Classe de terminale STL : Fiche de PHYSIQUE N 9 PHYSIQUE ELECTROMAGNETISME Loi de Laplace + -

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1 Classe de terminale TL : iche de HUE 9 HUE ELECTROAGETE Loi de Laplace 1) Expérience a) Dispositif expérimental A'' K A' A + - A C'' C' C A''A' et C''C' : rails en cuivre immobiles et parallèles. AC : barre métallique posée sur les rails. b) Observation Conclusion Lorsqu'un courant traverse le circuit, la barre se met en mouvement. La valeur de l'intensité est la même que lorsqu'il n'y a pas de. Le sens de déplacement change si l'on inverse le sens du courant ou celui du champ magnétique. Conclusion : un conducteur traversé par un courant électrique et placé dans un champ magnétique, est soumis à une force. ) Loi de Laplace (rançais ) Loi de Laplace : un conducteur rectiligne de longueur l, parcouru par un courant d'intensité, placé dans un champ magnétique est soumis à une force : =. L ^ est orienté comme le courant Caractéristiques : obtenues par celles du produit vectoriel. direction de : perpendiculaire au plan défini par et sens de : règle des 3 doigts de la main droite intensité : UU =. UU L.^U x sin ( L, ) U si L et sont parallèle, sin ( L, si L et sont perpendiculaires, sin ( L, )= 0 et = 0 )= 1 et = UU L point d'application : au milieu de la portion de conducteur placée dans le champ magnétique. 2) Application main droite a) Le moteur électrique Les fils diamétralement opposés sont associés deux à deux. Chaque couple de ces fils équivaut à une sorte de cadre rectangulaire. Un fil est parcouru par un courant de même intensité que son opposé mais de sens contraire. L'ensemble des deux fils exerce un couple de force qui fait tourner le rotor et donc son axe. Ce sont des forces électromagnétiques qui font tourner l'axe du moteur électrique. Le moteur électrique permet la conversion de travail électrique en énergie mécanique.

2 b) Le haut-parleur Le haut-parleur est constitué d'un aimant dont le pôle nord est au centre et le pôle sud sur les côtés. Le champ magnétique créé dans l'entrefer est radial. Une bobine de diamètre D est placée dans l'entrefer. Elle est solidaire de la membrane du haut-parleur. = L avec L = 2 π R On constate que est proportionnelle à. De plus son sens dépend de celui du courant. Ainsi la bobine, et donc la membrane qui lui est liée, est abaissée ou soulevée et plus ou moins en fonction du courant. i le courant est périodique, le mouvement de la membrane le sera aussi et provoquera une vibration de l'air alentour.

3 Exercice 1 Un conducteur, parcouru par un courant d'intensité est placé dans un champ magnétique uniforme. 1- Dans chacun des cas suivants, représenter la force électromagnétique qui s'exerce sur le conducteur et calculer l'intensité de cette force. Données : = 1 A ; = 10 cm ; = 10 4 T 2- Le conducteur est maintenant un solénoïde comportant n spires par mètre. On néglige l'influence du champ magnétique terrestre. Représenter le vecteur au centre du solénoïde. ndiquer la face sud du solénoïde. Exercice 2 45 Deux tiges de cuivre R et T constituent deux rails conducteurs horizontaux sur lesquels peut se déplacer une barre cylindrique qui ferme le circuit. Un aimant en U crée un champ magnétique. T 1- Le générateur a une f.e.m. de 6 V et la résistance totale du circuit est 2 Ω. R uelle est la valeur de l'intensité du courant qui traverse le circuit? 2- uelle est la particularité du champ magnétique entre les deux branches de l'aimant? Donner la direction et les sens du vecteur champ magnétique entre les branches de l'aimant. 3- La valeur du champ magnétique est = 0,05 T. La longueur est de 10 cm. On suppose que la barre est soumise sur toute sa longueur au champ magnétique. Donner les caractéristiques de la force électromagnétique agissant sur la barre. 4- On intervertit les pôles de l'aimant. ue se passe-t-il? Exercice 3 Deux rails métalliques, parallèles, horizontaux ' et ', distants de 20 cm, sont reliés à un générateur de courant continu de f.e.m. E = 4 V et de résistance interne r. ur ces deux rails une tige métallique peut glisser sans frottement en restant perpendiculaire aux rails. Le circuit est parcouru par un courant d'intensité = 0,5 A et sa résistance équivalente a pour valeur R = 6 Ω. L'ensemble est plongé dans un champ magnétique uniforme, d'intensité = 0,5 T, perpendiculaire au plan des rails. 1- ndiquer le sens du courant. 2- Déterminer la valeur de la résistance interne du générateur. 3- Déterminer les caractéristiques de la force exercée sur la tige. La représenter. Exercice 4 Deux rails métalliques, parallèles, horizontaux AA' et CC', distants de 10 cm, sont reliés à un générateur de courant continu de f.e.m. E et de résistance interne r = 1Ω. ur ces deux rails une tige métallique peut glisser sans frottement en restant perpendiculaire aux rails. Le circuit est parcouru par un courant d'intensité = 0,5 A. A C A' C' La résistance équivalente au circuit extérieur au générateur est constante et vaut R = 11 Ω. Lorsque l'ensemble est plongé dans un champ magnétique uniforme, d'intensité = 0,5 T, perpendiculaire au plan des rails, la tige se déplace vers la droite du schéma. 1- ndiquer le sens du courant circulant dans la tige. 2- Déterminer la valeur de la f.e.m. du générateur. 3- Déterminer les caractéristiques de la force exercée sur la tige. La représenter. 4- Déterminer le sens du champ magnétique. Le représenter sur le schéma.

