S 5 F I) Notion de champ magnétique : 1) Mise en évidence : a) Expérience :

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1 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F 1) Mise en évidence : a) Expérience : Des petites aiguilles aimantées montées sur pivots sont disposées près d'un aimant droit. Chaque aiguille constitue un dipôle orienté. On appellera pôle Nord la pointe de l aiguille et pôle Sud l'empennage de l'aiguille. Chaque aiguille s'oriente après quelques oscillations, et désigne au point M où elle se trouve, une direction (son axe longitudinal) et un sens (SN) privilégié. Nous dirons que les aiguilles mettent en évidence l'existence du champ magnétique créé par l'aimant en chaque point.

2 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F 1) Mise en évidence : b) Caractéristiques du champ magnétique : Nous dirons que le champ magnétique créé en un point M est un vecteur B qui a pour : - direction : l'axe longitudinal de l'aiguille aimantée, - sens : celui du dipôle SN, - mesure : B, exprimée en tesla (T).

3 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F 1) Mise en évidence : c) Mesure du champ magnétique : L'aiguille d'une boussole est placée près d'un aimant droit. Lorsque l'aiguille est écartée de sa position d'équilibre puis lâchée, elle oscille. La fréquence des oscillations augmente lorsqu'on rapproche l'aiguille de l'aimant. Les oscillations sont d'autant plus rapides que le champ est plus intense. L'expérience montre que la fréquence N est proportionnelle à B 2. On pourrait en déduire un moyen de mesurer l'intensité du champ magnétique. Dans la pratique on utilise un "tesla mètre" équipé d'un capteur particulier qu'on appelle sonde à effet Hall :

4 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F 2) Sources de champ magnétique : a) Les aimants permanents : Les aimants sont des sources permanentes de champ magnétique. Ils sont constitués d'alliages à base de fer ou de certains oxydes de fer, de cobalt ou de nickel (ticonal : titane, cobalt, nickel, aluminium). La forme d un aimant est liée à son utilisation. L'action magnétique exercée par un aimant est plus importante au niveau de certaines régions appelées pôles de l'aimant. Les pôles d'un aimant ne sont pas séparables : il n'existe pas de monopôle magnétique (contrairement aux charges électriques) : La plus petite entité magnétique est le dipôle magnétique (association d'un pôle Nord et d'un pôle Sud).

5 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F 2) Sources de champ magnétique : b) Les courants électriques : Plaçons une aiguille aimantée au dessous d'un fil conducteur rectiligne de façon que cette aiguille soit parallèle au fil quand aucun courant ne circule. Lorsqu'un courant électrique circule dans le fil, l'aiguille tend à s'orienter perpendiculairement au conducteur. Un conducteur parcouru par un courant électrique crée un champ magnétique en son voisinage. Le sens du champ dépend du sens du courant. Règle du bonhomme d'ampère : Un observateur, disposé le long du conducteur de façon que le courant électrique circule de ses pieds vers sa tête, et regardant vers un point M, voit en M le champ magnétique orienté vers sa gauche.

6 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F 2) Sources de champ magnétique : b) Les courants électriques : Une bobine ou solénoïde parcourus par un courant est le siège d'un champ magnétique. Un électroaimant est une bobine à l'intérieur de laquelle on a introduit un "noyau de fer". Remarque : Le champ magnétique créé par un électroaimant et plus intense que celui créé par le solénoïde seul.

7 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F 2) Sources de champ magnétique : c) La Terre : La Terre et pratiquement tous les astres actifs (dont le noyau est en fusion) sont source de champ magnétique. Remarque : Les lignes de champ "sortent du pôle Nord magnétique terrestre qui constitue donc un pôle "sud" du point de vue du magnétisme!! Le "vent solaire", qui est constitué de particules chargées éjectées à très grande vitesse par le Soleil, modifie la topographie du champ magnétique terrestre.

