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2UAA6:L'électromagnétismeI- Lechampmagnétique1) AimantsetpôlesUnaimantestuncorpscapabled'exerceruneforceattractiveàdistancesurleferetsesdérivés,lescorpsferromagnétiques.(Ex:Co,Ni,acier,...)Cettepropriétéattractivesetrouveàl'étatnatureldanslamagnétite,unoxydedefer(Fe3O4).Cemineraiétaitconnudansl'AntiquitésetrouvaitnotammentauxenvironsdelavilledeMagnésiedansl'AsieMineure(enLydie,Turquie).LesGrecsl'ontappelépierred'Héraklea(ThalèsdeMilet)ouencorepierrelydienne(Sophocle)avantdeladésignerparmagnes(Euripide-Platon).2) LespôlesSil'onveutramasserdelalimailledeferavecunaimant,ons'aperçoitquel'attractionsemanifesteprincipalementauvoisinagedesextrémitésappeléespôlesdel'aimant.Lorsqu'onlaisseuneaiguilleaimantée(boussole)sedirigerlibrement,onremarquequ'ellesestabilisetoujourssuivantlamêmedirectionquiestapproximativementladirectionSud-Nordgéographique.OnappelleraparconventionPôleNorddel'aiguilleaimantéesonextrémitépointantverslenord,etpôleSudl'autreextrémitéDeuxpôlesdemêmenomserepoussentetdeuxpôlesdenomsdifférentss'attirent.Ilestimpossibled'isolerlepôlenorddupôlesudd'unaimant.Sionbriseunaimant,onobtient2petitsaimantscomportantchacununpôlesudetunpôlenord.

33) LechampmagnétiqueetsareprésentationOnsaitqu'unechargeélectriquemodifielespropriétésdel'espacequil'entoureencréantdesforcesélectriques.Onditalorsqu'ilrègneunchampélectriquedansl'espace.Unaimantmodifielespropriétésdel'espacequil'entoureencréantdesforcesmagnétiques.Paranalogieaveclechampélectriqueonditalorsqu'ilexisteunchampmagnétiquedansl'espacequientoureunaimant.a) DéfinitionUnchampmagnétiqueestunerégiondel'espacedanslaquelleunepetiteaiguilleaimantéeestsoumiseàl'actiond'uncoupledeforce.b) Expériences(voirvidéo)Ensaupoudrantdelalimailledefersurunaimantdroit,ons'aperçoitquelesgrainsdelimaillesedisposentsuivantdescourbes:Cescourbessontappeléeslignesdechampmagnétiquesetl'ensembledeceslignesconstituentlespectremagnétiquedel'aimant.Sil'onpositionneunepetiteaiguilleaimantéemobileautourd'unaxeendifférentspointsdelaplaque:celle-cisestabiliseàchaqueposition• dansunedirectionprivilégiéetangenteàlalignedechamppassantparlepoint• avecunsensquiestconventionnellementceluiquivadupôlesudaupôlenorddel'aiguilleaimantée.Ilsuffitdoncdeplacertouteuneséried'aiguillesaimantéesautourd'unaimantetdevoirlesdirectionsqu'ellesprennentpourétudierlaformed'unchampmagnétiqueautourdel'aimant.c) LevecteurinductionmagnétiquePourcaractériserunchampmagnétique,onvadoncutiliserunvecteurappelévecteurinductionmagnétiqueB

ur

quiseradéfinienchacundespointsduchamp.• Ligned'action:droitetangenteàlalignedechampaupointconsidéré• Sens:parconventionquipartdupôleNordetsedirigeverslepôleSuddel'aiguilleaimantée.• Intensitéduchampmagnétique:unitéTeslaT(voirultérieurementcommentlacalculer).

