CHAPITRE 2 : Interaction magnétique

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1 CHAPITRE 2 : Interaction magnétique Prérequis 1. L aiguille d une boussole possède : plusieurs pôles Nord et plusieurs pôles Sud, uniquement un pôle Nord et un pôle Sud, plusieurs pôles Nord ou plusieurs pôles Sud, uniquement un pôle Nord ou un pôle Sud. 2. L ensemble des lignes de champ forme: les divers vecteurs champs, la topographie du champ, le spectre du champ, la forme du champ. 3. Le vecteur champ électrique est toujours: tangent aux lignes du champ en chacun de leurs points, centripète, de valeur constante, de même sens que les lignes de champ, 4. Dans un champ uniforme, les lignes de champ sont des droites : sécantes perpendiculaires. parallèles. Mise en situation : Migration des oiseaux Chaque année des millions d oiseaux effectuent des migrations saisonnières. Ceci pose la question de l orientation. Il s avère que différents facteurs permettent aux oiseaux migrateurs de s orienter : ils utiliseraient l odorat (le nez étant très sensible), les astres, une horloge biologique (position du soleil en fonction du temps) et des repères visuels (mers, déserts,...). Cependant, après plusieurs débats menés au cours des quinze dernières années on a prouvé que la sensibilité au champ magnétique apparait comme l un des principaux régulateurs de leur orientation lorsque les autres repères vus précédemment sont insuffisants ou inexploitables. Questions : 1. Quel est le principal régulateur de l orientation des oiseaux découvert récemment. 2. Proposer une hypothèse interprétant le principe de l orientation des oiseaux à l aide de ce régulateur. Chapitre 2: Interaction magnétique - AMOR YOUSSEF Lycée 2 mars 1934 KSAR HILAL P a g e 1

2 A. Les différents types d'interactions magnétiques I. L aiguille aimantée Aiguille aimantée, est une lame d'acier longue et mince aimantée naturellement ou artificiellement, mobile sur un pivot passant par son centre de gravité et qui possède la propriété d orienter ses deux bouts vers les pôles du monde. Activité 1 On abandonne une petite aiguille aimantée, elle s oriente dans une direction privilégiée. Si on la perturbe un peu, après avoir oscillé quelques instants elle revient dans sa position initiale. Figure 1 1. Colorer en rouge et en bleu respectivement le pôle Nord et le pôle Sud de l aiguille aimantée. 2. Représenter le symbole d une aiguille aimantée. 3. Définir le pôle Nord puis le pôle Sud d une aiguille aimantée. II. Les différents types d interactions magnétiques II.1 Interaction aimant- aimant Activité 2 : On rapproche un aimant droit suspendu à un fil d un autre aimant droit fixe. Les figures 1 et 2 présentent les interactions magnétiques pouvant avoir lieu entre les deux aimants. Figue 3 Figue 4 1. Colorer pour chaque figure les pôles des deux aimants. 2. Préciser le type de l interaction magnétique dans chaque cas. 3. a. Copier et compléter la conclusion suivante : - Deux pôles d aimant de se repoussent : cette magnétique est une. - Deux pôles d aimant de.. s attirent: cette.. est une.. b. Illustrer les deux phrases précédentes par des schémas. II.2 Interaction courant- aimant Chapitre 2: Interaction magnétique - AMOR YOUSSEF Lycée 2 mars 1934 KSAR HILAL P a g e 2

3 Activité 3 : Une aiguille aimantée se situe à proximité d une bobine. On établit un courant continu dans la bobine, on remarque que l orientation de l aiguille change. Figue 5 1. Existe-t-il une interaction magnétique entre la bobine parcourue par un courant électrique et l aiguille aimantée? Justifier. 2. D un point de vue magnétique, dire comment se comporte une bobine traversée par un courant électrique. 3. Flécher les faces de la bobine. Activité 4 : Un aimant droit est suspendu par un fil à proximité d une bobine. On établit un courant continu dans la bobine. Deux possibilités se présentent. 1. Pour chaque situation, colorer les pôles de l aimant droit, et flécher les faces de la bobine. 2. Donner le type de l interaction magnétique dans chaque cas. 3. Recopier et compléter le texte suivant : Une bobine parcourue par un courant électrique contenu se comporte comme un aimant droit, l une de ses faces est son pôle., l autre est son. Entre un aimant est un élément de courant contenu existe une répulsive ou II.3 Interaction courant- courant Figue 6 Figue 7 Activité 5 : Deux bobines sont suspendues par des fils leur permettant de se mouvoir librement. Lorsque les bobines sont parcourues par des courants électriques continus, deux interactions magnétiques se présentent. Figue 8 Figue 9 1. Identifier le type de l interaction dans chaque cas.. 2. Indiquer sur chaque figure les pôles de chaque bobine, ainsi que la borne positive du générateur. 3. Conclure quant à l interaction magnétique courant-courant. Chapitre 2: Interaction magnétique - AMOR YOUSSEF Lycée 2 mars 1934 KSAR HILAL P a g e 3

