EM.1 Origine du magnétisme: Le mouvement des électrons au sein de l'atome ainsi que sur eux mêmes est responsable du magnétisme.

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1 EM.1 Origine du magnétisme: Le mouvement des électrons au sein de l'atome ainsi que sur eux mêmes est responsable du magnétisme. Les atomes de certains éléments se comportent comme de petits aimants. La structure cristalline de certains éléments favorise l'alignement de ces petits aimants. Lorsque plusieurs atomes sont alignés, ils forment des ''domaines de Weiss'' EM.2 Substances ferromagnétiques: pour certaines il est facile d'aligner les domaines la composant: substances, a. Substances {Substances} Éléments: Fe, Ni, Co Magnétite: Fe 3 O 4 b. Modèle morceau de fer domaines {conclusion} Puisque les domaines ne sont pas alignés, ce n'est pas un aimant. parois de Bloch morceau de fer magnétisé {conclusion} Puisque la majorité des atomes forment un domaine, il s'agit d'un aimant É. Létourneau 1

2 EM.3 Magnétisation et induction magnétique. a. Perméabilité magnétique: il s'agit de la propriété de la matière d'être capable de s'orienter selon un champ magnétique extérieur. Les susbtances ferromagnétiques possèdent une grande perméabilité. b. Magnétisation: Pour magnétiser un échantillon d'une substance ferromagnétique, il faut le soumettre à un champ magnétique extérieur. Si la substance demeure magnétique lorsqu'on l'éloigne de ce champ, on dit qu'il y a rémanence et la substance est devenu un aimant permanent. Les matériaux ferromagnétiques qualifiés de ''doux'' sont faciles à magnétiser et à démagnétiser. Ex: F e pur Les matériaux ferromagnétiques qualifiés de ''durs'' sont difficiles à magnétiser et à démagnétiser. Ex: alliage samarium cobalt ou néodyme Fer Bore. c. Démagnétisation: Il est possible de démagnétiser une substance en: le soumettant à un champ magnétique inverse (champ coercitif) le chauffant. La température exacte à laquelle une subtance est démagnétisée s'appelle la température de Curie. d. Applications: Ordinateurs: L'information est encodée sur votre disque dur grâce à des substances magnétiques. Votre identité est encodée sur les bandes magnétiques de nombreuses cartes (cartes de crédit, banquaire etc.) grâce à des susbtances magnétiques. Certains articles de magasin sont protégés par quelque chose de magnétique. Le caissier ou la caissière doit ''démagnétiser'' l'article pour que le client ou la cliente ne déclanche pas une alarme en sortant du magasin. É. Létourneau 2

3 EM.4 Champ magnétique: Lorsqu'on place une susbtance ferromagnétique à proximité d'un aimant, celle ci subit une force. La région de l'espace à l'intérieur de laquelle ces forces se font sentir constitue le champ magnétique ( B ) a. Lignes de champ magnétique: Si on dépose de la limaille de fer à proximité d'un aimant, on obtient ce qui suit: {ajouter des flèches pour la direction des lignes de champ magnétique} {propriétés des lignes de champ magnétique} Des ''lignes de champ magnétique'' se forment. Ces lignes constituent le champ magnétique. La densité des lignes nous permet de déterminer l'intensité du champ magnétique (sa ''force''). Plus les lignes sont denses, plus le champ magnétique est ''fort''. Les lignes sont continues; elles n'arrêtent pas à quelque part dans l'espace. Les lignes de champ magnétique ne se croisent jamais. Si on place une boussole à proximité d'un aimant, l'aiguille s'alignera selon la direction des lignes de champ magnétique. Le ''N'' de l'aiguille pointera vers le ''S'' de l'aimant. b. Pôles: les parties de l'aimant devant lesquelles le champ magnétique est le plus intense consituent les '' pôles ''. Comme un des pôles de l'aimant pointe dans la direction générale du pôle nord géographique, on lui a donné le nom de ''N'' et comme l'autre pôle pointe dans la direction générale du sud géographique, on lui a donné le nom de ''S'' (convention!). Ordinairement, le pôle ''N'' de l'aimant est peint en rouge et le ''S'' en bleu. É. Létourneau 3

