champ magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE

Des petites aiguilles aimantées montées sur pivots sont disposées près d'un aimant droit. Chaque aiguille constitue un dipôle orienté.

S 5 F

a) Expérience :

On appellera pôle Nord la pointe de l’aiguille et pôle Sud l'empennage de l'aiguille.

Chaque aiguille s'oriente après quelques oscillations, et désigne au point M où elle se trouve, une direction (son axe longitudinal) et un sens (SN) privilégié. Nous dirons que les aiguilles mettent en évidence l'existence du champ magnétique créé par l'aimant en chaque point.

1) Mise en évidence : I) Notion de champ magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE

Nous dirons que le champ magnétique créé en un point M est un vecteur B qui a pour :

S 5 F

b) Caractéristiques du champ magnétique :

direction : l'axe longitudinal de l'aiguille aimantée, - sens : celui du dipôle SN, - mesure : B, exprimée en tesla (T). -

1) Mise en évidence : I) Notion de champ magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE

L'aiguille d'une boussole est placée près d'un aimant droit. Lorsque l'aiguille est écartée de sa position d'équilibre puis lâchée, elle oscille.

S 5 F

c) Mesure du champ magnétique :

La fréquence des oscillations augmente lorsqu'on rapproche l'aiguille de l'aimant. Les oscillations sont d'autant plus rapides que le champ est plus intense. L'expérience montre que la fréquence N est proportionnelle à B2. On pourrait en déduire un moyen de mesurer l'intensité du champ magnétique. Dans la pratique on utilise un "tesla mètre" équipé d'un capteur particulier qu'on appelle sonde à effet Hall :

2) Sources de champ magnétique : I) Notion de champ magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE

Les aimants sont des sources permanentes de champ magnétique. Ils sont constitués d'alliages à base de fer ou de certains oxydes de fer, de cobalt ou de nickel (ticonal : titane, cobalt, nickel, aluminium). La forme d’un aimant est liée à son utilisation.

S 5 F

a) Les aimants permanents :

L'action magnétique exercée par un aimant est plus importante au niveau de certaines régions appelées pôles de l'aimant.

Les pôles d'un aimant ne sont pas séparables : il n'existe pas de monopôle magnétique (contrairement aux charges électriques) : La plus petite entité magnétique est le dipôle magnétique (association d'un pôle Nord et d'un pôle Sud).

2) Sources de champ magnétique : I) Notion de champ magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE

Plaçons une aiguille aimantée au dessous d'un fil conducteur rectiligne de façon que cette aiguille soit parallèle au fil quand aucun courant ne circule.

S 5 F

b) Les courants électriques :

Lorsqu'un courant électrique circule dans le fil, l'aiguille tend à s'orienter perpendiculairement au conducteur. Un conducteur parcouru par un courant électrique crée un champ magnétique en son voisinage. Le sens du champ dépend du sens du courant. Règle du bonhomme d'Ampère : Un observateur, disposé le long du conducteur de façon que le courant électrique circule de ses pieds vers sa tête, et regardant vers un point M, voit en M le champ magnétique orienté vers sa gauche.

2) Sources de champ magnétique : I) Notion de champ magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE

Une bobine ou solénoïde parcourus par un courant est le siège d'un champ magnétique.

S 5 F

b) Les courants électriques :

Un électroaimant est une bobine à l'intérieur de laquelle on a introduit un "noyau de fer".

Remarque : Le champ magnétique créé par un électroaimant et plus intense que celui créé par le solénoïde seul.

2) Sources de champ magnétique : I) Notion de champ magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE

La Terre et pratiquement tous les astres actifs (dont le noyau est en fusion) sont source de champ magnétique.

S 5 F

c) La Terre :

Remarque : Les lignes de champ "sortent du pôle Nord magnétique terrestre qui constitue donc un pôle "sud" du point de vue du magnétisme !!

Le "vent solaire", qui est constitué de particules chargées éjectées à très grande vitesse par le Soleil, modifie la topographie du champ magnétique terrestre.

3) Unité et ordre de grandeur : I) Notion de champ magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F

Dans le système international (S.I.) l'unité légale fondamentale de mesure du champ magnétique est le tesla (symbole T).

