Les interactions électromagnétiques

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1 Les interactions électromagnétiques Activité 1 Le champ magnétique La force électromagnétique 1. Le champ magnétique Document 1 : Champ magnétique d un aimant droit Document 2 : champ magnétique d un aimant en U 1. Indiquez par des flèches la direction et le sens du champ magnétique B : - aux points A, B, C et D du document 1 ; - aux points A, B, C, D et E du document 2. 3a) Le fil est perpendiculaire au plan de la feuille 3b) Le fil est dans le plan de la feuille Document 3 : Champ magnétique d un fil conducteur rectiligne parcouru par un courant d intensité I 2. Indiquez par des flèches la direction et le sens du champ magnétique B aux points P, M et N du document 3a. Indiquez par un point ou une croix le sens du champ magnétique B aux points Q et R du document 3b. 48

2 2. La force électromagnétique 3. Un électron en mouvement est soumis à l action d un champ magnétique uniforme. Son mouvement peut-il être : - rectiligne uniforme? - rectiligne uniformément accéléré? - rectiligne uniformément retardé? - circulaire uniforme? Justifiez soigneusement chaque réponse. Document 4 : Force électromagnétique sur des particules chargées en mouvement dans un champ magnétique 4. Des particules chargées en mouvement sont soumises à l action d un champ magnétique uniforme B (document 4). Utilisez la règle de la main droite pour déterminer la direction et le sens de la force électromagnétique F qu elles subissent. Un fil conducteur rectiligne parcouru par un courant d intensité I est soumis à l action d un champ magnétique uniforme B. Document 5 5. Indiquez par une flèche la direction et le sens de la force électromagnétique F qui agit sur le fil dans les 3 cas du document 5. 49

3 Document 6 6. Indiquez la direction et le sens du champ magnétique B dans les trois cas du document 6. Document 7 7. Indiquez le sens du courant électrique dans les trois cas du document 7. Document 8 : Fils conducteurs parallèles Deux fils conducteurs 1 et 2 très longs, parallèles et placés dans l air à une distance r = 20 cm l un de l autre sont parcourus par des courants électriques d intensités respectives I 1 = 5 A et I 2 = 10 A. 50

4 8. Déterminez (direction, sens et valeur) et représentez le champ magnétique créé par le fil 2 en tout point du fil Déterminez (direction, sens et valeur) et représentez la force électromagnétique que le fil 2 exerce sur la portion MN du fil 1, sachant que MN = 1 m. 10. Que se passe-t-il quand on inverse le sens du courant I 2? Quand on inverse le sens des 2 courants? Une tige cylindrique MN en cuivre est posée sur 2 rails conducteurs horizontaux, parallèles et distants de d = 15 cm, perpendiculairement à ces rails. Le dispositif est plongé dans un champ magnétique vertical, orienté de bas en haut et de valeur B = 0,10 T. Document 9 : Rails de Laplace 11. Déterminez le sens du courant qui doit parcourir le circuit pour que la barre MN subisse une force électromagnétique dirigée vers la gauche. 12. Calculez l intensité I de ce courant pour que la barre MN reste en équilibre, sachant que m = 30 g. 51

5 Substances ferromagnétiques Activité 2 Rappel du cours La perméabilité relative, notée le plus souvent µ r, est un coefficient qui montre combien de fois le champ magnétique B dans un milieu est plus grand que le champ magnétique B 0 dans le vide. C est le rapport de B à B Ce coefficient a-t-il une unité? Justifiez votre réponse. 2. Quels sont les ordres de grandeur de ce coefficient pour les substances para-, dia- et ferromagnétiques? 3. Qu est-ce qui différencie une substance ferromagnétique d une substance qui ne l est pas? 4. Hystérésis, signifie «retard» en grec. Qu est-ce qui est «en retard» chez les substances ferromagnétiques? 5. On aimante une substance ferromagnétique en la plaçant à l intérieur d une bobine parcourue par un courant continu. Après l avoir aimantée, comment peut-on la désaimanter à l aide du même dispositif expérimental? B 0 champ aimantant (ou champ inducteur) B champ induit B c champ coercitif B r champ rémanent Document 1 : Matériaux ferromagnétiques doux et durs 52