4 c. Unité de mesure: La force du champ magnétique ''B'' est exprimée en Tesla (T). Un Tesla correspond à la force du champ magnétique quand un conducteur d'une longueur de 1m à l'intérieur duquel circule un courant de 1A, traverse un champ magnétique à 90 o et subit une force de 1N. {Formule} 1T = 1N A.m {description des termes} 1N: 1 Newton A: 1 ampère m: 1 mètre D'autres définitions existent (selon le weber) {Formule} 1T = 1Wb m 2 {description des termes} où 1Wb = 1V.s É. Létourneau 4

5 EM.5 Forces magnétiques: Une des principales utilités du magnétisme est les forces qu'on peut en tirer. Comme les forces sont des quantités vectorielles, on doit pouvoir leur donner une direction. Afin de déterminer une direction, les humains ont fait appel à un concept purement fantaisiste (quelque chose qui n'existe que dans notre imagination!!!): un monopôle ''N''. {attraction/répulsion selon les pôles} Expérimentalement, on a découvert que des pôles semblables se repoussent et que des pôles différents s'attirent. {Compléter le schéma en illustrant les forces d'attraction, de répulsion et la force nette résultante selon l'endroit.} N N N Attraction Répulsion N Force nette N N S N N {conséquences de la convention du monopôle ''N''} En raison de cette convention (invention du monopôle ''N''), les lignes de champ magnétique ''sortent'' du pôle ''N'' et ''entrent'' dans le pôle ''S''. a. Pôles semblables: Il y a répulsion {compléter le schéma} N N Si on comprend que les lignes de champ magnétique représentent la direction de la force nette agissant sur un monopôle ''N'' en un point, on comprend également que les lignes de champ magnétique provenant de deux aimants ne peuvent se croiser (il est impossible de subir deux forces nettes différentes!!!) b. Les pôles différents: Il y attraction {compléter le schéma} N É. Létourneau 5

6 3U 03_EM.notebook May 21, 2015 EM.6 Champ magnétique de la Terre: La Terre se comporte comme un gros aimant. {activité boussole vs GPS} a. Position du ''N'' magnétique de la Terre. Par convention, nous avons appelé le pôle qui pointe vers le nord géographique sur les aimants un pôle ''N''. Ceci pose un problème: les pôles semblables se repoussent! Il en résulte que le pôle magnétique de la Terre qui se trouve à proximité du nord géographique est un ''S'' magnétique. {problème} b. Le ''S'' magnétique n'est pas fixe il se déplace. Présentement, il est au Canada. Sud c. Inversion de pôles: Au cours de l'histoire, il y a eu des inversions de pôle le ''N'' magnétique est devenu un ''S'' et vice versa. d. Forme du champ magnétique de la Terre. É. Létourneau 6

7 EM.7 Induction de magnétisme par des charges électriques en mouvement. a. Rappel: Le courant électrique est défini comme étant le déplacement de charges électriques. {formule} I = Q Δt {description des termes} I: Courant électrique mesuré en ampères (A) Q: nombre de charges électriques mesurées en Coulombs (C) {Remarque: lien és C} Remarque: 1C = 6,24 x électrons b. Courant électrique dans un conducteur unique: Un scientifique du nom de Oersted a observé qu'un champ magnétique apparaît autour d'un conducteur traversé par un courant électrique. Truc de la main gauche pour déterminer la direction des lignes de champ magnétique: {truc de la main gauche} Prenez le conducteur dans votre main gauche. Placez votre pouce dans la direction du courant des électrons. Les doigts s'enroulent dans la direction des lignes de champ magnétique. É. Létourneau 7

8 c. Courant électrique dans une bobine (solénoïde) Par définition, l'endroit d'où sortent des lignes de champ magnétique est appelé pôle ''N'' et l'endroit ou elles entrent est le pôle ''S''. Des pôles apparaissent donc et nous sommes en présence d'un électroaimant! Truc de la main gauche pour les bobines. {Truc de la main gauche} Prenez votre bobine dans la main gauche. Placez vos doigts dans la direction du courant électrique. Votre pouce pointe la direction du pôle ''N''. É. Létourneau 8