La composante horizontale du champ magnétique terrestre, au niveau de Francfort, vaut environ BH ≈ 2.10-5 T.

-

Un aimant permanent produit un champ magnétique de qui peut être compris entre 0,01 T et 0,1 T.

-

Une bobine de 1000 spires, de 10 cm de longueur, parcourue par un courant de quelques ampères produit en son centre un champ magnétique de l’ordre de Bcentre ≈ 0,1 T.

-

Un électroaimant de même type que la bobine peut donner un champ de quelques teslas dans l'entrefer.

-

Remarque : Le champ produit par un électroaimant est limité par l'effet Joule. A très basse température (quelques K) certains métaux ou alliages deviennent supraconducteurs. Grâce à la supraconductivité on peut produire des champs magnétiques intenses (10 à 100 T).

1) Lignes de champ : II) Spectre magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F

Une ligne de champ est une courbe qui est tangente au vecteur champ magnétique en chacun de ses points. On l'oriente dans le sens du vecteur champ magnétique.

2) Spectre du champ magnétique : II) Spectre magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F

Le spectre magnétique est l'ensemble des lignes de champ magnétique dans l'espace. Le spectre magnétique d’un aimant peut être matérialisé dans un plan, par de la limaille de fer saupoudrée prés de l’aimant :

aimant droit aimant en U

2) Spectre du champ magnétique : II) Spectre magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F

On peut étudier le spectre du champ magnétique créé par une bobine parcourue par un courant : Remarque : Il existe une différence entre le spectre d'un

aimant droit et celui d'une bobine, au niveau de la continuité des lignes de champ (problème des monopôles magnétiques). Cette différence explique, dans la théorie, l’inexistence des pôles magnétiques.

3) Bobine, solénoïde et bobines de Helmholtz : II) Spectre magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F

Une bobine est un enroulement de fil conducteur. Chaque tour de fil est une spire. Si les spires sont jointives, on parle de solénoïde.

On considère un solénoïde de longueur L, formé de N spires de diamètre D, et parcouru par un courant d’intensité I.

a) Bobine et solénoïde :

A l'intérieur d'un solénoïde, le champ magnétique est uniforme et de même direction que l'axe de révolution du solénoïde. Remarque : Le sens du champ magnétique peut être déterminé par :

- la règle du bonhomme d’Ampère, - la règle des 3 doigts de la main droite, - La règle du sens trigonométrique.

Si le solénoïde est très long par rapport à son diamètre (L >> D), il pourra être assimilé à un solénoïde infiniment long. L’intensité B du champ magnétique créé au centre du solénoïde est :

B = µ0..I = µ0.n.I N L

µ0 = 4.π.10−7 S.I. est la perméabilité magnétique du vide (ou de l’air). n est le nombre de spires par unité de longueur n = N/L.

3) Bobine, solénoïde et bobines de Helmholtz : II) Spectre magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F

On appelle bobines de Helmholtz l'association de deux bobines plates coaxiales séparées par une distance D égale à leur rayon commun R.

b) Bobines de Helmholtz :

L'étude expérimentale du champ magnétique créé par les bobines de Helmholtz montre que, dans une région cylindrique délimitée par les deux bobines, le champ magnétique est :

uniforme, - dirigé suivant l'axe commun des bobines, - de sens donné par la règle du bonhomme d’Ampère, -

Si N est le nombre de spires de chaque bobine, R leur rayon et qu'elles sont montées en série et parcouru par un courant d'intensité I, le champ magnétique au centre du dispositif a pour valeur :

B = 0,72.µ0..I N R

3) Bobine, solénoïde et bobines de Helmholtz : II) Spectre magnétique :

Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F

c) Champ magnétique uniforme :

Pour disposer d'un champ magnétique uniforme on voit donc que l'on peut utiliser un solénoïde long ou des bobines de Helmholtz.

Dans un solénoïde long le champ magnétique est très uniforme loin des bords mais l'accès à ce champ est rendu délicat pour des expériences encombrantes.

-

Les bobines de Helmholtz permettent de réaliser des expériences plus volumineuses mais l'uniformité du champ est moins précise.

-