[PDF] Intégrales elliptiques et champ magnétique créé par une spire


Intégrales elliptiques et champ magnétique créé par une spire


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    D'après la loi de Biot et Savart d B ? = ? 0 I 4 ? d ? ? ? u ? r 2 le champ d B ? ( M ) , fait un angle ? / 2 ? ? avec l'axe (O ).
  • Comment créer un champ magnétique avec une bobine ?

    Afin d'obtenir un champ plus intense, on enroule le fil conducteur autour d'un cylindre. Le champ magnétique d'un tel soléno? est non seulement plus intense que pour un fil droit, il est aussi quasiment uniforme à l'intérieur de cette bobine .
  • Comment se créer le champ magnétique ?

    Lorsque le fer en fusion circule dans le champ magnétique existant, il génère un courant électrique, gr? au mécanisme d'induction magnétique. Ce courant électrique nouvellement induit crée, à son tour, un champ magnétique.
  • Lorsqu'il s'agit d'une bobine composée de plusieurs spires de même rayon, l'intensité du champ magnétique �� est donnée par l'équation �� = �� �� �� 2 �� , ? où �� est le courant dans chaque spire, �� est le rayon des spires, �� est le nombre de spires, et �� ? est la perméabilité magnétique du vide ayant pour valeur 4 �� × 1 0 ?
Intégrales elliptiques et champ magnétique créé par une spire circulaire par Thierry PRÉ

Lycée Turgot - 75003 Paris

thierry@pre.fr

RÉSUMÉ

Nous cherchons des expressions valables en tout point du champ magnétique créé par une spire circulaire parcourue par un courant d'intensité constante. Ces expressions font intervenir des intégrales elliptiques. Nous montrons ensuite comment ces expressions peuvent être utilisées dans un logiciel de calcul symbolique pour tracer rapidement des lignes de champ dans des situations plus ou moins complexes.

INTRODUCTION

Si le champ magnétique créé par une spire de courant circulaire sur son axe est impli- citement au programme de physique de PCSI (Physique, chimie, sciences de l'ingénieur), ce n'est plus le cas dès qu'on s' intéresse au champ en dehors de l'axe. Un exercice clas- sique de PCSI permet de donner une approximation du champ près de l'axe par un calcul de flux magnétique sur une surface cylindrique et une approximation dipolaire permet de retrouver le champ loin de la distribution de courant. Le calcul direct du champ, partout dans l'espace, est pourtant nécessaire dès qu'on

cherche à tracer les lignes de champ d'une ou plusieurs spires, et à montrer comment évolue le champ lorsque la distribution de courant se rapproche d'un solénoïde.

Nous avons choisi de calculer le champ magnétique créé par une spire circulaire de courant en appliquant directement la loi de Biot-Savart, tel que peut le faire un étudiant de PCSI. Nous donnerons rapidement en annexe la méthode de calcul qui utilise le potentiel vecteur, qui n'est pas au programme de CPGE (Classes préparatoires aux grandes éco- les) première année. Nous aboutirons à une ex pression faisant intervenir les intégrales

elliptiques complètes. Il est évident que ce travail illustre la complémentarité avec le cours

de mathématiques. Nous utiliserons ensuite dans différentes situations, les nouvelles fonctionnalités du logiciel Mathematica 7 qui permet, à partir d'une expression symbolique, de tracer des li- gnes de champ.

1. CHAMP MAGNÉTIQUE CRÉÉ PAR UNE SPIRE DE COURANT CIRCULAIRE

1.1. Notations

On s'intéresse donc au champ magnétique créé par une spire de courant circulaire, de rayon a et de centre O placée dans le plan . On cherche le champ magnétique en

un point P qu'on prendra pour simplifier dans le plan (O. Ce point sera repéré dans ce plan par ses coordonnées polaires

(Oxy) xz) ,. Le plan (O étant un plan d'antisymétrie de xz) la distribution de courant, le champ magnétique en P est dans ce plan et donc n'a pas de composante suivant . Il ne reste donc plus qu'à calculer (ou )et . Oy x B r B z B En première année de CPGE, le potentiel vecteur n'étant pas au programme, nous avons donc effectué le calcul en utilisant la loi de Biot et Savart : 0 3 IdQP B 4 QP . Q est un point de la spire repéré par l'angle et d un élément de circuit.

Figure 1

Avec ces notations, on a :

xyz sin OP0 cos e;e;e xyz acos

OQasin

0 e;e;e xyz sinacos

QPasin

cos e;e;e xyz asind dacos 0 e;e;e d et : 2 xyz acoscosd dQPacossind e;e;eaasincosd

Puis :

3 3 22
2

QPa2asincos

Finalement :

0 x3/2 22

Iacoscosd

dB 4 a2asincos (1) 2 0 z3/2 22
aasincosd I dB 4 a2asincos z B (2) et : 22
xxz 00

BdB;Bd

(3)

1.2. Expression en fonction des intégrales elliptiques

On trouve dans la littérature [1] des expressions du champ en fonction des intégrales elliptiques complètes : /2 22
0 d K(k) 1ksin et /2 22
0

E(k)1ksind

(4) Nous avons cherché à redémontrer ces formules. Pour cela, remar quons tout d'abord que : 22222
22222

222222

a2asincosa2asin2cos1 2 a2asincosa2asin4asincos 2 a2asincosa2asin1kcos 2

En posant :

2 222

4asin4ar

k a2asin(ar)z 2 , on remarque que cette grandeur ne dépend que de la position du point P et ne dépend pas de Q (ou ). On peut donc écrire (3) sous la forme : 2 0 x3/23/2 22
022

Iacoscosd

B 4 a2asin 1kcos 2 (5) 2 0 z3/23/2 22
022
asincosd Ia B 4 a2asin 1kcos 2 (6)

Avec : zcos et rsin, on a :

2

3/21/2

2222
acoszk

4r(ar)za2asin

(7) et : 2

3/21/2

2222
ak

4r(ar)za2asin

(8) Donc, on peut écrire (5) et (6) sous la forme : 2 1/2 220
x Izk

B(ar)z

16rquotesdbs_dbs4.pdfusesText_8
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