9 ex 1: Identifiez le ''N'' de la bobine. {solution} ( I ) (plus grosse barre!) {Remarque sur la direction du courant} Remarque: la force d'un électro aimant: {facteurs influençant la force d'un é aimant} est directement proportionnelle au courant est directement proportionnelle au nombre de spires (tours) est directement proportionnelle à la perméabilité de la substance se trouvant au centre de la bobine est inversement proportionnelle au diamètre du solénoïde. É. Létourneau 9

10 EM.8 Induction de courant par un champ magnétique: {condition pour induire un courant} a. Conducteur unique: Un scientifique du nom de Faraday a déterminé que l'on pouvait induire un courant électrique à l'aide du magnétisme. Pour ce faire, il faut que le conducteur soit placé dans un champ magnétique variable. Ex 1: Déterminez si le courant entrera ou sortira par le bout du conducteur. Solution {solution} É. Létourneau 10

11 ex 2: Déterminez la direction du courant dans le conducteur. {solution} du sort É. Létourneau 11

12 {particularité des bobines par rapport au changement} b. Bobines: un autre scientifique du nom de Lenz s'est penché sur le cas des bobines. Il a constaté que les bobines essaient toujours de s'opposer au changement. Ex 1: Que ce passera t il au sein de la bobine si on approche un pôle ''N'' de celle ci? solution {solution} {explications} La bobine ''veut'' s'opposer à l'approche du pôle ''N''. Puisque seuls les pôles semblables se repoussent, il faut donc que la bobine lui présente un pôle ''N''. Un courant apparaîtra dans la bobine. Ex 2: Que ce passera t il si on éloigne un pôle ''N'' de la bobine? {solution} {explications} La bobine ''veut'' attirer un ''N'' Un courant électrique apparaîtra. Elle lui présentera un ''S'' É. Létourneau 12

13 c. Générateurs: La loi de Lenz nous permet d'envisager la production d'électricité d'une façon autre que chimique. {comment produire de l'électricité à partir du magnétisme lien bobine} La condition de base pour qu'un courant soit induit dans un conducteur est que le champ magnétique doit varier (changer). Les effets d'un champ magnétique variable sont plus importants dans une bobine que dans un conducteur unique. Il s'agit donc de trouver une façon de placer une bobine dans un champ magnétique variable. Considérons le scénario suivant: É. Létourneau 13

14 X É. Létourneau 14

15 {constatation} Remarque 1: on constate que le courant électrique change de direction 2 fois pendant une rotation complète. Le courant alterne; il s'agit donc d'un courant alternatif (AC). En amérique du nord, le courant effectue 60 aller retours en 1 seconde (60Hz). Remarque 2: lorsque la bobine est directement alignée entre les deux aimants (horizontale entre les deux aimants), elle ne s'éloigne pas ou ne s'approche pas. Il n'y a donc aucun courant!!! Pour fabriquer de l'électricité à grande échelle, les humains utilisent toujours le même principe: on fait tourner une turbine, elle même reliée à une bobine (générateur). La façon de faire tourner la turbine est ce qui change d'un type de centrale à l'autre. hydroélectrique: eau nucléaires: fission de l'atome chauffe de l'eau qui produit de la vapeur. Thermique: combustion du charbon chauffe de l'eau qui produit de la vapeur. Éolienne: vent Génératrice à gaz: combustion du gaz etc... En modifiant les connextions, les contacts etc.. on peut fabriquer des génératrices qui produisent du courant continu (DC). É. Létourneau 15

16 EM.9 Les transformateurs: a. Rappel: La différence de potentiel (V) est mesurée en Volts (V). Une définition plus précise du concept de différence de potentiel (comparé à ce que vous avez étudié en 9ième année) serait: Modèle mathématique: {définitions V} la différence d'énergie potentielle électrique que possède chaque charge entre différents points d'un circuit ou le travail que peut effectuer une charge en passant d'un point à l'autre d'un circuit. V = E électrique Q {formules} ou V = W Q {description des termes} E électrique : énergie électrique (J) W: Travail (J) Q: Charges (C) V: différence de potentiel (V) Ex: pile de 1,5V Cela signifie que chaque coulomb qui quitte la ''borne'' négative possède 1,5J d'énergie de plus qu'il n'en possède à la borne positive ou que chaque coulomb qui quitte la borne négative peut accomplir un travail de 1,5J. É. Létourneau 16

