Electricité et magnétisme

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1 Le champ magnétique Activité 1 a) O α S N s G n b) Bobine O s G n α I Document 1 Une petite aiguille aimantée suspendue par son centre de gravité G à un fil sans torsion est placée au voisinage d un aimant (figure a) ou d une longue bobine parcourue par un courant électrique I (figure b). 1. Qu observe-t-on dans les deux cas? 2. Quel est le pôle de la petite aiguille aimantée qui est attiré par le pôle nord N de l aimant? Qui est repoussé par le pôle N de l aimant? Pourquoi, dans la position d équilibre de la petite aiguille aimantée, la force d attraction est-elle supérieure à la force de répulsion? 3. Pour interpréter les actions mécaniques que l aimant et la bobine parcourue par un courant exercent à distance sur la petite aiguille aimantée, on dit qu ils créent un champ dans leur voisinage. Quel est le nom de ce champ? 4. En l absence de l aimant, ou si l on coupe le courant qui traverse la bobine, qu observe-t-on? Une réponse précise est exigée. 60

2 5. Peut-on dire que l espace environnant la Terre est un espace champ magnétique? 6. A l aide de quel instrument vérifie-t-on l existence du champ magnétique terrestre? 7. Quelles sont les sources de champ magnétique? Document 2 : Photo d une boussole 8. Comment s oriente l aiguille d une boussole soumise uniquement au champ magnétique terrestre? Qu appelle-t-on la déclinaison magnétique terrestre? Cette grandeur est-elle constante? De quels paramètres dépend-elle? (Consulter un dictionnaire ou une encyclopédie.) Dans quels domaines de l activité humaine est-il très important de connaître la valeur de la déclinaison magnétique au lieu où l on se situe. Document 3 : Spectre magnétique de l aimant droit 9. A l extérieur de l aimant droit, les lignes de champ sont orientées conventionnellement. Quelle est la convention d orientation? 10. Complétez le schéma en précisant la position d équilibre prise par une petite aiguille aimantée respectivement placée aux points A, B, et C du champ magnétique du barreau aimanté. 11. Comment peut-on visualiser un champ magnétique? 12. Quelles sont les caractéristiques du champ magnétique en un point de l espace? 13. Est-ce que l intensité du champ magnétique est la même en tous points? 14. La position prise par l aiguille peut-elle nous indiquer cette intensité? 61

3 Mots clés Mots clés Champ magnétique : Pôles d un aimant : Lignes de champ d un aimant : on appelle champ magnétique toute région de l espace dans laquelle une aiguille aimantée est soumise à des forces magnétiques et, par suite, adopte une position d équilibre bien précise. ils sont appelés conventionnellement Nord et Sud. à l extérieur de l aimant, elles sont orientées conventionnellement du pôle Nord vers le pôle Sud. Résumé de cours Résumé de cours Les aimants et les circuits parcourus par un courant sont des sources de champ magnétique. Le voisinage de la Terre est un champ magnétique. En chacun de ses points, le champ magnétique est caractérisé par sa direction, son sens et sa valeur. La direction et le sens peuvent être déterminés à l aide d une petite aiguille aimantée. 62

4 Le champ magnétique d un courant Activité 2 a) + - A Rh b) A B + - A Rh I A B Document 1 : L expérience d Oersted (1819) 63

5 Plaçons une aiguille aimantée au voisinage immédiat d un conducteur rectiligne AB. Le fil est en cuivre, métal non magnétique, il est placé parallèlement à l aiguille aimantée. 1. Comment l aiguille aimantée s oriente-t-elle dans le premier cas (a)? Quelle est la cause de cette orientation? 2. Dans le deuxième cas (b) l aiguille dévie, pourquoi? Vers quelle position limite tendrait l aiguille si l intensité I du courant pouvait devenir très grande? 3. Si l on inverse le sens du courant, que fait l aiguille aimantée? I I P P I P a) conducteur rectiligne b) conducteur circulaire c) bobine longue (vue de dessus) Document 2 : Différents conducteurs 4. Dessinez dans le plan P quelques lignes du spectre magnétique dans les trois cas a, b et c. Orientez ces lignes. 5. Dans quel cas le champ magnétique est-il uniforme? 6. Comparez le spectre magnétique du solénoïde à celui d un aimant droit. 7. Peut-on déterminer une extrémité nord N et une extrémité sud S dans le cas d un solénoïde parcouru par un courant? 8. Dans quel sens voit-on tourner le courant quand on se place face à l extrémité S? face à l extrémité N? 64

