Transcription

1 Et voici un nouveau volet de la série des fiches de formation/théorie, je pense même être en mesure de dire que nous allons aborder ici un sujet énorme, qui implique beaucoup de choses, mais comme je suis un fervent admirateur du «faisons simple pour mieux comprendre», je vais m efforcer d aller dans ce sens, en commencant par un chouilla d histoire avec trois personnages bien connus de tous, les voici : Le premier est Newton, physicien, philosophe, mathématicien et astronome anglais ; qui ne connait pas l histoire de la pomme? C est en effet lui qui mis en place la théorie sur la gravitation. Le deuxième est bien entendu Einstein, avec ses théories, d abord celle de la relativité restreinte puis plus tard celle de la relativité générale. Le dernier personnage n est autre que Maxwell, qui proposa quatre équations unifiant l éléctricité et le magnétisme... et nous y voila. Mais pourquoi avoir parlé de Newton et d Einstein? Tout simplement du fait que j ai choisi une approche en même temps purement historique et tres actuelle, avec les travaux des ces scientifiques et de la théorie très en vogue des cordes. Nous avons donc en premier Newton qui donne sa théorie sur la gravité, et sans passer par les détails, plus tard avec Einstein et sa théorie de la relativité, vient un gros soucis entre leur théories et la vitesse de la lumière. La théorie de Newton suggère que la masse d un corps céléste exercant sa gravité sur un corps plus petit et proche doit subitement disparaitre si le plus gros des corps vient à subitement disparaitre, et modifiera donc instatanément l orbite de ce corps ; Einstein n est pas d accord et prouvera plus tard qu en fait, et vu que la lumière met du temps à se propager, lors de la disparition du corps massif, une ondulation dans l espace temps va se produire ; cette ondulation se déplacant à la vitesse de la lumière, il est facile de comprendre que vu les distances en jeu dans l espace, la modification d orbite n interviendra que lorsque la vague atteindra le petit corps. Revenons à l électromagnétisme, avec Maxwell et ses équations sur l EM (électomagnétisme) et bien sûr notre cher Einstein. Ce dernier après avoir eu un énorme succés avec sa théorie de la relativité générale, va se fixer comme objectif d unifier sa théorie avec celle de l EM, qui à l époque était la seule autre force connue. Mais avant, parlons de Maxwell, qui à son époque devait d abord unifier l électricité et le magnétisme avec ses fameuses équations, qui sont au nombre de quatre :

2 Je ne les donne qu à titre de tableau historique... c est donc à partir de cela que Maxwell va unifier l électricité et le magnétisme, donnant l électromagnétisme. Pour se rendre compte plus clairement à notre niveau de cette relation, il suffirait, je dis bien il suffirait car cela peut être dangereux, de se balader sous un orage avec une boussole à la main et de voir se qu il se passe lorsque la foudre entre en action : Que va-t-il se passer? et bien l aiguille de la boussole va littéralement être déviée de part l action de la foudre. Il s agit en fait dans le cas de la foudre, d un flux de particules chargées électriquement qui va engendrer un champ magnétique et donc agir sur la boussole, voici le lien électricité magnétisme démontré par une expérience simple. Une cinquantaine d années plus tard intervient Einstein, qui se met en tête d unifier sa nouvelle vision de la gravité et l EM, car il est convaincu que s il y parvient, la nouvelle équation sera en mesure d expliquer tout l univers, mais il n y parviendra pas, car l EM et la gravité présentent une différence d intensité qui l emporte sur leur similarité. Cette différence vient du fait que contrairement à ce que l on est en mesure de croire, la gravité est beaucoup moins puissante que l EM. Pour s en rendre compte il suffit de faire une petite expérience qui consiste à lacher dans le vide un objet et de voir ce qu il se passe à l impact :

