Action d un champ magnétique sur un courant
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- Raymond Roux
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1 Action d un champ magnétique sur un courant A. Forces de Lorentz et de Laplace Les expériences menées pour déterminer l action d un champ magnétique sur des particules montrent que : - un champ magnétique n exerce aucune action sur les particules non chargées ; - un champ magnétique n exerce aucune action sur une particule chargée immobile par rapport au champ ; - qu un champ magnétique modifie la trajectoire de particules chargées en mouvement. L étude des trajectoires de particules chargées en présence de champs magnétiques conduit à l expression de la force de Lorentz. Une particule de charge q aminée d une vitesse v par rapport à un référentiel lié à un champ magnétique B subit une force : f=q v B Considérons un conducteur parcouru par un courant. Nous savons que ce courant a pour origine un mouvement d ensemble des charges mobiles dans ce conducteur. En présence d un champ magnétique ces charges en mouvement sont soumises à la force de Lorentz. La résultante macroscopique de ces forces agit sur le conducteur. Le conducteur est alors soumis à la force de Laplace. Pour évaluer cette force considérons des charges mobiles de type i. Nous notons n i le nombre de porteurs mobiles par unité de volume, q i leur charge et i leur vitesse moyenne. La somme des forces subies par les porteurs contenus dans un volume élémentaire dτ est donc : df i =n i dτ q i i B Or ρ i =n i q i représente la densité volumique de charges mobiles de type i et j i =ρ i i la densité de courant correspondante. Nous pouvons donc écrire : df i =j i dτ B En sommant sur les divers types de porteurs dans le conducteur considéré nous obtenons pour la force de Laplace : df=j B dτ Un élément de volume d un conducteur de section S et de longueur dl peut s écrire : dτ=s dl Ce qui nous donne en reportant dans l expression de la force de Laplace : df=j dτ B=j S dl B=i dl B S. Tisserant PHY11 : Electromagnétisme IX - 1
2 où i=j S représente l intensité. Ainsi un élément de longueur dl d un circuit filiforme parcouru par un courant d intensité i dans un champ magnétique B est soumis à une force : df=i dl B La résultante des forces magnétiques sur un circuit s obtient par une somme vectorielle sur l ensemble du circuit : f= i dl B circuit Selon la forme du conducteur ou la nature du champ magnétique, ce calcul direct peut être compliqué. C est pourquoi on utilise souvent un raisonnement basé sur un bilan énergétique. B. Travail des forces magnétiques B.1. Travail de la force de Lorentz Considérons tout d abord le travail de la force de Lorentz agissant sur une particule chargée. Pendant un intervalle de temps élémentaire dt la particule parcourt dr=v dt. Le travail de Lorentz pendant cet intervalle est donc : La force de Lorentz ne travaille pas. B.2. Travail de la force de Laplace d =f dr=q v B v dt=0 Considérons un élément de longueur dl d un circuit filiforme parcouru par un courant d intensité i dans un champ magnétique B. Fig. 1 : Déplacement élémentaire d un circuit filiforme. S. Tisserant PHY11 : Electromagnétisme IX - 2
3 Soit dr un déplacement élémentaire de cette portion de circuit, calculons le travail effectué par la force de Laplace : d 2 =df dr=i dl B dr=i B dr dl Or ds=dr dl représente la surface "balayée" par le vecteur dl dans le déplacement dr. Nous avons donc : d 2 =i B ds=i d 2 ϕ balayé L intégration le long du circuit permet d évaluer le travail de la force de Laplace s exerçant sur celui-ci : d=i dϕ balayé et pour un déplacement fini et une intensité constante : =i ϕ balayé =i dϕ balayé Ce résultat constitue le théorème de Maxwell : Le travail effectué par les forces magnétiques appliquées à un circuit parcouru par un courant d intensité constante est égal au produit de cette intensité par le flux balayé par le circuit au cours du déplacement. Attention à l orientation de la surface balayée. Fig. 2 : Orientation de la surface balayée. B.3. Circuit rigide dans un champ stationnaire Un circuit parcouru par un courant placé dans un champ magnétique est en fait soumis à deux champs : il faut en effet tenir compte du champ magnétique induit par le circuit lui-même. Si le circuit est indéformable ce champ induit suit le circuit dans son déplacement et le flux induit balayé est nul. Nous pouvons également dire que ce champ induit est à l origine de forces internes qui ne travaillent pas si le circuit ne se déforme pas. Pour un circuit indéformable il ne faut donc considérer que le champ extérieur dans l évaluation du flux balayé. Intéressons nous au déplacement fini d un circuit rigide dans un champ magnétique stationnaire (indépendant du temps). Considérons la surface constituée par le tube latéral S. Tisserant PHY11 : Electromagnétisme IX - 3
