physique5g1h electromagnétisme v1.0

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P 1 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME PHYSIQUE 5G1h ELECTROMAGNETISME Découverte d’une nouvelle force, la force électromagnétique Comment fonctionne une boussole, une ligne à haute tension, un transformateur, une dynamo, un moteur, un haut-parleur, une guitare électrique … ? Comment produire du courant électrique dans un alternateur ? Pourquoi utilise-t-on des transformateurs ? 1. Le champ magnétique 2. La force électromagnétique 3. Les courants induits

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Cours destiné aux élèves de Benoît Pochet

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P 1 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

PHYSIQUE 5G1h

ELECTROMAGNETISME Découverte d’une nouvelle force, la force électromagnétique

Comment fonctionne une boussole, une ligne à haute tension, un transformateur, une dynamo, un

moteur, un haut-parleur, une guitare électrique … ?

Comment produire du courant électrique dans un alternateur ?

Pourquoi utilise-t-on des transformateurs ?

1. Le champ magnétique

2. La force électromagnétique

3. Les courants induits

P 2 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

1. Le champ magnétique

Les aimants a. Force magnétique

Expérience

L’aimant est source d’un champ magnétique. La terre génère également un champ magnétique (pôle nord et pôle sud). Les applications de ce phénomène physique sont nombreuses : La sonnette électrique ,le disjoncteur ,le haut-parleur, …

Approchons un aimant de différents objets quotidiens : du bois, du verre, des pièces de monnaie, des clés, des clous, etc…

Observations : Nous constatons que l’aimant attire certains objets

Ces matériaux ainsi attirés par l’aimant sont dits magnétiques. Les aimants exercent une force attractive à distance sur les matériaux magnétiques : il s’agit de la force magnétique

Exemple du haut-parleur :

Expérience

Envoyons des impulsions électriques dans l’ haut-parleur (de la musique) Le phénomène peut être accentué en plaçant de l’eau sur la membrane.

Observations : Nous constatons la membrane se met à vibrer et se déplace suivant le rythme de la musique et donc des impulsions électrique.

Comment l’énergie électrique est-elle transformée en énergie mécanique ?

P 3 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

b. Les aimants naturels ou artificiels ?

Bien qu’il existe dans la nature une pierre naturelle ayant la propriété d’un aimant, nous utilisons

actuellement des aimants artificiels fabriqués à base d’acier spéciaux.

Il existe différentes formes d’aimants :

- Aimant droit - Aimant en U - Aiguille aimantée (boussoles) - Aimant cylindrique

Pour aimanter un morceau d’acier, on le frotte plusieurs fois dans le même sens contre un autre aimant.

c. Les pôles des aimants

Expérience

Essayons de ramasser de la limaille de fer à l’aide d’un aimant

Observations : Nous constatons que l’attraction se manifeste principalement au voisinage des extrémités

Les extrémités de l’aimant sont appelées les pôles de l’aimant

En observant une boussole, nous observons qu’elle se stabilise toujours dans la même direction du sud vers le nord géographique.

On appelle pôle nord de l’aiguille son extrémité pointant vers le nord géographique et pôle sud l’autre extrémité.

P 4 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

En approchant un pôle nord d’un aimant du pôle nord de l’aiguille aimantée de la boussole, on constate qu’il se repousse. A l’inverse, en approchant un pôle sud d’un pôle nord de l’aiguille aimantée, ils s’attirent.

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

Lorsque l’on brise en aimant droit en deux morceaux, les deux pôles subsistent sur chacun des morceaux. Il est impossible d’isoler un pôle d’aimant

Le concept de champ magnétique a. Champ magnétique crée par un aimant droit

Expérience

Plaçons un aimant droit sur une plaque de verre sur laquelle nous saupoudrons de la limaille de fer. Tapotons légèrement sur la plaque.

Observations avec schéma:

Ces courbes s’appellent les lignes de champ magnétique et l’ensemble de ces lignes constituent le spectre magnétique de l’aimant. En plaçant une boussole en différents points de la plaque, elle se stabilise dans une direction

tangente à la ligne du champ passant par le point.

En retournant l’aimant de façon à inverser les pôles, l’aiguille effectue une rotation de 180°.

b. Vecteur champ magnétique

Le vecteur champ magnétique B en un point est défini comme suit :

- Direction : celle prise à l’équilibre par l’aiguille aimantée placée au point considéré. C’est la direction de la tangent à la ligne de champ en ce point.

- Sens : sens sud-nord de cette aiguille. 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’aimant. L’unité est le tesla (T) (Nicolas Tesla, physicien américain d’origine Serbe).

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c. Champ magnétique uniforme

Expérience

Visualisons le spectre magnétique d’un aimant en U.

Observations: Entre les 2 branches, les lignes de champ sont parallèles entre elles et perpenticulaires aux bras de l’aimant.

Cette zone est une région de champ magnétique uniforme. Les vecteurs B y sont partout identiques.

Remarque : Représentation des champs magnétiques dont la direction est perpendiculaire à la

feuille.