6 Le document 1 représente le cycle d hystérésis du fer, matériau ferromagnétique doux, et celui d un acier dur. 6. Pourquoi l axe horizontal est-il gradué en mt, alors que l axe vertical est gradué en T? 7. Que représentent physiquement Bc 1 et Bc 2? 8. Que représentent physiquement Br 1 et Br 2? 9. Du point de vue des propriétés magnétiques quelles différences y a-t-il entre le fer ou un acier deux et un acier dur? Les aimants permanents sont-ils réalisés en fer ou en acier dur? Expérience Protocole de l expérience : Un fil de fer F fixé horizontalement entre les points A et B est attiré par l aimant A. Dans ces conditions le fil F est en contact avec le curseur C. L interrupteur K étant fermé, le générateur G débite un courant dans le circuit électrique. Par effet Joule, le fil s échauffe et est porté au rouge. Il retombe en position 2. De ce fait, la circulation du courant est interrompue, le fil se refroidit et l attraction du fil par l aimant a lieu de nouveau. 10. Pourquoi le fil de fer retombe-t-il en position 2. Expliquez. 11. En déduire une méthode permettant de désaimanter un aimant. Document 2 : Un électroaimant Pour réaliser un électroaimant il suffit de bobiner un fil conducteur autour d un noyau d acier. Le passage du courant dans le bobinage confère au noyau un comportement similaire à celui d un aimant permanent. Ce dispositif permet de ramasser et de trier certains déchets métalliques. 53

7 12. Indiquez le principe du fonctionnement de l électroaimant. 13. Le noyau de l électroaimant doit-il être fabriqué en acier doux ou en acier dur? Pourquoi? 14. On place un électroaimant au-dessus d un tas de débris métalliques en fer, aciers divers, cuivre et aluminium. Que se passe-t-il? Expérience Protocole de l expérience On a voulu augmenter la charge (de poids P) qu un électroaimant est capable de soulever en augmentant l intensité du courant I dans ses bobines. Le tableau ci-dessous présente les résultats de cette expérience. I en A 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 P en N Portez les résultats sur un graphique. P en ordonnées et I en abscisses. 16. Est-ce qu il y a une partie linéaire sur le graphique? Si oui, précisez ses limites. Quel intérêt pratique présente cette partie. 17. Est-il utile d augmenter l intensité du courant au delà d une certaine valeur? 54

8 L induction électromagnétique Activité 3 1. Mise en évidence du phénomène. Sens du courant induit : la loi de Lenz Document 1 : Mise en évidence de l induction électromagnétique Document 2 : Interprétation du phénomène d induction Le déplacement de l aimant par rapport à la bobine provoque une variation de la valeur du champ magnétique qui la traverse. Observez le dispositif expérimental du document Représentez quelques lignes de champ du spectre magnétique de l aimant droit. 2. La bobine est-elle le siège d un phénomène d induction électromagnétique lorsque l aimant s en approche ou s en éloigne? Pourquoi? 3. Qu observe-t-on quand on approche de la bobine le pôle nord de l aimant? 4. Qu observe-t-on lorsque l aimant reste immobile? Pourquoi? 5. Qu observe-t-on quand on éloigne de la bobine le pôle nord de l aimant? 6. Enoncez la loi de Lenz. 7. Dans quel sens le courant induit passe-t-il dans la bobine du document 2 lorsque le pôle nord de l aimant : - se rapproche de la bobine? 55

