Sciences Physiques T_STL. Champ magnétique

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1 Champ magnétique Aimants : Corps naturels ou artificiels capables d'attirer le fer, le nickel, le cobalt 2 aimants se repoussent ou s'attirent suivant les faces présentées pôles Un aimant libre s'oriente dans la direction NS dénomination des pôles nord et sud Un aimant brisé produit 2 aimants : l aimantation est une propriété microscopique de la matière Rémanence : propriété d'un corps aimanté de conserver son aimantation (cette aimantation peut être perdue par élévation de la température)

2 Champ magnétique : B r Un aimant possède une action à distance. Pour caractériser en chaque point de l'espace cette action, on utilise la notion de champ. Le vecteur champ magnétique est noté B et s'exprime en teslas (T) L'ensemble des directions prises par B peut être matérialisé par de la limaille de fer donnant constituant un spectre. L'orientation de ces lignes de champ est donnée par la règle suivante : A l'extérieur d'un aimant, les lignes de champ sortent par le nord et rentrent par le sud. Les champs suivent les lois d addition des vecteurs Champ magnétique terrestre : La Terre se comporte comme un gigantesque aimant Le champ magnétique terrestre est la résultante de deux composantes: H: composante horizontale du champ magnétique terrestre au point M. V: composante verticale du champ magnétique terrestre au point M. B h = T (Paris) = H + V

3 Champ magnétique créé par un courant : Expérience d'oersted Lorsque le courant passe l'aiguille est déviée Champ créé par un fil Champ créé par une bobine plate Champ créé par une bobine longue (solénoïde)

4 Force de Laplace Produit vectoriel Le produit vectoriel est une opération entre deux vecteurs r v De norme u = u v sin(α ) De direction perpendiculaire au plan défini par les deux vecteurs De sens direct α =0 les deux vecteurs sont coliéaires et leur produit vectoriel est nul α =90 les deux vecteurs sont hortogonaux et sin(α) =1 [cas le plus courant] Loi de Laplace Placons un fil parcouru par un courant I et placé dans un champ magnétique B sur une longueur L. On observe un déplacement du fil proportionnel à l'intensité du courant et à l'intesnité du champ magnétique. F=IxLxBxsin(α) La direction et le sens sont déterminés par la règle du bonhomme d'ampère (le courant lui rentre par les pieds et sortant par la tête, regardant fuir les lignes de champ, la force est orientée sur sa gauche) F en newtons (N) I en ampères (A) L en mètres (m) B en teslas (T)

5 Applications Déviation d'un faisceau de particules chargées électriquement Les charges électriques (électrons, positons, α) en mouvement, sont déviées par un aimant. Il faut remplacer dans l expressionde la force I par qv où V est la vitesse. Roue de Barlow Balance de Cotton Moteur à courant continu Haut-parleur

6 Exercices :

7 Induction électromagnétique Mise en évidence Le déplacement relatif d'un circuit et d'un champ induit une tension au bornes du circuit Notion de flux Vecteur surface φ =BScosα Lois sur l'induction e = -dφ/dt Loi de Lenz : Le courant induit s'oppose par ses effets aux causes qui l'ont produit. Si le flux diminue, le courant induit produit un champ qui s'oppose à cette diminution Si le flux augmente, le courant induit produit un champ qui s'oppose à cette augmentation. Applications Microphone Alternateurs Courants de foucault Auto-induction Une bobine parcourue par un courant génère un champ magnétique B=µ 0 ni. Si I varie B varie et le flux propre de la bobine varie φ =B.NS= µ 0 ni.ns =µ 0 nns I = LI L est l'inductance de la bobine (ne pas confondre avec la longueur) en henry H (étincelle) Si la bobine possède un noyau en fer doux son inductance augmente fortement n'est plus déterminée par la formule précédente. Loi de Lenz : Le

8 Circuit RLC en régime sinusoidal alternatif Tensions s Ces tension s'observent à l'oscilloscope. u = Um cos ωt u est la tension instantanée Um amplitiude T période f fréquence ω la pulsation =2πf Intensités Lorsque le circuit ne comporte que des conducteurs ohmiques u et i varient ensemble, ces deux grandeurs sont "en phase".(pour obsetrver i, on observe u aux bornes d'une résistance) Mais lorsque le circuit comporte une bobine (e=-ldi/dt) ou un condensateur, u et i peuvent être déphasées. i = Im cos(ωt+ϕ) ϕ est le déphasage qui peut être nul EN RADIANS Bobine u(t) est en avance de Π/2 sur i(t) Condensateur u(t) est en retard de Π/2 sur i(t) Grandeurs efficaces Si on mesure les tensions ou les intensités avec un controleur, on mesure une grandeur qui aurait le même effet joule en courant continu. Um = Ueff 2 Im = Ieff 2 Lois en alternatif Notion d'impédance Z= U eff /I eff Loi d'ohm U eff = Z. I eff Z =(R²+(Lω-1/Cω)²) 1/2 Résonnance Lorsque Lω-1/Cω = 0 ou LCω² =1 alors Z=R et l'intensité est maximale.

9 Électromagnétisme Loi de Laplace F=IL B sinα en N Flux magnétique φ =BScosθ en Wb fem induite e = -dφ/dt en V Loi de Lenz : Le courant induit s'oppose par ses effets aux causes qui l'ont produit. Circuit RLC en régime sinusoïdal alternatif Conducteur ohmique R en ohms Bobine ou Self L en henrys H Condensateur C en farads F Tension et Intensité u = Um cos ωt Um = U 2 (U tension efficace mesurée au voltmètre, Um visualisée à l'oscillo) i = Im cos(ωt+ϕ) Im = I 2 (I intensité efficace et ϕ déphasage pouvant être nul) T période en s f fréquence en Hz f=1/t ω la pulsation =2πf en rad/s Z impédance en Ω Pour une résistance Z R = R Pour une bobine Z L = Lω Pour un condensateur Zc =1/Cω Cas général Résonance Z U = I = Z 2 R + ( Z L Z C Lorsque Lω-1/Cω = 0 ou LCω² =1 alors Z=R et l'intensité est maximale, en phase avec la tension ) 2 = R ( Lω ) Cω 2

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