4 Exercice 5 Un cadre vertical carré, de côté a = 10 cm, est constitué d'un enroulement comportant = 1000 spires. a moitié inférieure est plongée dans un champ magnétique uniforme d'intensité 0,4 T perpendiculaire au plan du cadre. Ce cadre est parcouru par un courant d'intensité constante = 2 A délivré par un générateur de f.e.m. E = 12 V et de résistance interne r = 2 Ω. 1- uel doit être le sens de afin que le côté du cadre soit soumis à une force dirigée vers le bas? Expliquer. 2- our chaque côté du cadre exprimer, calculer, puis représenter à l'échelle la force électromagnétique qui s'y exerce. 3- Le cadre se comporte comme un conducteur ohmique de résistance R. aire un schéma du circuit électrique équivalent, puis calculer R. Exercice 6 Un cadre carré, de côté a = 5,0 cm, comportant = 100 tours d'un fil conducteur est suspendu à un dynamomètre. a moitié inférieure est plongée dans un champ magnétique uniforme dont les lignes de champ, horizontales, sont perpendiculaires au plan du cadre et orientées selon la figure ci-contre. Lorsqu'il ne passe aucun courant dans le cadre, le dynamomètre indique 2,5. Lorsqu'il passe un courant d'intensité = 0,5 A, le dynamomètre indique 3,0. 1- Représenter clairement le sens du courant dans le cadre, ainsi que les forces de nature électromagnétique qui s'exercent sur chaque côté du cadre. ue peuton dire de l'action des forces qui s'exercent sur les côtés verticaux? 2- uelle est l'intensité du champ magnétique agissant sur la partie inférieure du cadre? 3- uelle serait l'indication du dynamomètre si le cadre était totalement plongé dans le champ magnétique? Exercice 7 Un cadre vertical carré, de côté a = 5 cm, est constitué d'un enroulement comportant = 100 spires. La masse de ce cadre est m = 100 g. l est parcouru par un courant d'intensité = 2 A. a moitié inférieure est soumise à l'action d'un champ magnétique uniforme d'intensité 0,4 T. Le cadre est suspendu par un fil vertical. 1- Déterminer le point d'application, l'intensité et le sens de la force s'exerçant sur chaque côté du cadre. 2- uelle est la tension du fil?