6 Mots clés Mots clés Lignes de champ : Spectre magnétique : Champ magnétique uniforme : Solénoïde : Règle de la main droite : on appelle ligne de champ une ligne tangente en chacun de ses points à une petite aiguille aimantée placée en ce point. Par convention, la ligne de champ est orientée du pôle sud vers le pôle nord de la petite aiguille aimantée. un spectre magnétique est un ensemble de lignes de champ. les lignes de champ sont rectilignes et parallèles. bobine longue dont la longeur est très supérieure au diamètre de base. A l intérieur d un solénoïde, le champ magnétique est pratiquement uniforme. 1. appliquée à un conducteur rectiligne : Le pouce tendu indique le sens du courant et les doigts pliés indiquent le sens du champ magnétique. 2. appliquée à une bobine ou à un solénoïde : Les doigts pliés indiquent le sens du courant et le pouce tendu indique le sens du champ magnétique. 65

7 La force électromagnétique Activité 3 B B B A A A I = O I I B F B B A A Champ magnétique A a) b) c) B B A A I I B F B F A A d) e) Document 1 : Rappel de la loi Le dispositif expérimental est constitué par une barre conductrice AB suspendue par deux fils conducteurs souples aux points fixes A et B. Le champ magnétique vertical est produit par un dispositif non représenté. 1. A quelles conditions une force électromagnétique agit-elle sur la barre AB? 2. Comparez la direction de cette force à celle du champ magnétique. 66

8 3. Comparez la direction de cette force à celle de la barre AB. 4. Quels sont les expériences qui montrent : a) que le sens de la force dépend du sens du courant? b) que le sens de la force dépend du sens du champ magnétique? 5. Enoncez la règle de la main droite. Vérifiez que les schémas c, d et e sont en accord avec cette règle. a) Tige (ou règle) en matière plastique électrisée par frottement b) pendule électrostatique N S clou en acier Document 2 : Expérience 6. Réalisez les expériences a et b. Qu observez-vous? 7. Quelles sont les analogies entre les deux phénomènes observés? 8. Quelles sont les différences entre les deux phénomènes observés? 9. Le champ créé par l aimant est un champ magnétique. Le champ créé par la tige électrisée est-il aussi un champ magnétique? 67

9 A + Champ magnétique uniforme - B Document 3 : Vue de dessus du schéma expérimental Deux conducteurs rectilignes parallèles sont placés dans un champ magnétique uniforme, dont le sens est indiqué sur le schéma (L aimant en U qui crée ce champ n est pas représenté). On met une barre conductrice transversale AB très légère sur ces deux conducteurs. 10. Quels sont la direction et le sens du champ magnétique? 11. Quel est le sens du courant dans la barre AB : de A vers B ou de B vers A? 12. Quels sont la direction et le sens de la force électromagnétique qui s exerce sur la barre AB? S I F N a) S F N b) S N c) F Document 4 : Schémas (S et N sont les pôles d un aimant en U, non représenté dans sa totalité.) 13. Lesquels de ces 3 schémas sont : - Faux? - Exacts? 68

10 Mots clés Mots clés Force électromagnétique : force qui s exerce sur un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique. Résumé de cours Résumé de cours La règle de la main droite : I F Champ magnétique 69

11 Induction électromagnétique Activité 4 Expérience 1 Protocole de l expérience : Plaçons un aimant immobile devant l une des faces d une bobine suspendue à un ressort et observons sur un oscilloscope les variations de la tension entre les bornes de la bobine quand cette dernière oscille verticalement. Document 1 1. Faites le schéma de l expérience en remplaçant l oscilloscope par un galvanomètre. 2. Pourquoi une tension apparaît-elle aux bornes de la bobine quand cette dernière oscille? 3. Pourquoi cette tension change-t-elle périodiquement de signe, donc de sens? 4. Pour quelles positions de la bobine en cours d oscillations, la tension indiquée par l oscilloscope passe-t-elle par la valeur zéro? 5. Soient les deux affirmations suivantes : Pour observer un phénomène d induction électromagnétique, il suffit de mettre une bobine dans un champ magnétique. On observe un phénomène d induction magnétique lorsque la «quantité de champ magnétique» qui traverse une bobine varie. 70