3 Cette expérience consiste à jeter dans le vide un objet ; théoriquement à l impact l objet devrait s enfoncer vers le centre de la terre comme pourrait le suggérer à première vue la théorie, mais il n en est rien à cause de l air et du sol, tout ce qui nous entour en fait et qui est constitué d atomes dont la couche externe est chargée électriquement et négativement. Donc, lorsque les atomes de l air rencontrent ceux du sol, tout deux étant chargés négativement, ils se repoussent, c est ainsi qu une toute petite portion de sol résiste à la gravité terrestre, ce qui prouve que l énergie EM est en réalité par rapport à la gravité, des milliards de fois plus puissante. Finissons- en avec cette introduction purement historique en revenant sur la théorie des cordes, qui n a en fait pas de réel lien avec le thème de ce sujet (du moins pas encore), mais dont j ai tenu de faire mention car à la mode et qui est potentiellement en mesure d unifier toutes les forces de la nature, comme Einstein voulait le faire, je vous renvoi donc vers ici : Pour mettre un pied dans la théorie des cordes... et ici : Sujet sur le LHC du CERN, un accélérateur de particule qui pourra être en mesure de mettre en évidence les cordes et changer la face du monde tel que nous le connaissons. Et voila pour l introduction vu par la fenêtre de l histoire, en espérant que cela vous aura plu. Attaquons maintenant l EM tel que cela nous interesse. MISE EN EVIDENCE D UN CHAMP MAGNETIQUE Mettons d abord en place les moyens dont nous disposons pour pouvoir mettre en évidence ce champ magnétique. Mais avec quoi? Et bien avec un aimant ou un courant électrique. On peut reprendre l expérience de la boussole et de la foudre, en substituant la foudre par un aimant ; l aimant va à distance faire dévier l aiguille de la boussole, on constate donc qu il y a une force mécanique qui agit à distance sur le champ magnétique. Posons une définition : On dit qu il existe un champ magnétique, que l on peut aussi appeler excitation magnétique, si en une région de l'espace, il existe un état magnétique susceptible de se manifester par des forces. Cette excitation magnétique possède bien entendu une unité et un symbole : soit le vecteur d excitation H, dont l unité est l ampère/mètre A/m Voyons maintenant comment se matérialise un champ magnétique :

4 Cette photo d une naine rouge montre les lignes de force du champ magnétique qu elle produit... oui je sais, certain l auront remarqué, j ai un net penchant pour l astrophysique (lol), alors voyons la même chose avec un aimant pour plus de clarté : On constate la mise en évidence de deux pôles, aussi bien sur la naine rouge que sur l aimant ; les lignes de champs de chaque pôle s orientent du pôle nord vers le pôle sud. Il faut alors retenir la chose suivante : Un champ magnétique est produit dès l'instant où une charge électrique est en mouvement. On peut ainsi conclure que dans les fils électriques que nous utilisons, dés lors qu un courant y circule, un champ magnétique se manifeste. Le dessin suivant montre les lignes de champs qui résultent du passage d un courant dans un conducteur électrique : La flêche indique le sens du champ, et la boussole la direction de ce champ, qui est d ailleurs comme on le constate, tangeant aux lignes de force. Voyons ensuite des cas particuliers, notamment pour un champ magnétique dans un solenoïde et dans un tore, ce qui amènera à des explications sur des choses que nous connaissons bien.

5 DANS UN SOLENOIDE L image suivante matérialise les lignes de champ avec une bobine ou solenoïde : On constate que le champ est quasiment uniforme, mais aussi que les lignes de champ se referment à l extérieur de la bobine, engendrant au passage des fuites et un rayonnement. DANS UN TORE Dans ce cas, les lignes de champ se referment à l intérieur du tore, ce qui fait toute la richesse des transformateurs toriques ; une boussole à côté de cela ne fera pas dévier l aiguille. RELATION CHAMP EXCITATION Etant donné que les actions magnétiques sont des actions à distance, on retiendra que ces actions du champ magnétique sont liées à l intensité de ce champ par le vecteur. Il vient alors : est le champ magétique en Tesla est la perméabilité du vide = est la perméabilité relative = 1 pour le vide Nous pouvons alors déterminer la valeur de l intensité du champ magnétique en fonction de la forme de la bobine.

6 Fil rectiligne : I en Ampère en Tesla «a» est la distance en mètre entre le fil et le point de mesure La spire : en Tesla I en ampère r est le rayon en mètre de la spire N est le nombre de spires La bobine : en Tesla I en ampère N est le nombre de spires L est la longeur en mètre du solenoïde NOTION DE FLUX Voila une notion intéressante, à savoir le flux magnétique qui est la mesure du flux d'induction magnétique B traversant une surface donnée S. Voici la formule qui va bien : est le flux en Weber S est la surface en m² B en Tesla Il faut être rigoureux car si la surface n est pas perpendiculaire au champ, la formule devra prendre en compte l angle formé par le plan de la surface et le champ, il vient alors : = angle formé par le plan de la surface et le champ

