TPE : travaux pratiques encadrés.

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1 TPE : travaux pratiques encadrés. Problématique : Qu est- ce que le magnétisme? Comment l appliquer à la création d un verrou magnétique? Lucie Lalmand. Nathalie Lambin. Année Elodie Devos.

2 SOMMAIRE. I- Explication du champ magnétique. A- Le champ magnétique. B- Le champ magnétique créé par une bobine. II- Explication de l électromagnétisme. A- Dans quelles conditions une tension apparaît aux bornes d une bobine? B- Pourquoi peut-on dire qu il y a conversion d énergie électrique en énergie mécanique et une conversion d énergie mécanique en énergie électrique? III- Expérience commentée. A- Modélisation. B- Expérience. Conclusion

3 Introduction. Les phénomènes électriques et magnétiques sont connus de la plus haute antiquité. Les Grecs (Thalès) avaient déjà remarqué que l'ambre attire les corps légers après avoir été frotté. D'autre part, ils connaissaient une espèce de pierre appelait magnésie, qui avait la vertu d'attirer les petits morceaux de fer. Plus tard, au Moyen-Âge, cette pierre fut appelée aimant, du grec adamas qui veut dire "acier". Ces deux phénomènes, celui de l'ambre (ou électrique) et celui de l'aimant (ou magnétique) furent souvent confondus, car ils consistaient tous les deux en une attraction, une force exercée à distance, chose très mystérieuse à une époque où on ne concevait naturellement que des forces de contact. Les phénomènes électriques ne seront pas vraiment étudiés avant le XVII e siècle. Par contre, on écrira beaucoup plus sur les phénomènes magnétiques, en raison de leur rôle dans le fonctionnement de la boussole. Celle-ci, dans sa version primitive, était une pierre d'aimant en forme d'aiguille flottant sur l'eau et s'orientant d'elle-même vers le nord. L'invention est due aux chinois, qui la transmirent aux Arabes, et ces derniers aux Occidentaux. L'oeuvre d'ampère On savait depuis le début du XVIII e siècle que le fer pouvait être aimanté par la foudre et qu'il y avait donc une relation entre l'électricité et le magnétisme. Or, en 1820, le Danois Christian Oersted (1777 / 1851) découvre que le courant électrique en provenance d'une pile dévie une boussole placée à proximité. Oersted

4 ne tente pas de quantifier sa découverte; c'est André-Marie AMPERE qui le fera. Une semaine après avoir entendu une description des travaux d'oersted, il a déjà complété l'essentiel de la théorie de l'électrodynamique. Il procède à plusieurs expériences avec l'aide de Fresnel et réussit à exprimer les phénomènes magnétiques à l'aide de phénomènes électriques. Il montre qu'un aimant équivaut à une bobine de fil dans laquelle passe un courant (solénoïde). II décrit la force magnétique entre deux fils dans lesquels circulent des courants, comment cette force varie en fonction de la distance entre les fils et du sens des courants, etc. Il fait même l'hypothèse, en avance sur son temps, que les propriétés magnétiques des matériaux proviennent de ce que les molécules portent une boucle de courant microscopique. Ampère observe même le phénomène de l'induction mais ne songe pas à l'analyser en détail. L'un des à-côtés des travaux d Ampère est la découverte, par Arago, de l'aimantation du fer par un courant et son invention de l'électroaimant en Faraday & Maxwell La découverte manquée d'ampère, l'induction, n'allait pas être manquée par l'anglais Michael FARADAY (1791 / 1867), sans doute l'une des figures les plus sympathiques de l'histoire des sciences. La découverte principale de Faraday est l'induction électromagnétique: le fait qu'un flux magnétique variable induise un courant électrique dans une boucle de fil fermée. Ainsi, non seulement l'électricité en mouvement peut-elle produire un flux magnétique, mais l'inverse est vrai aussi. Il utilisa cependant les notions de champ magnétique et de champ électrique, les concevant comme des lignes de force qui s'étendent dans l'espace.