12 Barrez l affirmation fausse ; soulignez l affirmation exacte. 6. Comment peut-on augmenter ou diminuer l intensité du courant induit dans un circuit électrique fermé? Expérience 2 Protocole de l expérience : Une petite bobine circulaire de bornes A et B est reliée à un milliampèremètre non représenté. Afin de simplifier le schéma, seules deux spires ont été représentées. La bobine est placée dans un plan horizontal, puis introduite dans l entrefer d un aimant en «U», depuis la position I jusqu à la position III. Document 2 7. Représentez les lignes de champ de l aimant. Dans quelle partie comprise entre les deux branches de l aimant le champ magnétique est-il uniforme et possède-t-il la plus grande valeur? 8. Lorsque la bobine est déplacée des positions I à II, est-elle parcourue par un courant induit? Même question lorsque la bobine est déplacée de la position II à la position III. 71

13 Expérience 3 Protocole de l expérience : 9. En regardant l extrémité de la bobine opposée à l aimant, déterminez pour chaque schéma : - Le sens du courant induit (sens des aiguilles d une montre ou sens contraire) ; - Les noms respectifs (Nord ou Sud) des faces droite et gauche de la bobine. 10. Repérez les cas où l on obtient le même sens du courant induit. 11. Expliquez pourquoi, bien qu il s agit de cas différents, le sens du courant induit est le même. 72

14 Mots clés Mots clés Phénomène d induction : phénomène qui apparaît dans un circuit électrique (ouvert ou fermé) quand la «quantité de champ magnétique» qui le traverse varie. Ce phénomène se manifeste : - par l apparition d une tension induite aux bornes du circuit, si ce dernier est ouvert ; - par l apparition d un courant induit dans le circuit, si ce dernier est fermé. Résumé de cours Résumé de cours Soit un circuit electrique fermé placé dans un espace champ magnétique. La «quantité de champ magnétique» qui le traverse peut varier pour différentes raisons : - Le circuit se déplace dans le champ magnétique fixe (c est le cas de la bobine d un circuit qui s éloigne ou se rapproche d un aimant) ; - Le circuit est fixe, mais le champ magnétique qui le traverse est variable (c est le cas du circuit fixe dont la bobine est soumise à l action d un aimant qui s en approche ou s en éloigne). Lorsque la «quantité de champ magnétique» qui le traverse varie, il est parcouru par un courant électrique induit : dont l intensité dépend de la rapidité de la variation ; dont le sens est tel qu il s oppose à la cause (ou à la variation) qui lui donne naissance. 73

15 Activité 5 Le courant alternatif Grandeurs caractéristiques Figure 1 Un dispositif électronique associé à un ordinateur relève point par point la tension électrique entre les deux bornes de sortie d un générateur de «tension alternative sinusoïdale» (document 1 figure 1). La courbe qui indique les variations de cette tension u en fonction de la date t apparaît sur l écran de l ordinateur (document 1 figure 2) Figure 2 Document 1 1. La tension u observée est-elle une tension «continue»? A-t-elle toujours le même signe? A quoi correspond, pour les deux bornes du générateur, un changement de signe de u? 74

16 2. Comparez les valeurs de la tension u : - aux dates : 0 s ; 1 s ; 2 s ; 3 s et 4 s - aux dates : 0,5 s ; 2,5 s et 4,5 s - aux dates : 0,5 s et 2,5 s 3. Comparez les parties de la courbe comprises respectivement entre les dates 0 s et 2 s et entre les dates 2 s et 4 s. Est-ce que ces parties sont identiques par translation? 4. Déterminez la période de la tension alternative observée. 5. Calculez la fréquence de cette tension alternative. Expérience Protocole de l expérience : Montage expérimental : le circuit comporte un générateur alternatif, qui délivre une tension alternative sinusoïdale de valeur maximale U m réglable, et une lampe. Un voltmètre et un oscilloscope sont montés en dérivation aux bornes de la lampe (document 2). Pour diverses valeurs de U m, on relève la valeur de la tension (notée U eff ) indiquée par le voltmètre. (Le sélecteur de ce dernier doit être mis sur la position «tension alternative.») Document 2 Mesures : Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau ci-dessous : U m (v) U eff (v) 8,7 7,0 5,7 4,3 2,8 U m U eff 6. Complétez le tableau. 7. Calculez la moyenne des rapports et comparez à 1, Ecrivez la relation entre U m et U eff 75