9 - s éloigne de la bobine? (Répondez en utilisant les expressions «dans le sens des aiguilles d une montre» et «en sens contraire des aiguilles d une montre.) 8. On retire le galvanomètre, les bornes de la bobine restant libres. On approche à nouveau l aimant de la bobine, puis on le retire. La bobine est-elle encore le siège d un phénomène d induction? 9. Comment pourrait-on mettre ce phénomène en évidence à l aide d un multimètre ou d un oscilloscope? 10. Comment s appelle la grandeur physique qui prend naissance dans la bobine et qui produit le courant induit quand le circuit de la bobine est fermé? Exercices Un cadre rectangulaire ABCD en cuivre est solidaire d une tige comme l indique le document 3. Branches d un aimant en U Document 3 L ensemble peut osciller dans un plan vertical autour de l axe horizontal XX'. Au cours d une oscillation le fil de suspension du cadre occupe successivement les positions puis Pour chacune des positions mentionnées dessinez le cadre. 12. Dans quelle position le cadre est-il le siège d un phénomène d induction électromagnétique? 13. Quel est alors le sens du courant induit dans le cadre ABCD? Attention! 2 cas sont à envisager. 56

10 Document Indiquez sur chacune des spires fixes AB du document 4 : - Le sens du courant induit dans la spire ; - La position des faces N et S induites. 2. La loi de Faraday On reprend le montage expérimental représenté document 1. On réalise deux essais : - L aimant droit est rapproché de la bobine lentement ; - L aimant droit est rapproché de la bobine rapidement. 15. Comparez les indications du microampèremètre µa dans les deux cas. ΔФ 16. ε =. Dans cette relation, que représentent Ф, t et ε? Δt 17. Précisez les unités SI de ces trois grandeurs? 18. Vos observations sont-elles compatibles avec la loi de Faraday? 3. Vérification expérimentale de la loi de Faraday Document 5 : Montage utilisé pour vérifier la loi de Faraday 57

11 Expérience Protocole de l expérience : Un générateur basse fréquence maintient aux bornes d un solénoïde en série avec un résistor R une tension périodique triangulaire u (documents 5 et 6). Une bobine coaxiale est placée à l intérieur du solénoïde et est reliée à un oscilloscope. On visualise en voie Y 1 une tension triangulaire périodique u 1 = R.i proportionnelle au courant i qui traverse le solénoïde inducteur. On visualise en voie Y 2 la tension u 2 = e aux bornes de la bobine 2 qui reste ouverte. Résultats de l expérience Document La tension visualisée en voie Y 1 est proportionnelle à l intensité i du courant qui traverse le solénoïde. Est-elle aussi proportionnelle : - au champ magnétique B? - au flux Φ créé par le solénoïde? 20. A quelle date, la f.e.m induite e change-t-elle brusquement de valeur? 21. Entre les dates 0,5 ms et 1,5 ms, la f.e.m induite e n est pas nulle. Pourquoi? De plus, elle est constante. Pourquoi? 58

12 4. Applications Le phénomène d induction électromagnétique donne lieu à des applications dont l importance pratique est considérable. Alternateurs Les alternateurs sont des générateurs de courants alternatifs. Un aimant en rotation devant une bobine en donne le principe. Document 7 Document 8 : Rotor d un alternateur industriel 22. Considérons le schéma C du document 7 : le pôle N de l aimant va passer devant la bobine. Après avoir dessiné quelques lignes de champ issues de ce pôle, montrez à l aide de schémas que ce passage produit une variation du flux magnétique qui traverse la bobine. Dans l industrie, l aimant est remplacé par des électroaimants mis en rotation par une turbine à vapeur (centrales thermiques ou nucléaires) ou à eau (centrales hydroélectriques). 59

13 Document 9 Transformateurs Les transformateurs permettent d élever ou d abaisser les tensions électriques alternatives. Le document 9 montre que le transformateur comprend 3 parties : 2 bobines appelées respectivement bobine primaire ou bobine inductrice et bobine secondaire ou bobine induite. Une carcasse métallique en acier, qui constitue un circuit magnétique fermé. 23. La carcasse métallique est-elle en acier doux ou en acier dur? Justifiez votre réponse. Quel est son rôle? 24. Pourquoi l une des bobines est-elle appelée bobine inductrice alors que l autre est appelée bobine induite? 60