5 Exercice 1 45 = xlxxsin(l,) = xlxxsin(l,) = xlxxsin(l,) = xlxxsin(l,) = 1x0,10x10-4 xsin(90) = 1x0,10x10-4 xsin(0) = 1x0,10x10-4 xsin(90) = 1x0,10x10-4 xsin(45) = 10-5 = 0 = 10-5 = 7, Exercice 2 1- Le générateur est en court-circuit. U = E r = 0 donc = E r = 6 2 = 3 A. 2- Le champ magnétique est orienté du pôle nord vers le pôle sud, il est uniforme. 3- La tige est un conducteur de longueur traversé par un courant d'intensité et soumis à un champ magnétique, elle subit de ce fait une force de Laplace d'expression : = ^. Cette force a les caractéristiques suivantes : direction : perpendiculaire au plan formé par et sens : tel que le trièdre (,, ) soit direct intensité : = sin(, ) = sin(90 ) = A : : = 3 0,1 0,05 = 0,015 point d'application : milieu du segment. 4- La barre se déplace dans l autre sens. Exercice 3 1- Le courant va de la borne positive à la borne négative à l'extérieur du générateur. 2- Considérons le circuit équivalent ci-contre : Appliquons les lois : de fonctionnement du générateur : U = E r d'ohm aux bornes du circuit : U = R d'où E r = R, puis r = E R A : : r = 2 Ω et finalement : r = E R R 3- La tige est un conducteur de longueur traversé par un courant d'intensité et soumis à un champ magnétique, elle subit de ce fait une force de Laplace d'expression : = ^. Cette force a les caractéristiques suivantes : direction : perpendiculaire au plan formé par et sens : tel que le trièdre (,, ) soit direct intensité : = sin(, ) = sin(90 ) = A : : = 0,5 0,2 0,5 = 0,05 Représentation : le point d'application est au milieu du segment Exercice 4 A A 1- Le courant va de la borne positive à la borne négative à l'extérieur du générateur. 2- Considérons le circuit équivalent ci-contre : Appliquons les lois : de fonctionnement du générateur : U AC = E r d'ohm aux bornes du circuit : U AC = R d'où E r = R, et finalement : E =(R + r) A : E = 6 V C C 3- La tige est un conducteur de longueur traversé par un courant d'intensité et soumis à un champ magnétique, elle subit de ce fait une force de Laplace d'expression : = ^. Cette force a les A caractéristiques suivantes : direction : perpendiculaire au plan formé par et, donc dans le plan des rails et perpendiculaire R à la tige sens : donné par l'énoncé C intensité : = sin(, ) = sin(90 ) = A : : = 0,5 0,1 0,5 = 2, Représentation : le point d'application est au milieu du segment 4- Le sens de la force est tel que le trièdre (,, ) est direct ; ceci permet de trouver le sens de (voir schéma).

6 Exercice 5 1- Un fil conducteur de longueur L traversé par un courant d'intensité et soumis à un champ magnétique subit une force de Laplace telle que : = l ^. Le côté Z subit donc la force 1 = Z ^. Connaissant les sens de et de Z, grâce à la règle des 3 doigts de la main droite, on en déduit le sens de (voir schéma). 2- our le côté Z, on a déjà établi : 1 = Z ^, d'où 1 =..a..sin( Z, ) A : 1 = ,1.0,4.1 = 80 ;le point d'application est le milieu de Z. W 2 Z 4 our le côté ZW : 2 = ZW ^, d'où 2 =.. a..sin( ZW, ) A : : 2 2 = ,1 Echelle : 1 cm 20.0,4.1 = 40 ; le point d'application est 2 au milieu de la portion de ZW soumise à. our le côté W : 3 = W^ et comme = 0, alors 1 = 0 our le côté : 4 = ½^, d'où 4 =.. a..sin(, ) A : : 2 4 = ,1/2.0,4.1 = 40 ; le point d'application est au milieu de la portion de soumise. E, r 3- Loi de fonctionnement du générateur : U = E r Loi d'ohm aux bornes du cadre : U W = R Comme U = U W : E r = R., alors R = E 12 r A : : R = 2 2 = 4 Ω W R Exercice 6 1- Les forces se compensent, elles ont même direction, même intensité mais de sens contraire. 2- = xlx = xl = 0,5 orce magnétique = 20 T4 0,5x0,05 ens du courant 3- Les forces se compensent, elles ont même direction même intensité mais de sens contraire donc le cadre ne bouge pas. Le dynamomètre indiquera 2,5. 1 Exercice 7 1- Un conducteur de longueur l traversé par un courant d'intensité et soumis à un champ magnétique, elle subit de ce fait une force de Laplace d'expression : = l ^. Cette force a les caractéristiques suivantes : direction : perpendiculaire au plan formé par l et, donc dans le plan du cadre et perpendiculaire au conducteur sens : donné par la règle des trois doigts de la main droite intensité : = l sin( l, ) = l sin(90 ) = l point d application : milieu de la partie du conducteur soumise au champ magnétique Côté : = 0, alors = 0 : pas de force Côté : point d application : milieu de la moitié inférieure (celle qui est dans le champ)intensité : 1 = l 2 A : 1 = 2 Côté : point d application : milieu du côté intensité : 2 = l A : 2 = 4 Côté : point d application : milieu de la moitié inférieure (celle qui est dans le champ)intensité : 3 = l 2 A : 3 = 2 2- orces exercées : oids : = m g A : = 1 1 et 3 qui s opposent et s annulent, 2 qui a le même sens que La tension T qui s oppose donc à et à 2 alors : T = + 2 A : T = 5