Phys. N° 03 :
Le Champ Magnétique
Cours

   

 

 

I- Interaction électromagnétique.

1)- Les aimants.

2)- Analogie courant - aimant.

II- Le champ magnétique.

1)- Existence et représentation.

2)- Spectres magnétiques.

3)- Mesure du champ magnétique.

III- Champ magnétique terrestre.

1)- Géométrie du champ.

2)- Mesure et valeur.

IV- Champ magnétique Uniforme.

1)- Champ magnétique à l’intérieur

d’un solénoïde. (TP Physique N° 2)

2)- Les bobines de Helmholtz.

3)- L’électroaimant.

V- Applications.

1)- Exercice 9 page 54:

2)- Exercice 10 page 54 :

3)- Exercice 13 page 55 :

4)- Exercice 16 page 55 :

5)- Exercice 25 page 57 :

6)- Exercice 29 page 58 !

 

I- Interaction électromagnétique.

1)- Les aimants.

-    Les aimants sont des corps capables d’attirer le fer.

-    Cette propriété, appelée ferromagnétisme existe pour 5 éléments : le fer, le cobalt, le manganèse, le gadolinium et le dysprosium.

-    Elle existe aussi pour certains alliages de ces métaux.

-    On nomme pôles magnétiques les régions de l’aimant où le magnétisme semble être le plus intense.

-    Par convention, on désigne par pôle Nord l’extrémité d’une aiguille aimantée qui désigne le Nord géographique et par pôle Sud l’autre extrémité.

 

-    Interaction entre aimants : 2 pôles de même nom se repoussent et 2 pôles de nom différent s’attirent.

 

2)- Analogie courant - aimant.

-    Expérience d’Oersted : un conducteur parcouru par un courant engendre une interaction électromagnétique avec un aimant.

-    Il crée dans tout l’espace environnant un champ magnétique.

-    Faces d’une bobine :

-    Une bobine est constituée d’un enroulement de fil conducteur, recouvert d’un vernis isolant, sur  un cylindre de rayon r.

-    On désigne par L la longueur de l’enroulement et par r le rayon d’une spire :

 

-    Si L et petit devant r, la bobine est plate

-    Si L est voisin de r la bobine est appelée : solénoïde

-    Si L est plus grand que 10 r, le solénoïde est dit infini.

-    Une bobine parcourue par un courant se comporte comme un aimant, elle possède une face Nord et une face Sud.

-    Règles pour déterminer les faces Nord et Sud d’une bobine :

-    Vue de face :

 

 

-    Vue de profil : règle de la main droite

 

 

 

II- Le champ magnétique.

 1)- Existence et représentation.

-    Un aimant ou un conducteur parcouru par un courant agit à distance sur tout autre aimant.

-    Il modifie les propriétés de l’espace qui l’environne. On dit qu’il produit un champ magnétique.

-    Pour détecter ce champ magnétique, on utilise le plus souvent une aiguille aimantée.

-    Cette aiguille détectrice subit un couple de forces qui l’oriente.

-    Elle donne l’orientation du champ magnétique.

-    Représentation du champ magnétique :

-    En un point P de l’espace, le champ magnétique est représenté par un vecteur :

 

 

- Le point d’application P

- La direction : celle de l’aiguille aimantée

placée en ce point

- Le sens dirigé du pôle Sud vers le pôle Nord

de l’aiguille détectrice ou du pôle Nord vers

le pôle Sud de la source de champ.

- Valeur B en tesla (T)

 

2)- Spectres magnétiques.

-    Pour visualiser le spectre magnétique d’un aimant, on utilise de la limaille de fer.

-    En présence de l’aimant, les grains de limaille de fer se comportent comme autant d’aiguilles aimantées qui s’orientent sous l’action du champ magnétique.

-    Elles s’orientent et dessinent des lignes, appelées lignes de champ.

-    L’ensemble des lignes de champ donne le spectre magnétique.

 

 

 

 

3)- Mesure du champ magnétique.

-    Pour mesurer un champ magnétique, on utilise un teslamètre à sonde de Hall.

-    Cette sonde délivre une tension proportionnelle à la valeur du champ magnétique. Cette tension est amplifiée par un système électronique.