8 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F 3) Unité et ordre de grandeur : Dans le système international (S.I.) l'unité légale fondamentale de mesure du champ magnétique est le tesla (symbole T). - La composante horizontale du champ magnétique terrestre, au niveau de Francfort, vaut environ B H T. - Un aimant permanent produit un champ magnétique de qui peut être compris entre 0,01 T et 0,1 T. - Une bobine de 1000 spires, de 10 cm de longueur, parcourue par un courant de quelques ampères produit en son centre un champ magnétique de l ordre de B centre 0,1 T. - Un électroaimant de même type que la bobine peut donner un champ de quelques teslas dans l'entrefer. Remarque : Le champ produit par un électroaimant est limité par l'effet Joule. A très basse température (quelques K) certains métaux ou alliages deviennent supraconducteurs. Grâce à la supraconductivité on peut produire des champs magnétiques intenses (10 à 100 T).

9 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F II) Spectre magnétique : 1) Lignes de champ : Une ligne de champ est une courbe qui est tangente au vecteur champ magnétique en chacun de ses points. On l'oriente dans le sens du vecteur champ magnétique.

10 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F II) Spectre magnétique : 2) Spectre du champ magnétique : Le spectre magnétique est l'ensemble des lignes de champ magnétique dans l'espace. Le spectre magnétique d un aimant peut être matérialisé dans un plan, par de la limaille de fer saupoudrée prés de l aimant : aimant droit aimant en U

11 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F II) Spectre magnétique : 2) Spectre du champ magnétique : On peut étudier le spectre du champ magnétique créé par une bobine parcourue par un courant : Remarque : Il existe une différence entre le spectre d'un aimant droit et celui d'une bobine, au niveau de la continuité des lignes de champ (problème des monopôles magnétiques). Cette différence explique, dans la théorie, l inexistence des pôles magnétiques.

12 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F II) Spectre magnétique : 3) Bobine, solénoïde et bobines de Helmholtz : a) Bobine et solénoïde : Une bobine est un enroulement de fil conducteur. Chaque tour de fil est une spire. Si les spires sont jointives, on parle de solénoïde. A l'intérieur d'un solénoïde, le champ magnétique est uniforme et de même direction que l'axe de révolution du solénoïde. Remarque : Le sens du champ magnétique peut être déterminé par : - la règle du bonhomme d Ampère, - la règle des 3 doigts de la main droite, - La règle du sens trigonométrique. On considère un solénoïde de longueur L, formé de N spires de diamètre D, et parcouru par un courant d intensité I. Si le solénoïde est très long par rapport à son diamètre (L >> D), il pourra être assimilé à un solénoïde infiniment long. L intensité B du champ magnétique créé au centre du solénoïde est : N B = µ 0..I = µ 0.n.I L µ 0 = 4.π.10 7 S.I. est la perméabilité magnétique du vide (ou de l air). n est le nombre de spires par unité de longueur n = N/L.

13 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F II) Spectre magnétique : 3) Bobine, solénoïde et bobines de Helmholtz : b) Bobines de Helmholtz : On appelle bobines de Helmholtz l'association de deux bobines plates coaxiales séparées par une distance D égale à leur rayon commun R. L'étude expérimentale du champ magnétique créé par les bobines de Helmholtz montre que, dans une région cylindrique délimitée par les deux bobines, le champ magnétique est : - uniforme, - dirigé suivant l'axe commun des bobines, - de sens donné par la règle du bonhomme d Ampère, Si N est le nombre de spires de chaque bobine, R leur rayon et qu'elles sont montées en série et parcouru par un courant d'intensité I, le champ magnétique au centre du dispositif a pour valeur : B = 0,72.µ 0..I N R

14 Chapitre 5 : CHAMP MAGNETIQUE S 5 F II) Spectre magnétique : 3) Bobine, solénoïde et bobines de Helmholtz : c) Champ magnétique uniforme : Pour disposer d'un champ magnétique uniforme on voit donc que l'on peut utiliser un solénoïde long ou des bobines de Helmholtz. - Dans un solénoïde long le champ magnétique est très uniforme loin des bords mais l'accès à ce champ est rendu délicat pour des expériences encombrantes. - Les bobines de Helmholtz permettent de réaliser des expériences plus volumineuses mais l'uniformité du champ est moins précise.