4Remarque:• l'ordredegrandeurduchampmagnétiqued'unaimantdroitestdel'ordredequelquesmillièmesdetesla• Lavaleurduchampmagnétiqueterrestreestdel'ordredequelques5

10

tesla.d) Exemplesdespectresmagnétiques(topographied'unchampmagnétique)Ilexisteuneinfinitédelignesd'inductionmagnétique.Dansl'entreferduferàcheval(aimantenU)lechampmagnétiqueestuniforme(vecteursB

ur

identiquesentoutpoint)II- Champmagnétiquecrééparuncourant1) Casd'uncourantpassantdansunfilrectilignea) Expérienced'OerstedEn1819,Oersted(Copenhague)étaitoccupéàmontreràsesélèvesleseffetsthermiquesducourantélectriquedansunconducteur,lorsquesonattentionfutattiréeparunphénomèneinattendu.Ilremarquaqu'uneaiguilleaimantée,quisetrouvaitparhasarddanslevoisinageduconducteur,déviaitchaquefoisquecelui-ciétaittraverséparuncourantélectrique.Ilputalorsconstaterquel'aiguilleaimantéetentaitchaquefoisdeprendreladirectionnormaleauconducteuretquelorsqu'oninversaitlecourant,l'aiguilleinversaitladirectiondesonpôlenord.(élémentsdephysiqueT.3,DelaruelleetClaes)

5Deparsonexpérience,Oerstedmettaitenévidenceunlienentrelecourantélectriqueetl'existenced'unchampmagnétique.Lorsqu'onexaminelespectremagnétiqueobtenu,ons'aperçoitqueleslignesdechampsontdescirconférencesconcentriquessetrouvantdansunplanperpendiculaireaucourantélectrique.Lesensdeslignesdechampestconformeàlarègledutire-bouchonourègledelamaindroiteourègledupetitbonhommed'ampère:Lebonhommealecourantquiluipasseparlespiedsetvoitlechampmagnétiquecirculerdesadroiteverssagaucheb) IntensitéduvecteurinductionmagnétiqueBOnremarquequel'intensitédeBest:• proportionnelleàl'intensitéducourant:i

• etinversementproportionnelàladistanced 2.10 i B d

2) Casd'uncourantpassantdansunconducteurcirculaire(unespire)Leslignesd'inductionmagnétiquesontdescerclesauvoisinagedesconducteurssituésdansunplanperpendiculaireàlaspire.Ellessedéformentpourtendreàdevenirrectilignesàmesurequ'ellesserapprochentdel'axedelaspire.Leslignesd'inductionsortentparuneface,appeléefacenordetrentreparl'autrefaceappeléefacesud.

6a) DéterminationdespôlesOndéfinielepôlesudd'unespireétantlafacedevantlaquelleilfautseplacerpour"voir»lecouranttournerdanslesensdesaiguillesd'unemontre.Danslecascontraire,onsetrouvedevantlepôlenord.Remarque:lesensdeB

ur

estinversélorsquel'oninverselesensducourantb) IntensitéduvecteurinductionmagnétiqueBaucentredelaspireOnpeutdéduirelavaleurdeBd'aprèscequiaétévuaucasprécédent:7

2.10. o i B R ur

estd'autantplusgrandequel'intensitéducourantestimportanteetquelerayondelaspireestpetit.3) Spectremagnétiqueauvoisinaged'unebobinea) DéfinitionUnebobineousolénoïdes'obtientenenroulantunfilconducteursuruncylindreisolantdegrandelongueur,parrapportàsondiamètre

7b) SpectremagnétiqueOnplacedesaiguillesaimantéesouonsaupoudredelimailledefer.OnfaitpasseruncourantcontinudanslabobineChacunedesaiguillesaimantéessestabiliseLesgrainsdelimailledeferseplacentselondeslignespermettantdedistinguerunspectreintérieuretunspectreextérieurDanslapartiecentraledelabobinelespectreintérieurestceluid'unchampmagnétiqueuniforme.Lespectreextérieurd'unebobineestsemblableàceluid'unbarreauaimanté.Remarques:• sioninverselecourantlesaiguillesaimantéessestabilisentdanslesensinverse• Lesensduchampmagnétiquepeutêtreretrouvéparlarègledupoucedroit• SelonlesensduchampmagnétiqueondéfinitlepôleNordetlepôleSuddelabobinequidevientunélectroaimant.c) Intensitéduvecteurinductionmagnétiqueaucentredelabobine:nombre de spires de la bobine