17 9. Quelle est la valeur efficace de la tension du secteur? Déduisez-en sa valeur maximale. L appareil schématisé comporte deux positions sélectionnées par le commutateur C s. En position «été», un ventilateur M de puissance 1,5 kw est parcouru par un courant d intensité efficace 5,5 A. En position «hiver», l un des radiateurs R 1, R 2 et R 3, de puissances respectives 1 kw, 2 kw et 3 kw, est selectionné grâce au commutateur C R. Interrupteur général été C s hiver C R Fusible M 230V R 1 R 2 R 3 Document Quelle est l intensité efficace du courant qui parcourt chaque radiateur lorsqu il est séléctionné en hiver? 11. Quelle valeur minimale faut-il choisir pour le fusible? 12. Lorsqu il gèle, le radiateur R 3 fonctionne en permanence. Quelle énergie électrique transforme-t-il pendant une durée de 24 heures? 13. Quelle dépense cela représente-t-il si le kwh est facturé 0,11 levas? 76

18 Mots clés Mots clés Courant alternatif : un courant est alternatif s il change de sens périodiquement. Période : Fréquence : durée au bout de laquelle un événement se reproduit égal à lui-même. C est la plus petite durée d une tension alternative au bout de laquelle elle retrouve la même variation. Elle se note (T) et elle est exprimée en secondes (s). exprimée en hertz (Hz), c est l inverse de la période d un phénomène périodique. Sa valeur correspond au nombre de périodes contenues dans une durée d une seconde. T = 1 / f et f = 1 / T Intensité efficace : l intensité efficace I eff d un courant alternatif est égale à l intensité I d un courant continu qui, passant dans le même conducteur, y produirait durant chaque période le même dégagement de chaleur par effet Joule. L énergie calorifique produite dans un conducteur par effet Joule est proportionnelle au temps t de passage du courant et au carré de l intensité I de ce courant. Q = I 2 R t Tension efficace : une tension alternative de valeur efficace U eff et une tension continue de valeur égale produisent le même éclat pour une lampe donnée. 77

19 Les transformateurs Activité 6 Document 1 : Symboles d un transformateur Document 2 Document 3 78 Electricité et magnetisme

20 Expérience 1 Protocole de l expérience : Le montage est réalisé avec N 1 = 1000 spires au primaire, N 2 = 500 spires au secondaire et une lampe 3 V. 1. Notez les valeurs des tensions efficaces U 1 et U 2 au primaire et au secondaire. Protocole de l expérience : Expérience 2 Permutez les deux bobines du transformateur et installez une lampe 12 V. 2. Notez les nouvelles valeurs des tensions efficaces U 1 et U 2 au primaire et au secondaire. 3. Complétez le tableau suivant : Expérience 1 Expérience 2 N 1 = U 1 = N 1 = U 1 = N 2 = U 2 = N 2 = U 2 = 4. Calculez les rapports : K = U U 1 2 ; U U ' 2 K = et 1 N 1 K 1 = ; N2 K = ' 1 N N Comparez K et K 1 ; K et K 1 6. Ecrivez la conclusion Expérience 3 Protocole de l expérience : Le rapport de transformation d un transformateur est K = 2. Ce transformateur possède 1000 spires au primaire et est alimenté par un générateur alternatif 6 V. 7. Calculez le nombre de spires aux bornes du secondaire. 8. Calculez la tension disponible aux bornes du secondaire. 9. Ce transformateur fonctionne-t-il en élévateur ou en abaisseur de tension? 79 Electricité et magnetisme

21 Expérience 4 Protocole de l expérience : Un transformateur alimenté sous la tension alternative de 24 V possède spires au primaire. 10. Complétez le tableau suivant : U eff aux bornes du secondaire (V) Nombre de spires au secondaire Rapport de transformation , ,25 Document 4 : Le transport de l énergie électrique - Montage expérimental 11. Quelles sont les valeurs : de la tension délivrée par le générateur G? de la tension d utilisation de la lampe L? 12. Quelle est la méthode utilisée sur le montage expérimental pour simuler la ligne qui transporte l énergie électrique du générateur G à la lampe L. Quelle est la résistance de cette ligne? 13. Les deux transformateurs du montage ont-ils le même mode de fonctionnement? Calculez le rapport de transformation de chacun d eux. 14. Pourquoi y a-t-il intérêt à transporter l énergie électrique sous la tension de 220 V plutôt que sous la tension de 6 V? 80 Electricité et magnetisme

22 Résumé de cours Résumé de cours Un transformateur est caractérisé par son rapport de transformation : N N 1 K = = 2 U U 1 2 Un transformateur abaisseur de tension comporte moins de spires au secondaire qu au primaire, c est le contraire pour un transformateur élévateur de tension. Un transformateur ne fonctionne qu en courant alternatif. Les pertes de puissance par effet joule dans les lignes sont réduites à quelques pour cent de la puissance transportée si l on élève beaucoup la tension pour réduire l intensité responsable de l effet joule. 81 Electricité et magnetisme