17 b. Rappel: La puissance modèle mathématique P = ΔE Δt ou P = W Δt Lien puissance différence de potentiel {preuve P = VI à partir de VQ et P} {développement de la formule E= VI Δt} c. La transmission d'énergie électrique : Selon l'équation W = VI Δt, on constate que les fournisseurs d'énergie électrique doivent déterminer comment ils vont s'y prendre pour transmettre l'énergie électrique de la source jusqu'à l'usager. {choix des fournisseurs} Ils peuvent utiliser un gros courant électrique ou ils peuvent utiliser une grosse différence de potentiel. Cependant, un gros courant impliquerait d'énormes ''pertes'' d'énergie sous forme de chaleur etc. C'est pourquoi les fournisseurs préfèrent de grosses différences de potentiel. É. Létourneau 17

18 d. Les transformateurs: Pour des raisons de sécurité, on ne veut pas avoir de très grosses différences de potentiel à la maison. C'est pourquoi on doit trouver une façon d'augmenter ou diminuer la tension (différence de potentiel). Les transformateurs sont ce qui nous permet d'accomplir cette tâche. Modèle mathématique: {propriétés des transforamateurs} Les deux bobines sont séparées d'un point de vue du courant électrique (séparées par des isolants) Pour qu'un courant apparaisse dans la bobine secondaire, il faut que celle ci ''baigne'' dans un champ magnétique variable. Il faut donc que le courant dans la bobine primaire soit alternatif. Attention! un transformateur transforme la tension mais ne créer pas d'énergie! {Formule} V p = V s n p n s {description des termes} V p : tension bobine primaire V s : tension bobine secondaire n p : nombre de ''spires'' (tours) bobine primaire n s : nombre de spires bobine secondaire. É. Létourneau 18

19 Rappel: la loi d'ohm s'énonce comme suit: {loi d'ohm} V = RI Ex 1: Trouvez la valeur des inconnus: {définition des termes} V: diff. de potentiel en volts (V) R: résistance en Ohms ( Ω) I: courant en ampères (A) {Faire le problème} Selon le principe de la conservation de l'énergie, on peut affirmer que: É. Létourneau 19

20 EM.10 Forces induites par l'interaction entre des champs magnétiques induits. a. Soit un conducteur à l'intérieur duquel circule un courant et qui se trouve dans un champ magnétique: Les lignes de champ magnétique à gauche du conducteur sont dans la même direction. Les lignes à droite du conducteur s'opposent. Des forces magnétiques apparaissent Il n'y a qu'une seule façon d'en arriver à une situation d'équilibre; il faut que le conducteur bouge vers la droite. Truc de la main droite: Utilisez votre main droite. {Truc de la main droite} Votre index doit pointer dans la direction des lignes de champ magnétique. Votre majeur doit pointer dans la direction du courant électrique (courant des électrons) Votre pouce pointera la direction de la force résultante. Remarque: tous vos doigts doivent être perpendiculaires les uns avec les autres. É. Létourneau 20

21 ex 1: Indiquez la direction de la force exercée sur les conducteurs aux endroits demandés: {solution} É. Létourneau 21

22 Ex 2: Qu'arrivera t il au faisceau d'électrons dans le tube à rayons cathodiques si on approche un pôle ''S'' de ce dernier? {Solution} É. Létourneau 22

23 EM.11 Applications: a. Moteurs électriques: {Explications} Le champ magnétique de la bobine interfère avec le champ magnétique des aimants. Une force apparaît qui fera tourner la bobine. Les bagues ne font pas complètement le tour de l'axe de rotation. {pas de force} pas de courant dans la bobine donc pas de force. É. Létourneau 23

24 {Force} La bobine se met à tourner!!! tous les moteurs électriques fonctionnent selon ce principe. b. Maglevs: trains à lévitation magnétique c. Bouteilles magnétiques d. Accélérateurs de particules É. Létourneau 24