4 balayé dans le déplacement fermée par deux surfaces s appuyant sur les positions initiale et finale du circuit. Le champ magnétique étant un champ vectoriel à flux conservatif nous savons que le flux sortant de cette surface est nul. Le champ étant stationnaire ce flux est identique à tout instant sur toute la surface. Notons Φ 1 et Φ 2 les flux traversant le circuit respectivement dans ses positions initiale et finale, les surfaces étant orientées en cohérence avec l orientation du circuit. La figure 3 présente les orientations des trois surfaces à considérer pour des déplacements opposés. Il s agit d une figure de principe pour illustrer notre propos : le circuit rigide peut être de forme quelconque et le déplacement n est pas nécessairement limité à une translation. Fig. 3 : Orientations respectives des surfaces du circuit et balayée. Nous constatons que par rapport au volume fermé considéré, les deux surfaces s appuyant sur le circuit en positions initiale et finale sont d orientations opposées : l une est orientée vers l intérieur et l autre vers l extérieur. Nous observons d autre part que la surface balayée est orientée dans le même sens que la surface en position initiale. La figure 3 a été dessinée pour une orientation du circuit. L autre orientation conduit aux mêmes observations. Ainsi le flux sortant ou entrant de la surface fermée définie par le circuit et son déplacement conduit à un résultat indépendant des orientations : Φ 1 +ϕ balayé Φ 2 =0 ϕ balayé =Φ 2 Φ 1 Ce qui nous donne pour le travail des forces de Laplace agissant sur le circuit : =i Φ 2 Φ 1 =i ΔΦ Le travail produit par un circuit rigide parcouru par un courant d intensité constante se déplaçant dans un champ magnétique stationnaire est mesuré par le produit de la mesure de l intensité et de la mesure de la différence entre le flux final et le flux initial produit à travers le circuit par le champ magnétique extérieur. B.4. Energie d interaction d un circuit avec un champ magnétique Supposons qu il existe dans l espace un champ magnétique stationnaire de module nul à l infini. Considérons un circuit rigide parcouru par un courant d intensité constante. Pour amener ce circuit de l infini à une certaine position dans le champ magnétique il faut fournir un travail opposé à celui des forces de Laplace, soit : S. Tisserant PHY11 : Electromagnétisme IX - 4
5 W= i Φ où Φ représente le flux du champ magnétique extérieur traversant le circuit dans sa position finale. Dans un déplacement de ce circuit nous pouvons écrire pour le travail des forces de Laplace : =i Φ 2 Φ 1 =W 1 W 2 Le travail des forces de Laplace correspond à une diminution de W. Nous pouvons donc interpréter cette quantité comme une énergie potentielle. Il s agit de l énergie d interaction du circuit avec le champ magnétique extérieur. Elle ne prend pas en compte les énergies nécessaires pour faire circuler le courant et pour créer le champ magnétique. Dans le cas d une spire nous pouvons écrire pour le flux du champ magnétique : Φ=B S Ce qui nous donne pour l énergie d interaction en reconnaissant le moment magnétique de la spire : W= i B S= m B Un système physique évolue toujours de manière à minimiser son énergie potentielle. Ainsi un circuit placé dans un champ magnétique tend à se déplacer de manière que le flux qui le traverse soit maximal compte tenu des liaisons. Cela constitue la règle du flux maximal. B.5. Torseur des forces de Laplace Considérons un circuit rigide traversé par un courant d intensité constante placé dans un champ magnétique stationnaire. Nous pouvons utiliser le résultat précédent pour calculer les composantes R,C du torseur des forces de Laplace appliquées à ce circuit. Imaginons par exemple un déplacement infinitésimal dl nous avons pour le travail des forces de Laplace : d=r dl= dw=i dφ Dans un repère cartésien nous pouvons choisir ce déplacement parallèle à un des axes, par exemple Ox. Il vient alors : d=r dl=r x dx=i dφ R x =i Φ x Pour une rotation infinitésimale dα nous avons pour le travail des forces de Laplace : d=c dα= dw=i dφ Nous pouvons choisir l axe de rotation parallèle à un des axes, par exemple Ox. Il vient alors : S. Tisserant PHY11 : Electromagnétisme IX - 5
6 d=c dα=c x dα=i dφ C x =i Φ α Nous pouvons tenir les mêmes raisonnements dans les trois directions. Ce qui nous donne pour les composantes de la résultante et du couple : R R x =i Φ x R y =i Φ et y R z =i Φ z C C x =i Φ α C y =i Φ β C z =i Φ γ Dans le cas d un champ magnétique uniforme la résultante des forces de Laplace est nulle : B uniforme R=0 Dans le cas d une rotation infinitésimale nous pouvons également écrire : d=c dα=i db S La rotation modifie uniquement la surface, nous avons donc : dφ=b ds=b dα S=dα S B Ce qui nous donne : C dα=i dα S B Ce résultat doit être valable quelque soit la rotation. Nous avons donc pour le couple : C=i S B Nous reconnaissons le moment magnétique du circuit : C=m B Dans une translation la surface est inchangée, nous pouvons donc écrire : R R x=i S B x =m B x R y =i S B y =m B y R z =i S B z =m B z Ce qu on résume parfois par : R=m B S. Tisserant PHY11 : Electromagnétisme IX - 6
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