: longueur de la bobine (m) B : intensité du courant (A) : perméabilité magnétique du milieu (Tm/A) o N l N i i l i

8Remarque:• µ

etvaut7

410 Tm/Aπ

• Onpeutobtenirunemêmevaleurpourl'inductionmagnétique,B,enjouantsoitsurl'intensitéi,soitsurlenombretotaledespires,N.(5spiresavec100Aou2000spiresavec0,25A)d) Introductiond'unnoyaudeferdansunebobineLe fer est un matériau magnétique. Des particules magnétiques sont présentes à l'intérieur du fer. Dans le fer doux, ces particules s'alignent sur un champ magnétique externe. De cette façon, le noyau de fer doux agit comme un aimant à part entière. Une fois que le champ externe aura été éliminé, le noyau retrouvera son état normal. Imaginons maintenant que nous insérions une pièce en fer doux au centre d'une bobine de fils de cuivre. Lors de la mise sous tension, la bobine devient un électroaimant. En outre, le noyau de fer doux se transforme lui aussi en aimant. Sa puissance viendra dès lors s'ajouter à celle de l'électroaimant. L'effet du noyau de fer doux est nettement supérieur au doublement de l'intensité du courant ou du nombre de spires. III- L'utilisationdesélectroaimantsUnebobinedevientunélectroaimantdèsqu'uncourantletraverse.Unélectroaimantestunaimantquifonctionneàl'électricité.Ilpeutêtreactivéetdésactivé.Lesélectroaimantspermettentdenombreuxusages.Envoiciquelquesexemples.• Unesonnetteélectrique-Lesélectroaimantsfontvibrerlemarteauselonunmouvementdeva-et-vientquidéclenchelasonnerieducarillon.Lasonnerieestconstituéed'untimbre,d'unebandeàtrousenaciermontéesurunelamelleflexibleetd'unélectro-aimant.Celui-ciattirelabandeàtrousquis'abaisseetvientheurterletimbre.Acemoment,labandenetouchepluslavisdecontactquitransmettaitlecourantverslebobinagedel'électro-aimant.Lecourantnepasseplus,l'aimantationcesse,labanderemonte.Puislecyclerecommence.

9• Uneserrureélectrique-Aprèsavoirréponduàl'interphone,vouspouvezdéverrouillerlaportedepuisl'étage.Unélectroaimantouvreleverroudelaserrure.Endésactivantl'électroaimant,leverrouseremetenplace• Unegrue-Unegruedeferrailleurpeutsouleverunevoitureentière.Aprèsl'avoiramenéeenposition,oncoupel'électroaimantpourdéposerlacarcasse.• Uninstrumentchirurgical-Unchirurgienophtalmologuepeutenleverdeséclatsd'acierdel'oeildesonpatientàl'aided'unélectroaimant.Ilaugmentel'intensitéjusqu'àcequel'électroaimantexerceuneattractiontoutjustesuffisantepourenleverdélicatementlemétal.IV- Laforceélectromagnétique1) MiseenévidencedelaforceélectromagnétiqueToutconducteurparcouruparuncourantetplongédansunchampmagnétiquereçoituneforceélectromagnétique,laforcedeLaplace,proportionnelleàl'intensitéducourantetduchampmagnétique.Laplaceestunphysicienmathématicienfrançais(1749-1827)LaforceestplacéedansunplanperpendiculaireauxplanscontenantleconducteuretB

ur

:onobtientsadirectionàl'aidedelarègledelamaindroite.Règledelamaindroite:onplacelepouce,l'indexetlemajeurperpendiculairementlesunsauxautre.Sionplacel'indexdansladirectionducourantélectrique,lemajeurdansladirectionduchampmagnétique,alorslepouceindiqueladirectiondelaforcedeLaplace.Intensitédelaforceélectromagnétique:... sinFBiLα=

