Electromagnétisme Livret de l enseignant

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1 Dossier de Physique Niveau 5 ème secondaire Electromagnétisme Livret de l enseignant Bouquelle Véronique Pire Joëlle Faculté des Sciences Diffusé par Scienceinfuse, Antenne de Formation et de Promotion du secteur Sciences et Technologies de l UCL

2 I. Magnétisme naturel I.1. Aimants naturels Débris de certaines météorites fer météorique Minerais en provenance de certaines régions Scandinavie Magnésie... pierres d aimant, magnétite La limaille de fer s organise le long des lignes de champ magnétique. Le champ magnétique est plus intense aux pôles des aimants. 2

3 Conseils pour l enseignant : Ne pas mettre la limaille de fer directement au contact de l aimant ; intercaler une plaque de verre ou de plexiglas. Déposer le dispositif à petites aiguilles aimantées sur un rétroprojecteur, placer par-dessus un aimant droit. Pour fabriquer la boussole, l élève place le clou qu il vient d aimanter dans ou à travers le petit tube de mousse, et fait flotter le tout sur de l eau dans le récipient en plastique. 3

4 I.2. Boussoles et magnétisme terrestre Phénomène d'orientation suivant l'axe SUD-NORD Une aiguille aimantée, montée sur pivot, s oriente suivant la direction Sud-Nord et tourne toujours la même extrémité vers le Nord géographique L extrémité qui se tourne vers le Nord est dite le «Pôle Nord» de l aiguille aimantée et l autre extrémité, qui se tourne vers le Sud, est dite le «Pôle Sud» de l aiguille Fabrication d un aimant à partir d un autre aimant Frotter le barreau en acier, toujours dans le même sens, avec un autre aimant Aimant Acier AIMANT 4

5 Montage de l'aiguille sur un pivot N Pôle Nord de l aiguille O E S Pôle Sud de l aiguille Interaction de deux pôles magnétiques Essayer de superposer deux aiguilles de boussole : NORD NORD et SUD SUD se repoussent / s attirent NORD SUD se repoussent / s attirent Explication du fonctionnement de la boussole : le magnétisme terrestre La terre a deux pôles magnétiques Un pôle magnétique SUD près du pôle Nord géographique Un pôle magnétique NORD près du pôle Sud géographique 5

6 Origine du magnétisme terrestre Le champ magnétique terrestre est engendré par les mouvements du noyau métallique liquide des couches profondes de la Terre. Ces mouvements de particules chargées créent des courants qui eux-mêmes génèrent le champ magnétique. Le champ magnétique terrestre joue un rôle essentiel dans le développement de la vie sur Terre, en déviant les particules mortelles du vent solaire. Celles qui parviennent aux pôles forment les aurores boréales et australes. Les scientifiques observent actuellement une diminution du champ magnétique terrestre. Il est également établi que le champ magnétisme terrestre a déjà changé plusieurs fois de sens. 6

7 I.3. Matériaux magnétiques Recherche de matériaux attirés par un aimant Matériau Attraction? oui non Matériau Attraction? oui non Aluminium (Al) Carbone (C) Cuivre (Cu) Chrome (Cr) Fer (Fe) Cobalt (Co) Nickel (Ni) I.4. Conclusions Nickel, fer et cobalt sont les seuls matériaux ferro-magnétiques. Leurs alliages le sont aussi. Exemple : l acier qui est du fer renforcé par un très faible pourcentage de carbone. 7

8 II. Effets magnétiques des courants électriques II.1. Champ magnétique produit par un courant On enroule un fil électrique autour du dispositif à petites aiguilles aimantées. Au moment où on ouvre ou ferme l interrupteur, on constate que les petites aiguilles s agitent. - B Tracer les lignes du champ magnétique B telles que montrées par le professeur avec des aiguilles de boussole ou de la limaille de fer sur le support horizontal. I + Règle déterminant le sens du champ magnétique = Règle du tirebouchon : En pointant le pouce de la main droite dans le sens du courant électrique (qui va du + vers le -), le sens de fermeture des quatre autres doigts de la main droite indique le sens du champ magnétique. Le champ magnétique est un vecteur tangent aux lignes de champ. Plus on est près du fil électrique, plus le champ magnétique est intense. Les lignes de champ forment un ensemble de cercles concentriques, pas une spirale! 8

9 II.2. Bobine et barreau en acier (fer + carbone) Barreau en acier (clou foncé) a) la bobine n'attire pas le barreau le barreau n attire pas les objets en fer il n est pas aimanté b) on place le barreau dans une bobine on fait passer le courant produit par une pile dans la bobine + pile - La bobine attire le barreau le barreau attire les objets en fer il s est aimanté c) on interrompt le courant en déconnectant la pile La bobine cesse d'attirer le barreau le barreau attire encore les objets en fer il est aimanté de manière permanente AIMANT Applications techniques : Fabrication d'aimants permanents On produit actuellement beaucoup de matériaux spécifiquement destinés à la fabrication d aimants permanents des alliages (aciers spéciaux) 9 des matériaux céramiques

10 II.3. Bobine et barreau en fer pur Barreau en fer pur (boulon clair) a) la bobine n'attire pas le barreau le barreau n attire pas les objets en fer il n est pas aimanté b) on place le barreau dans la bobine on fait passer le courant produit par une pile dans la bobine + pile - La bobine attire le barreau le barreau attire les objets en fer il s est aimanté c) on interrompt le courant en déconnectant la pile La bobine cesse d'attirer le barreau le barreau cesse d'attirer les objets en fer il n'est plus aimanté aimantation temporaire Applications techniques : Réalisation d'électroaimants de levage II.4. Conclusions acier aimantation permanente aimant proprement dit fer pur aimantation transitoire électroaimant dépendante du courant 10

