Première S Chapitre 10. Le magnétisme. I. Le champ magnétique. 1. L effet d un champ magnétique. 2. Aimant et champ magnétique.

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1 Première S Chapitre 10 Le magnétisme.. Le champ magnétique. 1. L effet d un champ magnétique. Dans certaines circonstances, une aiguille aimantée s oriente comme soumise à un couple. On dit alors que dans cette région il règne un champ magnétique noté. Par convention, le sens de est celui qu indique le pôle nord de l aiguille aimantée. S Remarque : On appelle «champ» une grandeur physique, fonction des coordonnées de position d un point de l espace, utilisée pour décrire localement les propriétés de la matière ou pour interpréter les phénomènes qui s y produisent. On parle ainsi de «champ de pression» (exemple des cartes météorologique). 2. Aimant et champ magnétique. Visualisons aimant aiguilles Aimant poudre de fer (spectre) Animation Le spectre magnétique de l aimant est représenté ici par six lignes de champ. Chaque ligne est tangente en tout point au vecteur champ magnétique (comme le montrent les aiguilles aimantées) et se referme sur ellemême. L intensité du champ magnétique diminue quand on s en éloigne de l aimant. Vecteur champ magnétique Le champ magnétique a les propriétés mathématiques d un vecteur : une direction : celle prise par l aiguille aimantée / tangente à la ligne de champ un sens : celui qu indique le pôle nord de l aiguille aimantée (du sud vers le nord de l aiguille) une valeur (mesurée par une sonde spécifique : un teslamètre) en Tesla. Aimant en U Le champ magnétique dans l entrefer d un aimant en U est uniforme. S 3. Le champ magnétique terrestre. Le champ magnétique terrestre (ou champ géomagnétique) ressemble à celui produit par un aimant droit (un barreau aimanté). Le pôle ord magnétique terrestre est en réalité un pôle de magnétisme «sud» qui attire le pôle «nord» de l'aimant que constitue l'aiguille de la boussole. Cette erreur historique d'appellation conventionnelle des pôles de magnétisme nord sera difficile à rectifier ; noter sur la figure que le pôle de magnétisme nord de l'«aimant terrestre» pointe vers le sud géographique. L'axe géomagnétique, passant par les deux pôles magnétiques, fait un angle de 11,5 par rapport à l'axe de rotation de la Terre et de ce fait, le pôle nord magnétique (m) est à environ 1000 km du pôle nord géographique (g), en direction du Canada. Le pôle Sud magnétique, quant à lui, se trouve au large de la Terre Adélie, dans la mer d'urville, à 65 S et 138 E. Le champ magnétique est provoqué par les mouvements turbulents de liquides conducteurs à l'intérieur de la Terre.

2 La valeur de l'induction magnétique est exprimée en Tesla. Actuellement, elle est de l'ordre de 47 µt au centre de la France 4. Superposition de deux champs magnétiques (addition vectorielle) Le champ magnétique résultant en un point est égal à la somme vectorielle des champs en ce point r r B Exemples = i B i. Comment créer un champ magnétique? 1. Expérience d Oersted. Expérience 1 G G Le fil est parallèle à la boussole. Lorsque le courant passe, la boussole dévie. Le champ magnétique total est donné par la boussole. Cela prouve que l on a créé un champ magnétique en faisant passer un courant dans le fil. Ce champ est perpendiculaire au fil. G Bcréé Btotal Bterre Fil avec intensité entrante Vu de dessus vu de la borne positive Film d animation «pile/pole «de EDF Un fil conducteur parcouru par un courant crée un champ magnétique.

3 2. Champ magnétique créé par un courant rectiligne. En l absence de milieux magnétiques, la valeur B du champ magnétique est proportionnelle à l intensité du courant : B = k. avec k une constante qui dépend de la géométrie du courant, de son intensité ainsi que du point de mesure. Topographie du champ crée par un courant rectiligne Comment trouver le sens du champ magnétique? Le courant sort du pouce de la main droite, paume vers le fil. Les doigts donnent le sens de B, sortant des ongles. 3. Champ magnétique créé par un solénoïde. Topographie du champ crée par un solénoïde S Comment trouver le sens du champ magnétique? les doigts dans le sens du courant. Le pouce donne le sens de O P axe de la spire

4 Le champ magnétique résultant au point P est porté par l axe. Son sens est donné, en pratique, par la règle de la main droite. Solénoïde Le solénoïde est une bobine très serrée de grande longueur. l y a n spires par mètre, parcourues par courant (équivalent à une nappe de courant cylindrique). S Le champ magnétique dans un solénoïde est uniforme et de valeur B = µ 0. n. 7 Avec µo= 4.π. 10 et n = /L ou est le nombre de spires et L la longueur en mètre.. Les forces électromagnétiques. 1. Mise en évidence. Le rail de Laplace. 2. Définition. Loi de Laplace Un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique est soumis à une force électromagnétique (appelée force de Laplace). Force de Laplace Pour un champ magnétique uniforme et un courant orienté dans le sens du vecteur r l, la force de Laplace a les caractéristiques suivantes : direction : orthogonale au plan formé par le conducteur et le vecteur sens : le trièdre ( r l,, S ) est direct valeur : F =.l.b.sin ( r l, ) Trièdre direct et trièdre indirect r l trièdre ( l r,, ) direct, B, F comme «ich bin fol» main droite r l V. Couplage électromécanique 1. Conversion énergie électrique en énergie mécanique

5 Le hautparleur. Le hautparleur est composé d un aimant nord et d un aimant sud, d une bobine de fil conducteur placée autour du pôle nord, d un cône solidaire de la bobine et relié par des ressorts à un boîtier cubique. L ensemble côneressort forme la membrane. Deux douilles de raccordements permettent le branchement électrique à un générateur de courant continu, ou générateur de basses fréquences (G.B.F.). Lorsqu on alimente le hautparleur à l aide d un G.B.F. (mode sinusoïdal) réglé à une fréquence comprise entre 50 et 100 Hz, on observe le déplacement alternatif de la partie centrale du hautparleur. Le hautparleur émet un son lorsque sa membrane vibre. Le moteur. Stator Le stator est un aimant formé de deux pièces polaires S S Rotor Le rotor est un cylindre qui peut tourner autour de son axe. l porte sur sa surface latérale, logés dans des encoches, un grand nombre de conducteurs rectilignes. Champ magnétique radial La forme des pièces polaires et du rotor sont étudiés pour que, dans l'entrefer, il règne un champ magnétique radial : le vecteur est dirigé suivant un rayon du rotor. 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.

6 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. conversion de l énergie mécanique en énergie électrique. Réciprocité associée au mouvement d un circuit dans un champ magnétique : phénomène d induction S 1 Observations 2 1 : un courant apparaît quand on déplace un aimant devant un circuit fermé 2 : un courant apparaît quand on déplace un circuit fermé devant un aimant 2 et 3 : la même expérience. C est donc le mouvement relatif entre le circuit et l aimant qui compte 4 : le courant s annule quand le déplacement relatif du circuit et de l aimant cesse. 1 et 3 : le sens du courant dépend de l orientation du champ magnétique et de son sens relatif de déplacement Pour déplacer l'aimant ou le circuit il faut fournir du travail (mécanique). Le phénomène d'induction électromagnétique permet de convertir l'énergie mécanique en travail électrique. 3 4