etsoumisàl'actiond'unchampB ur faisantunangleα

102) Principeduhaut-parleurLehaut-parleurlepluslargementutilisé(99%)estlehaut-parleurélectrodynamique.Nousallonsvoirsonprincipedefonctionnementici.Safonctiondansuneenceinteestd'agircommeundoubletransformateurd'énergie:1) Premièrementilreçoitlesignalaudio,quiestuneénergieélectrique,qu'ilvatransformerenuneénergiemécanique.Eneffet,certainespartiesduhaut-parleur(labobinemobile)vontsemettreenmouvementlorsqu'unsignalaudioestreçu.2) Deuxièmementiltransformecetteénergiemécaniqueenuneénergieacoustique,grâceàsamembrane.Celle-ciestreliéeàlabobinemobile,etauradonclesmêmesmouvementsquecettedernière.Etc'estensedéplaçantsousl'actiondelabobinemobilequelamembranecréeraunepressionacoustique,quin'estautrechosequelesonproduit.Remarque:onpeutfacilementobserverlapressionacoustiqueproduiteparlamembranedeshaut-parleurspuissants:enapprochantsamainouunefeuilledepapierduhaut-parleurlorsquecelui-ciémetunsonfort,onpeutsentirdessoufflesd'airprovoquésparlesdéplacementsdelamembrane.Explication du fonctionnement: Leprincipedebasedufonctionnementd'unhaut-parleurestrégiparlaloideLaplace.Les2conditionsindispensablesdedépartsont:1) L'aimantcréeunchampmagnétiqueauniveaudelabobine.2) Labobinemobileestelle-mêmeparcourueparuncourant,quiprovientdel'amplificateuraudio.Avecces2conditions,laloideLaplacemontrequ'uneforceapparaîtalorsauniveaudelabobinemobile,quilafaitsedéplacerdansunsensoudansl'autreenfonctiondusensducourantquilaparcourt.Commelabobinemobileestreliéeàlamembrane,cettedernièresuitlesmouvementsdelabobine.Parsesdéplacements,lamembraneexercedespressionssurl'airenvironnant(dessurpressionslorsquelabobineetlamembranesedirigentversl'extérieurduhaut-parleur,etdesdépressionslorsquelabobineetlamembranerentrentversl'intérieur).Cesontcesvariationsdepressionquiproduisentlesonquel'onperçoit.Lerôleduspideretdelasuspensionextérieureestsimplementdeguiderlemouvementdeva-et-vientdelabobineetdelamembranebiendansl'axeduhaut-parleur,etqueceux-cin'aillentpasdetravers.

113) LemoteurélectriqueLemoteurélectriqueestundispositifélectromécaniquepermettantdetransformerl'énergieélectriqueenénergiemécanique.Ilestcomposédefilsconducteursplacésàlapériphéried'unaxetournant.Lafaçondedisposerlesfilsconducteurspermetdecréerdesforces.Cesdernièresconstituerontlecouplemoteur(effortderotationappliquéàunaxepardeuxforceségalesetopposéessurdifférentspointsdecetaxe)Lesflèchesindiquentlesensducourant(duplusverslemoins).Vouspouvezreconnaîtreleslignesduchampmagnétiquedirigéesdupolenordverslepolesud.OnareprésentélaforcedeLaplacequiestexercéesuruncircuitparcouruparuncourantetplacédansunchampmagnétique.LaforcedeLaplaceestorthogonaleàladirectiondel'intensitéducourantetàcelleduchampmagnétique.L'orientationdecetteforcerésultedel'applicationdelarègletrèsconnuedestroisdoigts(pourlamaindroite!)V- Inductionélectromagnétique1) LaloideLenzNousavonsvuprécédemmentqu'uncourantquipassedansunfilconducteurcréeunchampmagnétique.Onpeutalorssedemandersiunchampmagnétiquepeutcréeruncourantdansunfilconducteur.Sionplaceunaimantimmobileprèsd'unebobineonnevoitapparaîtreaucuncourantdanslabobine.