4 III. Champ magnétique III. 1 Mise en évidence expérimentale : Détection d un champ magnétique Activité 6 : On dispose d un aimant droit et d un barreau de cuivre relativement éloignés l un de l autre. On déplace une aiguille aimantée autour de l aimant droit, puis autour du barreau de cuivre. 1. L aiguille aimantée subit-elle une action mécanique de la part de l aimant droit ou du barreau de cuivre. 2. Sachant qu il existe un champ magnétique dans une certaine région de l espace chaque fois que l on peut détecter une action mécanique sur l aiguille aimante : a. D après l introduction de la question 2, quel moyen permet de détecter la présence d un champ magnétique? b. Déterminer si l aimant droit ou le barreau de cuivre crée à modifier la propriété magnétique de l espace environnant. c. Rédiger une définition d un champ magnétique. III. 2 Le vecteur champ magnétique Le champ magnétique en un point de l espace est représenté par un vecteurb. Activité 7 : On place autour d un aimant droit plusieurs aiguilles aimantées. Figue Comparer la direction (SN) et l orientation des pôles des aiguilles aimantées. 2. On admettant que la direction du vecteur B en tout point de l espace est donnée par la direction pole Sud-pôle Nord de l aiguille aimantée, représenter le vecteur B en différentes positions de l aiguille aimantée. Activité 8 : Un aimant droit est placé en un point O. A proximité de l aimant droit deux aiguilles aimantes sont placées respectivement aux points A et B. On fait osciller chaque aiguille, on constate que l aiguille A se stabilise après un temps t A et l aiguille B après un temps t B. Comparer t A et t B, et déduire la caractéristique du vecteur B mise en évidence. Activité 9 : A O Figue 11 Écrire un résumé donnant les caractéristiques du vecteur B en un point de l espace champ magnétique. B Chapitre 2: Interaction magnétique - AMOR YOUSSEF Lycée 2 mars 1934 KSAR HILAL P a g e 4

5 III. 3 Lignes de champ et spectre magnétique. Méthode : Réalisation d un spectre magnétique. Pour matérialiser le spectre d un champ magnétique, on saupoudre une plaque de verre par de la limaille de fer, on place un aimant au-dessous de plaque de verre et on tapote la plaque pour obtenir le spectre. Activité 9 : A l aide de la limaille de fer, on réalise le spectre magnétique d un aimant droit et un aimant en U, les résultats des expériences sont donnés par les images suivantes. Figure 12 Figure Tracer le spectre du champ magnétique pour chaque aimant. 2. L image de la figure 13 donne l orientation de quelques aiguilles aimantées autour d un aimant droit. Compléter le spectre schématisé en indiquant le sens des lignes de champ. 3. D après la figure 12 quel aimant crée un champ magnétique uniforme. Activité 10 : Le schéma suivant ci-contre représente quelques lignes de champ crée par le pôle Nord d un aimant droit. Soit BA, BB et BC, les valeurs des vecteurs champs magnétiques respectivement aux points À, B et C. N B C 1. Orienter les lignes de champ. 2. En justifiant, classer ces champs par valeurs croissantes. 3. On mesure le champ magnétique au point A. a. Donner le nom de l appareil qui mesure le champ magnétique. b. La valeur trouver est de 0,5 mt. Représenter à l échelle le vecteur champ magnétique au pont A. Figue 13 A III. 4 Le champ magnétique terrestre. Activité 11 : Modélisation du champ magnétique terrestre Si depuis le début du XVII e siècle on sait que le globe terrestre se comporte comme un aimant, on ne connaît pas encore très bien le phénomène qui engendre ce champ. Cependant, un modèle permet aujourd'hui de l'expliquer : les écoulements de matière dans le liquide du noyau externe de la terre pourraient engendrer des courants électriques qui produiraient le champ magnétique. En 1839, Carl Friedrich Gauss a montré que le champ magnétique terrestre peut être assimilé à celui d un aimant droit placé à l intérieur de Chapitre 2: Interaction magnétique - AMOR YOUSSEF Lycée 2 mars 1934 KSAR HILAL P a g e 5

6 verticale fil sans torsion la Terre L axe de l aimant est un diamètre de la Terre dont les extrémités sont les pôles géomagnétiques : Nord 78,5 N, 111 O ; Sud 78 5 S 111 E 1. a. Les pôles magnétiques sont-ils confondus avec les pôles géographiques? b. Indiquer sur la figure 15. Les pôles Nord et Sud géographique et magnétique. 2. a. L intérieur de la terre est modélisé par un aimant droit. Colorer les pôles de l aimant. b. Représenter quelques lignes de champ illustrant le champ magnétique terrestre. équateur géograp hique Figure 15 méridien Activité 13 : Caractéristiques du vecteur terrestre champ magnétique terrestre En un point donné de la Terre, le champ magnétique est déterminé par les données suivantes : La déclinaison ˆD, l inclinaison Î et la composante horizontale B h. Ces données peuvent être mises en évidence par une aiguille aimantée, suspendue par son centre de gravité et placée loin de tout aimant ou d objet en fer. L aiguille s oriente dans une direction qui est celle du champ magnétique terrestre B T. Nord géographique Nord magnétique Figure 16 Plan méridien magnétique 1. Le vecteur B T est contenu dans le plan méridien magnétique. Représenter sur la figure 16, le vecteur champ magnétique terrestre B T et ses composantes, horizontale B h et verticale B V. 2. La déclinaison ˆD est l angle formé par le plan contenant le méridien géographique avec le plan vertical contenant B T (plan méridien magnétique). Cet angle porté sur les cartes varie au cours du temps. Compléter le schéma de la figure 15 par le plan méridien géographique. Indiquer la déclinaison ˆD. 3. a. L inclinaison î est l angle formé par B T et le plan horizontal. Indiquer l inclinaison î sur la figure15. b. L inclinaison du champ magnétique terrestre en Tunisie voisine de 50. En quels points de la Terre l inclinaison est de 90? c. Déduire la relation entre B h, B T et l angle Î. En admettant de la valeur de B h 20µT en Tunisie. Calculer la valeur approximative du champ magnétique terrestre en Tunisie. Chapitre 2: Interaction magnétique - AMOR YOUSSEF Lycée 2 mars 1934 KSAR HILAL P a g e 6

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