7 Pour terminer, si l on souhaite déterminer le flux embrassé par une bobine de N spires, on posera : L INDUCTION ELECTROMAGNETIQUE Nous allons ici mettre en évidence l induction électromagnétique comme le titre l indique, et cela à l aide d un aimant et d un voltmètre : Que se passe-t-il? et bien en approchant l aimant de la bobine, l aiguille du voltmètre va dévier. Expliquons pourquoi... Etant donné que notre aimant produit un champ magnétique permanent, en l approchant de la bobine, nous produisons une variation du flux ; c est cette variation qui engendre une tension vu par le voltmètre. Ce phénomène s'appelle l'induction électromagnétique, il y a création d'un courant induit dans la bobine et alors une tension induite. Ainsi on en arrive à la fameuse loi de Lenz qui dit que : Une variation du flux à travers un circuit électrique crée un courant induit i. Le sens du courant i est tel que les effets qu'il produit tendent à s'opposer à la cause qui lui a donné naissance Il faut retenir que : toute variation de flux magnétique produit un courant induit. Nous pouvons aussi à ce moment donner la relation donnant la fem induite avec la loi de Lenz : «e» est la variation du flux / variation du temps sera la variation du flux dt la variation du temps «e» en volt L AUTO INDUCTION Si nous poussons notre raisonnement, nous avons vu qu'une spire est parcourue par un courant produisant un champ magnétique B. Si ce courant est variable, le champ sera variable, ce qui veut dire que le flux sera également variable ( ), cela veut aussi dire qu'il y aura un courant induit dans notre solénoïde qui respectera la loi de Lenz, càd qui s'opposera à la cause lui ayant donné naissance, c est à dire au courant initial variable.

8 On parle donc ici d auto-induction ou bien en anglais, de self-induction. On pose alors la relation suivante : Et lorsqu il n y a pas de noyau ferromagnétique, le flux propre à travers un circuit est proportionnel à l'intensité du courant dans ce circuit, soit : Mettons maintenant en évidence ce phénomène d auto-induction à l aide d une petite manipulation : Ce montage est constitué de deux ampoules «1 et 2», d une résistance R et d une bobine L, ces deux dernieres présentent la même résistance ohmique, et on termine par un interrupteur placé au point d alimentation A. Si on applique une tension entre les points A et B, et que l on ferme l interrupteur, que va t-il se passer? L ampoule 2 s allumera tout de suite alors que la n 1 va s éclairer progressivement? A l ouverture de l interrupteur il va se passer exactement le contraire. Que s est-il passé? A la fermeture de l interrupteur, un courant s'établit dans la bobine L, ce courant provoque un flux magnétique. Etant donné que ce flux s'établit progressivement, il y a apparition d'une fem auto-induite qui s'oppose à la cause qui lui a donné naissance, à savoir l'établissement du courant initial. On déduit alors qu il y a : - retard à l allumage - retard à l extinction FORCE DE LAPLACE Nous allons maintenant voir ce qu il peut se passer lorsqu un fil parcouru par un courant est traversé par un champ magnétique, un peu de CEM, ou en tout cas de quoi démontrer que c est quelque chose d important, surtout lorsqu il faut blinder des éléments sensibles. Voici d abord un petit montage, viendront ensuite les explications :

9 J espère que tous le monde aura reconnu l aimant permanent en forme de U classique, à cela j ai ajouté un fil parcouru ou non par un courant et directement placé dans le champ magnétique de l aimant ; que va t-il se passer lors de la fermeture de l interrupteur? Et bien le fil vert va se déplacer dans le sens de la flêche par l action d une force F ; si on inverse les polarités, le fil se déplacera dans l autre sens. Idem si on inverse le champ de l aimant. Nous venons d être témoin de la force de Laplace, qui se par la relation suivante : F en Newton I en ampère B en Tesla L est la longeur en mètre du déplacement Et maintenant question : quelle est l application mettant en oeuvre la force de Laplace que nous connaissons bien? Réponse : le haut parleur. En effet, il est constitué d'une bobine pouvant coulisser entre les pôles d'un aimant. La bobine est solidaire de la membrane du HP. Quand la bobine est alimentée, celle-ci est soumise à une force de Laplace qui la fait se déplacer et ce déplacement crée des ondes de pression que nous entendons. Et voila pour l électromagnétisme, ce n est qu une petite introduction tant le sujet est vaste, c est un sujet que j affectionne particulièrement et que j ai eu beaucoup de plaisir à rédiger. Rendez vous dans la prochaine fiche.