5 C'est l'écossais James Clerk MAXWELL (1831 / 1879) qui prolongea les travaux de Faraday sur les fondement de l'électromagnétisme et les décrivit en termes mathématiques. Il synthétisa toutes les lois de l électromagnétisme, dans un de ses ouvrages. Maxwell dut introduire la notion de courant de déplacement pour que l'ensemble des lois mathématiques de l'électricité et du magnétisme ne soit pas en contradiction avec la conservation de la quantité de charge électrique. Toutes ces lois peuvent alors être exprimées sous la forme d'équations appelées équations de Maxwell et forment la base de l'électromagnétisme tel qu'il est encore enseigné aujourd hui.

6 1- Explication du champ magnétique. 1- A.. Explication du champ magnétique. Définition : La champ magnétique est une grandeur physique engendrée par le déplacement de charges électriques ou la proximité d un matériau ayant une perméabilité magnétique non nulle (un aimant). Le champ généré est capable d exercer une force sur d autres charges électriques en mouvement, ou de matériaux ayant une susceptibilité magnétique non nulle. Par exemple une aiguille aimantée placée au voisinage d un aimant s oriente toujours dans la même direction, ce qui montre qu un aimant peut agir à distance sur une aiguille aimantée. Celui-ci crée donc autour de lui un champ magnétique et l aiguille aimantée sert à le détecter. Champ magnétique crée par un fil. En 1819, Hans Christian Oersted, physicien danois, montre expérimentalement l existence des champs magnétiques créés par des courants. Le physicien français André Ampère remarque, dès 1821, les analogies que présentent les actions mécaniques s exerçant respectivement entre courants, entre aimants et entre aimants et courants.

7 Son expérience montre que lorsqu un courant circule dans un fil, une aiguille aimantée placée au voisinage de celui ci subit une action mécanique qui a tendance à l orienter perpendiculairement au fil. Il existe donc un champ magnétique au voisinage d un fil parcouru par un courant. Règle d orientation : Règle du bonhomme d Ampère : le sens du vecteur champ magnétique en un point est donné par le bras gauche d un personnage placé sur le fil, le courant entrant par les pieds, et qui regarde le point.

8 1-B.Champ magnétique crée par une bobine Une bobine parcouru par un courant électrique continue équivaut à un aimant droit. Les faces nord et sud de la bobine, analogues aux pôles d un aimant, dépendent du sens du courant qui la parcourt. Les lignes de champ créées à l extérieur par un solénoïde ressemblent à celles créées par un aiment droit. A l intérieur du solénoïde, les lignes de champ sont parallèles. Le champ magnétique à l intérieur du solénoïde est uniforme, sauf au voisinage des extrémités. On oriente le champ B à l intérieur et, par conséquent, on oriente les lignes de champ à l aide d une règle de la main droite qui permet de trouver la face nord et la face sud. Les lignes de champ sortent par la face nord et rentrent par la face sud du solénoïde: le pouce de la main droite sort par la face nord de la bobine lorsque les autres doigts indiquent le sens du courant d intensité i. Nous pouvons utiliser la loi de Laplace qui nous donne certaines caractéristiques : - Sa direction est orthogonale au fil et au vecteur F ; - Son sens est donné par la règle de bonhomme d Ampère ou la règle des trois doigts de la main droite ; - Son point d application est le point C milieu du fil ;

9 - Sa valeur est donnée par : la valeur d un champ magnétique d une bobine traversée par un courant d intensité i, est sensiblement uniforme, et a pour valeur : F = I. l. B. sin α. F : force exprimé en Newton (N) I : intensité exprimée en Ampère (A) l : longueur du solénoïde exprimé en mètre (m) B : champ électromagnétique exprimé en Tesla (T) α : angle que forme la direction de B avec celle du fil. Dans une bobine, l angle que forme le direction B avec celle du fil est sensiblement égale à 90 donc sin 90 = 1. A l intérieur du solénoïde, loin des extrémités, le champ est uniforme et parallèle à l axe. Sa valeur est donnée par la relation : B = µ 0 (N.I)/l, Avec µ 0 = 4Π dans le Système International d unités (kg. m. A - 2.s -2 ) ; l, la longueur du solénoïde, s exprime en mètre (m), I en ampère (A) et B en tesla (T) ; N est le nombre total de spires constituant le solénoïde.