11 Origine du ferromagnétisme Domaines de Weiss Les substances ferromagnétiques (fer, nickel, cobalt et leurs alliages tels que l acier (fer + carbone), magnétite) sont formées par un grand nombre de domaines microscopiques (50 μm). Chaque domaine est un minuscule aimant. Dans un échantillon non aimanté, ces domaines sont orientés au hasard et leurs champs magnétiques s annulent. Si un matériau ferromagnétique est soumis à un champ magnétique, sa structure de domaines peut se modifier de deux façons: 1. Soit la taille des domaines situés dans le sens du champ magnétique augmente ; cela donne une aimantation non permanente (les domaines reprennent chacun leur taille quand le champ magnétique disparaît). Si le champ magnétique augmente de (a) à (d) : 11

12 2. Soit les domaines s alignent sur le champ de façon irréversible car ils ne peuvent pas facilement changer de forme. Un aimant permanent est créé. 12

13 III. Induction électromagnétique Production d'une force électromotrice et d'un courant par variation d'un flux magnétique Aimant Mouvement Alternatif Il faut parfois actionner l interrupteur du microampèremètre en le tenant dans l une des positions extrêmes. Bobine A Microampèremètre Observations : Quand l aimant est un mouvement, on détecte le passage d un courant dans la bobine. Si l on inverse le sens du mouvement, le sens du courant change. Le travail qu il faut fournir pour déplacer l aimant est converti en énergie électrique (induction) et en chaleur (frottement) Applications techniques Dynamo (courant continu) Alternateur (courant alternatif) Générateur de courant électrique 13

14 IV. Interaction d'un courant électrique et d'un champ magnétique Un conducteur parcouru par un courant électrique et placé devant le pôle d un aimant ou d un électroaimant subit une force. Cette force est mise en évidence par le déplacement du conducteur. IV.1. Expériences à réaliser Monter un circuit électrique avec la pile de 4,5 V rectangulaire, les deux rails en aluminium à section en T, le barreau d aluminium, fils de connexion, pinces crocodiles. Placer le gros aimant rectangulaire entre les rails. Pour chacune des quatre configurations indiquées page suivante, déterminer expérimentalement le sens de la force qui s exerce sur le barreau d aluminium, et tracer ce vecteur force. 14

15 Vu du dessus : Conventions de dessin pour représenter un vecteur perpendiculaire au plan de la feuille: perpendiculaire au plan de la feuille et qui entre dans la feuille perpendiculaire au plan de la feuille et qui sort de la feuille NORD + - F B Courant dans le barreau d aluminium NORD F - + B Courant SUD F + - B Courant SUD - + B F Courant Rmq : le vecteur force part du fil électrique car la force agit sur lui. IV.2 Conclusions Le sens de la force dépend de la nature du pôle (Nord ou Sud) ainsi que du sens du courant Si on change le pôle ou le sens du courant on change le sens de la force Si on change le pôle et le sens du courant on conserve le sens de la force Applications techniques : Moteurs électriques 15

16 V. Générateurs et moteurs électriques Les générateurs permettent de transformer l énergie chimique, mécanique ou nucléaire, produite à partir des sources primaires d énergie (charbon, pétrole, gaz naturel, chutes d eau, nucléaire) en énergie électrique qui sera distribuée par un réseau pour être convertie en lumière (éclairage), chaleur (chauffage) ou travail mécanique (moteurs). Les moteurs électriques permettent de transformer l énergie électrique fournie par le réseau en travail mécanique en fonction des besoins des divers utilisateurs. V.1. Le générateur de courant ATTENTION MATERIEL FRAGILE Principe de fonctionnement Le mouvement de rotation d un circuit électrique bobiné placé dans le champ magnétique provenant d un aimant permanent crée un courant induit dans les bobines. Ce courant est mis en évidence par la lampe qui s allume. On a ainsi converti une énergie mécanique (mouvement) en énergie électrique. 16

17 V.2. Le moteur électrique ATTENTION : il faut décrocher la courroie avant de connecter la pile. Il faut parfois démarrer le moteur en lui donnant une petite poussée. Inverser le sens du courant. Observation : le moteur tourne alors en sens inverse. Principe de fonctionnement Si un circuit électrique parcouru par un courant est placé dans un champ magnétique, il subit une force électromagnétique qui peut le faire tourner. On a ainsi converti une énergie électrique en énergie mécanique (mouvement). Atelier électromagnétisme - Scienceinfuse UCL 17

18 Désaimantation = destruction de l'alignement et retour au désordre Elévation de la température : Point de Curie Lorsqu'on chauffe les matériaux ferromagnétiques, on constate qu'ils perdent leurs propriétés magnétiques particulières dès que la température dépasse une certaine valeur: ils ne sont plus attirés fortement par un aimant! Cette température constitue le point de Curie et elle est de: 770 C pour le fer 358 C pour le nickel 1131 C pour le cobalt Lorsqu'on chauffe un aimant, il perd rapidement une partie de son aimantation et on peut le désaimanter complètement en le portant à des températures de l'ordre de 1000 C. Champ magnétique alternatif décroissant Chauffer un clou aimanté au bec bunsen, il perd son aimantation (utiliser toutes les précautions d usage). On peut également faire disparaître l'aimantation en plaçant l'aimant dans une bobine parcourue par un courant alternatif que l'on diminue progressivement jusqu'à zéro Ondes de choc Des chocs violents et répétés réduisent progressivement l'aimantation. Cogner un clou aimanté sur une surface dure (carreau). Il perd son aimantation. 18