2. Le champ magnétique terrestre

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3. Le champ magnétique créé par un courant

Champ magnétique au voisinage d’un solénoïde

Expérience

Un solénoïde est constitué d’un fil conducteur qui est enroulé en hélice sur un cylindre de grande longueur par rapport à son diamètre. On appelle ce système une bobine, chaque boucle porte le nom de spire. Faisons passer dans la bobine un courant de plusieurs ampères et observons. Inversons ensuite le sens du courant.

Observations: Les aiguilles aimantées se stabilisent dans des directions privilégiées, les limailles de fer se placent selon des lignes permettant de distinguer un spectre magnétique intérieur et un spectre extérieur. Le spectre extérieur est semblable à celui d’un aimant droit. Dans sa partie centrale, le spectre intérieur est celui d’un champ magnétique uniforme. Si nous inversonsle sens du courant, les aiguilles aimantées s’orientent en sens enverse.

Le champ magnétique B en un point de la région intérieure au solénoïde a pour direction celle de l’axe du solénoïde. Son sens s’inverse si on inverse le sens du courant La grandeur du B augmente avec l’intensité I du courant. Elle augmente également lorsque le nombre de spires par unité de longueur du cylindre augmente.

P 7 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

Comme le champ généré est semblable à celui donné par un aimant droit, il est d’usage d’attribuer un pôle nord et un pôle sud à une telle bobine parcourue par un courant. Le champ magnétique sort toujours de la bobine par sa face nord.

Comment retrouver le sens du champ :

Règle de la main droite : la main est placée sur une spire de façon telle que les doigts indiquent le sens conventionnel du courant et que la paume soit tournée vers l’intérieur du solénoïde. Le pouce écarté donne le sens des lignes de champs à l’intérieur du solénoïde.

Electroaimant

Expérience

Introduisons un noyau de fer à l’intérieur du solénoïde parcouru par un courant. Approchons de la limaille de fer des extrémités du noyau de fer.

Observations: Les oscillations des aiguilles aimantées placées à proximité indiquent une forte augmentation du champ. La limaille s’agglomère comme s’il s’agissait de pôles d’aimants. En ouvrant le circuit électrique, la limaille retombe.

L’ensemble solénoïde-noyau de fer constitue un électro-aimant. Le noyau de fer amplifie la grandeur du champ magnétique crée à proximité. C’est un aimant temporaire dont l’aimantation disparait avec le courant.

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Utilisations pratiques a. Electroaimant porteur

La masse des objets soulevés par des électroaimants industriels peut atteindre plusieurs tonnes.

b. La sonnette électrique

Schéma et explications :

c. Les disjoncteurs

Le rôle des disjoncteurs est d’interrompre immédiatement le courant en cas de surintensité dans le circuit. Le principe de fonctionnement est quasiment identique à celui de la sonnerie électrique. Tant que l’intensité du courant électrique n’est pas trop élevée, la lamelle reste en contact. Si l’intensité du courant devient trop élevée, l’électroaimant attire la lamelle qui quitte le contacteur ce qui ouvre le circuit.

P 9 PHYSIQUE 5G1h - ELECTROMAGNETISME

2. La force électromagnétique

Lorsqu’un aimant est proche d’un conducteur parcouru par un courant, il existe une force d'interaction agissant sur l'un et l'autre. Cette force est appelée force électromagnétique. Celle-ci est à la base du moteur électrique et du hautparleur.

Mise en évidence de la force électromagnétique

Expérience

Constituons un circuit comportant: - un générateur de tension continue; - des fils de connexion ; - un élément en forme de balançoire comportant une tige horizontale en aluminium (métal léger et non magnétique) . Plaçons cette tige dans un champ magnétique uniforme vertical créé par exemple par un aimant en U.

Fig 2.1

Observations: L'élément de la tige est ainsi soumis à un champ magnétique qui lui est perpendiculaire (fig. 2.1 et 2.2). Faisons passer un courant d'intensité l :la balançoire se déplace, une force F lui est donc appliquée (fig. 2.3 et 2.4).

Fig 2.3 et Fig 2.4

Une portion de circuit parcourue par un courant, placée dans un champ magnétique, est soumise à une force électromagnétique dite « force de Laplace », du nom de Pierre-Simon de LAPLACE, physicien et mathématicien français (1749-1827).

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Caractéristiques de la force électromagnétique a. Champ magnétique perpendiculaire au conducteur

Cherchons les caractéristiques de la force électromagnétique en considérant d'abord le cas particulier où le champ magnétique est de direction perpendiculaire au conducteur. a) Point d'application: c'est le milieu 0 du conducteur soumis au champ uniforme (fig. 2.1). b) Direction: dans l'expérience précédente, la barre en aluminium tend à se déplacer horizontalement; la direction de F est perpendiculaire au plan défini par le conducteur et par le champ. c) Sens: on peut changer le sens de la force, soit

- en inversant le sens du courant J (fig. 2.3 et 2.4) ; - en inversant le sens du champ B(retourner l'aimant).

Le sens du courant et le sens du champ magnétique déterminent donc le sens de F.