-    Dans le S.I., l’unité de champ magnétique est le Tesla, symbole T.

-    Récapitulatif :

 

 

Point d’application : P

Direction : tangente à la ligne de champ au point considéré.

Sens : du pôle Sud vers le pôle Nord de l’aiguille détectrice.

Valeur B en Tesla T

 

 

III- Champ magnétique terrestre.

1)- Géométrie du champ.

 -    Le champ magnétique terrestre trouve son origine dans les mouvements de matière se déroulant à l’intérieur du globe terrestre

(courants électriques provoqués par les courants de convection dans le noyau ; fluide conducteur, principalement du fer en fusion).

-    En un point déterminé de la surface de la terre, le vecteur champ magnétique terrestre a les caractéristiques suivantes :

-    Il est contenu dans un plan vertical, passant par les pôles magnétiques terrestres, appelé : Plan méridien magnétique.

 

-    Son pôle Nord s’incline vers le sol. Sa direction fait avec l’horizontale un angle i appelé inclinaison (en France, i ≈ 60 °)

-    Ce champ peut être décomposé en

 

Une composante horizontale

 

Et une composante verticale

 

 

-    Remarque : l’aiguille aimantée d’une boussole disposée horizontalement n’est sensible qu’à la composante horizontale  du champ magnétique .

 

2)- Mesure et valeur.

 -    La mesure de la valeur du champ magnétique BT est difficile à faire avec une sonde de Hall, car la valeur est faible.

-    On peut mesurer la valeur de Bh grâce à la boussole des tangentes.

-    Bh ≈ 2,0 x 10 – 5 T

-    application : Déterminer en un point O de la surface de la terre les valeurs de Bv et BT.

-    Schéma :

 

 

 

IV- Champ magnétique Uniforme.

 

1)- Champ magnétique à l’intérieur d’un solénoïde. (TP Physique N° 2)

 

-    Le champ magnétique à l’intérieur d’un solénoïde est pratiquement uniforme.

-    Les lignes de champ à l’intérieur du solénoïde sont des droites parallèles.

 

-    Caractéristiques du vecteur champ magnétique.

 

 

- point d’application : le champ est uniforme

- direction parallèle à l’axe du solénoïde

- sens : il sort par le pôle Nord (règle de la main droite)

- valeur : ou B = μ. n . I

Avec

μ: perméabilité du vide :

- μ= 4 π x 10 – 7 S.I (Henry / mètre : H / m)

- N : nombre total de spires

- ℓ : longueur du solénoïde en mètre m

-   : nombre de spires par mètre

- I intensité du courant en ampère A

- B valeur du champ magnétique en tesla T

 

 

-    Remarques : La perméabilité de l’air est voisine de celle du vide : μ = μ. μ

-    Pour l’air : μ≈ 1,0.

-    Pour le fer doux : μ= 1 + χm avec μr perméabilité relative et χm susceptibilité magnétique.

 

2)- Les bobines de Helmholtz.

-    Ce sont deux bobines : plates, coaxiales, séparées par la distance et parcourues par le courant I de même intensité et de même sens.

-    Si = r, le champ magnétique est pratiquement uniforme entre les bobines.

-    Schéma :

 

-    Caractéristiques de .

 

 

- point d’application : le champ est uniforme

- direction parallèle à l’axe du solénoïde

- sens : il sort par le pôle Nord (règle de la main droite)

- valeur : 

 

3)- L’électroaimant.

 -    Pour augmenter le champ magnétique créé par une bobine, on peut introduire dans celle-ci un noyau de fer doux.

-    L’ensemble {bobine, noyau de fer doux} constitue un électroaimant.

-    La valeur du champ magnétique créé par l’électroaimant varie toujours avec l’intensité du courant I,

mais la valeur du champ magnétique n’est plus proportionnelle à l’intensité du courant I.

V- Applications.

1)- Exercice 9 page 54:

2)- Exercice 10 page 54 : 

3)- Exercice 13 page 55 :

4)- Exercice 16 page 55 :

5)- Exercice 25 page 57 :

6)- Exercice 29 page 58 !