10 2-Explication de l électromagnétisme. 2-A. dans quelles conditions une tension apparaît aux bornes de la bobine? Principe de la conversion de l énergie mécanique en énergie électrique.

11 D un mouvement rapide à la main, faisons entrer un pôle de la bobine puis faisons le sortir. En faisant cette manipulation nous avons pu observer l apparition d une tension variable entre les bornes de la bobine le phénomène analogue se produit si nous plaçons la bobine par rapport à l aimant rester fixe. Nous pouvons donc déduire qu une force électromotrice, associé au mouvement de l aimant par rapport à la bobine, apparaît au sein de celle-ci. En fermant le circuit électrique de la bobine à la résistance. La bobine se comporterait alors comme un générateur électrique. Pour conclure la mise en mouvement d un aimant ou d un électroaimant par rapport à un circuit électrique permet de convertir une partie de l énergie mécanique associé au mouvement en énergie électrique.

12 2-B. Pourquoi peut on dire qu il a conversion d énergie électronique en énergie mécanique? Couplage électromécanique. Energie électrique Convertir Energie mécanique Bobine Conversion d énergie électrique en énergie mécanique. Un circuit électrique parcouru par un courant et soumis a un champ magnétique et subit des forces électromagnétique ou force de laplace.

13 Portion de circuit parcouru par un courant Mise en mouvement de la portion de circuit Energie électrique. Energie mécanique. Action champ magnétique Applications nombreuses : moteurs électrique, lave linge Moteur à courant continue. Un moteur est constitué d un cylindre formé de tôles empilées, appelée rotor tournant autour d un axe entre deux pôles d électroaimant, le stator. Les conducteurs associé en spires sont logés dans les encoches de rotor et sont parcourus par un courant électrique. Une spire est soumise aux forces de Laplace qui provoque sa rotation. La spire est reliée à l alimentation par des balais qui frottent sur les collecteurs. Lorsque la spire tourne, les collecteurs permettent d inverser le sens du courant qui la parcourt. C est grâce à ce changement de sens que le moteur est soumis a des forces de Laplace ; qui font tourner la spire toujours dans le même sens. Un moteur est donc un convertisseur d énergie électrique en énergie mécanique.

14 Conversion d énergie mécanique en énergie électrique. Portion de circuit électrique en présence d un champ magnétique. Energie mécanique. Mouvement relatif de la portion de circuit et du champ magnétique. Apparition d une tension aux bornes du conducteur Energie électrique. Applications nombreuses : les alternateurs des centrales électriques permettent de fournir l énergie électrique dont l industrie et les usagers ont besoin.

15 Les alternateurs. Les alternateurs ont les mêmes fonctions qu un aimant qui tourne devant une bobine, ce qui provoque une tension alternative, dans les alternateurs ce phénomène est utilisé pour produire une tension électrique. Exemple de la vie quotidienne, la dynamo de la bicyclette est un alternateur. Tandis que dans l industrie, les alternateurs utilisés, ont des électroaimants à la place de l aimant, et leur champ magnétique est plus fort. L alternateur est donc un convertisseur d énergie mécanique en énergie électrique.

16 3-Expérience commentée. 3-A. Modélisation Cf vidéo. 3-B. Explication. Le verrou électromagnétique est composé d'une bobine, et d un aimant. Son principe de fonctionnement est simple; - Verrouillage qui consiste à mettre la bobine (proche de l'aimant) sous tension, le courant développera un champ électromagnétique, qui provoquera le coulissement de l'aimant à travers la porte (fermé). La seule façon de l'ouvrir est d empêcher le passage du courant. L'inconvénient de se principe est qu'en cas de panne électrique, l'ouverture et la fermeture de cette porte est stabilisé à l'état voulu, décrit par ses normes de sécurité. L avantage est que l on peut le fermer à distance.

17 L utilisateur du verrou magnétique Sur la fermeture Verrou magnétique Permettre à l utilisateur de fermer la porte grâce au verrou magnétique CONCLUSION : D après ce que nous venons de vous expliquer. Nous pouvons créer un verrou électromagnétique malgré des inconvénients qui persisteront.