Règle des 3 doigts On peut imaginer une règle mnémotechnique permettant de prévoir le sens de la force. Ainsi, en disposant trois doigts de la main droite comme indiqué ci-contre, on retrouve le sens de F observé dans l'expérience de départ : - l'index (i : intensité) indique le sens conventionnel du courant; - le majeur (m : magnétisme) placé perpendiculairement indique le champ ; - le pouce (p : poussée) donne le sens de la force électromagnétique.

d) Grandeur : on peut augmenter la grandeur de la force :

• en augmentant l'intensité J du courant; des mesures précises démontrent que la grandeur de la force est proportionnelle à l'intensité J. • en faisant agir un champ magnétique plus important; nous conviendrons que la grandeur de B est définie de façon telle que les grandeurs de F et B soient directement proportionnelles. • De plus, si le champ agit sur un élément de circuit 2, 3... fois plus long, la force totale exercée est multipliée par 2, 3... Force F et longueur L de l'élément du conducteur effectivement soumise au champ sont donc proportionnelles.

En conclusion: F = k . B . I . L. Dans le système international des unités, l'unité de champ magnétique est choisie de façon telle que k = 1. Finalement:

F=B.I.L Notons que cette relation n'est valable que dans le cas où le champ magnétique est perpendiculaire au conducteur; F y est mesurée en newtons, B en teslas et L en mètres.

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Le tesla (T) est donc la grandeur du champ magnétique uniforme qui, dirigé perpendiculairement à un conducteur de longueur un mètre, parcouru par un courant d'un ampère, engendre sur le conducteur une force d'un newton. b. Champ magnétique parallèle au conducteur

Envisageons un second cas particulier: plaçons l'aimant de telle façon que le champ B soit parallèle au conducteur. Nous constatons que le conducteur ne se déplace pas. Dans ce cas, la force électromagnétique est nulle. (Dans la réalité, il n'est pas facile d'être dans la situation où le champ Best tout à fait parallèle au conducteur, et donc on observe parfois un léger déplacement.)

La force exercée sur un conducteur de longueur L, parcouru par un courant d'intensité J et soumis à l'action d'un champ B perpendiculaire au conducteur : - est dirigée perpendiculairement au plan défini par les directions du conducteur et du champ; - a un sens qui dépend du sens du courant et du sens du champ magnétique ; il peut être trouvé par la règle des trois doigts de la main droite; - est de grandeur F = B . l . L.

Le haut parleur électodynamique

Le haut-parleur électrodynamique est constitué, comme a) d'un aimant de forme particulière à symétrie cylindrique créant un champ magnétique radial b) d'une petite bobine capable de coulisser le long d'un pôle (par exemple nord) de l'aimant autour duquel elle est enroulée c) d’une membrane solidaire de la bobine.

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Lorsque cette bobine est parcourue par un courant d'intensité I, chaque élément L d'une spire est soumis à une force électromagnétique F de direction parallèle à l'axe (fig. 2.9). La résultante de ces forces élémentaires a aussi cette direction : il en résulte un coulissement de la bobine le long du pôle et donc un déplacement de la membrane. Si le courant est variable, la force résultante va suivre fidèlement, en intensité et sens, les fluctuations du courant. Le mouvement de la membrane s'adapte ainsi aux variations du courant. Il en est de même du son produit.

Le moteur électrique

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Soit une spire rectangulaire ABCD placée verticalement et mobile autour d'un axe XX'. Cette spire est placée dans une région de champ magnétique uniforme B créé par un aimant ou un électroaimant (fig. 2.11). Les extrémités A et 0 sont solidaires de deux demi-anneaux en cuivre c1 et c2 appelés collecteurs et isolés l'un de l'autre. Des balais de carbone, fixes, b, et b2 frottent sur ces collecteurs et sont connectés aux bornes d’un générateur.

Sur le schéma de la figure 2.11, le plan ABCD est parallèle aux lignes de champ et le courant entre par le collecteur c, relié à la borne + du générateur par l'intermédiaire du balai b,. Le courant circule donc dans le sens ABCD. Les côtés AB et CD sont parcourus par des courants d'intensité égale et de sens contraires: les forces électromagnétiques Fet F’ qui leur sont appliquées sont donc de grandeur égale et de sens contraires. Ce couple de forces provoque une rotation de la spire dans le sens indiqué . Après une rotation d'un peu plus d'un quart de tour, le collecteur c, est mis en contact avec le balai b2 et le collecteur c2 est connecté au balai b1 : le courant change ainsi de sens dans la spire et circule alors dans le sens DCBA (fig. 2.12). Analysons à nouveau la situation lorsque la spire a fait un demi-tour et se retrouve dans la position parallèle aux lignes de champ. Le côté DC est alors à gauche et le côté AB à droite. Les forces F et F' agissant respectivement sur le côté droit et le côté gauche de la spire n'ont pas été modifiées et maintiennent le même sens de rotation. Après un demi-tour encore, on se retrouve dans la situation de départ. Le système de balais et de collecteurs est donc nécessaire pour assurer une rotation continue de la spire.

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Exercices :

1.

2.

3.