14 L auto-induction Activité 4 1. Mise en évidence du phénomène d auto-induction Document 1 : Expérience des deux lampes. Quand on ferme k, L 1 brille après L 2 Un générateur alimente deux dérivations. L une contient une bobine à noyau de fer doux et une lampe à incandescence L 1, l autre contient un rhéostat et une lampe L 2 identique à la précédente. La résistance du rhéostat est ajustée pour que les deux lampes brillent du même éclat quand le courant passe en régime permanent. Cette résistance est alors sensiblement égale à celle de la bobine. 1. Qu observe-t-on à la fermeture de K? 2. Pourquoi la fermeture de K provoque-t-elle l apparition d un champ et donc d un flux à travers la bobine. 3. Ce flux Φ est-il fixe ou variable, juste après la fermeture de K? (C est-à-dire pendant que le courant i 1 s établit dans la branche de la bobine et de L 1 ). 4. Les variations de ce flux Φ produisent une f.e.m. dans le fil de la bobine. Cette f.e.m. aide-t-elle le courant i 1 à s établir ou s oppose-t-elle à son établissement en provoquant un retard? 5. Ce phénomène de retard à l établissement du courant i 1 se produit-il également pour i 2? Justifiez votre réponse. Si la bobine ne contenait pas de noyau de fer doux, le retard à l allumage de la lampe L 1 n existerait pratiquement pas. Les modifications apportées par l introduction de fer doux à l intérieur de la bobine montrent que les effets précédents résultent des propriétés du circuit lui-même, et non pas d une cause extérieure au circuit. 61

15 2. L inductance L d un circuit Document 2 : circuit expérimental (R = 10 3 Ω ; bobine de spires) Expérience Protocole de l expérience : Le circuit (document 2) comporte en série une résistance R et une bobine de résistance r négligeable. Il est alimenté par un générateur délivrant une tension en dents de scie de fréquence réglable (quelques centaines de hertz). On observe à l oscilloscope les variations de la tension u AC (sur la voie A) et celles de u BC (sur la voie B). La tension u BC étant très inférieure à u AB, nous assimilerons par la suite, la tension u AC à la tension u AB. Cette dernière étant proportionnelle à i (par la relation u AB = Ri) ses variations reproduisent celles de i au facteur R près. a) Photographie de l oscillogramme b) Schéma de l oscillogramme Document 3 Observons les oscillogrammes obtenus (document 3) : l intensité i, proportionnelle à u AC est une intensité «en dents de scie». Une tension u BC apparaît aux bornes de la bobine, ce qui prouve qu une f.e.m. d auto induction e prend naissance dans cette dernière. La tension u BC est «rectangulaire» ; elle est égale en valeur à e. 62

16 6. A quelles dates, la f.e.m. d auto-induction e change-t-elle de signe et, par suite, de sens? A quel phénomène concernant les variations de i, ces dates correspondent-elles? Laquelle des deux propositions suivantes résume vos observations? - Le sens de la f.e.m. d auto-induction e dépend du sens de i. - Le sens de la f.e.m. d auto-induction dépend du sens des variations de i. (Barrez la proposition inexacte) 7. Montrez que la proposition que vous avez retenue est en accord avec la loi de Lenz. Suite de l expérience : Doublons la fréquence de la tension délivrée par le générateur. On observe alors que la valeur des maximums et des minimums de u BC, et donc de e, est doublée. 8. La période T des oscillations de u AC est-elle : - doublée? - divisée par 2? 9. Les variations de l intensité i sont-elles : - 2 fois plus rapides? - 2 fois plus lentes? 10. Complétez la proposition suivante : La f.e.m. auto-induction e est. à la «vitesse» des variations de i. 11. Laquelle des relations suivantes exprime mathématiquement votre réponse à la question précédente? e = k.i Δi e = k. Δt (k étant une constante) Encadrez la relation exacte. Barrez l autre. 12. Le coefficient k de la relation précédente dépend uniquement des caractéristiques de la bobine (longueur, nombre de spires, surface d une spire). Comment s appelle-t-il? Quelle est son unité dans le S.I.? A retenir : La valeur de la f.e.m. d auto-induction dans un circuit d inductance L parcouru par un courant variable i est donnée par la relation : Δi e = L Δt unités S.I. e en V L en H i en A t en s 63

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