12Parcontresionavancecetaimantversl'intérieurdelabobineons'aperçoitquedurantledéplacementdel'aimantl'ampèremètremontrequ'uncourantestcréédanslabobine.Enplussionretirel'aimantlemêmephénomèneseproduitmaislecourantindiquéparl'ampèremètreestinversé.L'inducteurestl'aimantquicréelechampmagnétique.Lecourantélectriquequiapparaîtdanslabobineestinduit.Parseseffetsélectromagnétiques,lecourantinduits'opposeàlacausequiluidonnenaissance,c'estàdirel'approchedusuddel'aimant.Deuxpôlesdemêmenatureserepoussent;enconséquenceunefacesudapparaîtsurlabobine,enregarddusuddel'aimant.Le courant induit va créer un champ magnétique qui va s'opposer à la variation du champ magnétique de l'aimant (variation positive puisque le champ créé dans la bobine augmente). La règle de la main droite donne le sens du courant induit, connaissant le sens du champ magnétique. Si on retire maintenant cet aimant vers l'extérieur de la bobine Parseseffetsélectromagnétiques,lecourantinduits'opposeàlacausequiluidonnenaissance,c'estàdirel'éloignementdusuddel'aimant.Deuxpôlesdenaturecontraires'attirent;enconséquenceunefacenordapparaîtsurlabobine,enregarddusuddel'aimant.Lecourantinduitvadonccréerunchampmagnétiquequivacompenserlavariationduchampmagnétiquedel'aimant(variationnégativepuisquelechampcréédanslabobinediminue).Lecourantinduitseradoncinverséparrapportaucasprécédent.2) Applicationsetincidencesa) LesplaqueschauffantesparinductionCertaines plaques chauffantes modernes, qui remplacent les plaques au gaz, fonctionnent par "induction". En fait deux effets interviennent. Le premier effet est l'induction : sous la plaque est disposée une bobine, qui crée un champ magnétique lorsque du courant la traverse. Ce champ magnétique change très vite, et lorsqu'on approche un morceau de métal de cette bobine, il se crée dans le métal un courant électrique : c'est le phénomène d'induction. Cela ne veut pas dire que le métal se charge, et qu'il devient dangereux de le toucher, pas du tout ! Mais comme il est conducteur de l'électricité, le métal est sensible au champ magnétique.

13Le gros avantage, c'est bien entendu que comme notre corps n'est pas sensible aux champs magnétiques variables, puisqu'il n'est pas conducteur de l'électricité, toucher la plaque à induction ou mettre la main au dessus ne provoque pas de brûlure ! Une dernière chose : en fait, toutes les casseroles ne sont pas adaptées aux plaques à induction. Il faut, pour que cela soit le cas, que le fond de la casserole soit fortement aimantable. Dans ce cas, l'effet du champ magnétique est renforcé (de la même manière qu'on met un matériau aimantable dans un électro-aimant pour amplifier le champ créé par une bobine, le fond aimantable renforce l'effet du champ magnétique variable) et les courants induits sont donc beaucoup plus importants. Finalement, c'est un avantage : il n'y a que les matériaux suffisamment aimantables qui soient adaptés. Ainsi, une fourchette ne devient pas immédiatement brûlante quand on l'approche d'une plaque à induction... b) ChampmagnétiqueterrestreLamagnétosphère,crééeparlechampmagnétiqueterrestre,joueunrôleessentieldansledéveloppementdelaviesurterreendéviantlesparticulescosmiquesdehauteénergie.IldéveloppeunesortedebouclierempêchantlebombardementdecesparticulesionisantesquidétruiraientleschainesADNetréduiraientànéanttoutespoird'évolutionbiologique.Danslespériodesdeforteactivitésolaire,onassisteàuneaugmentationbrutaledurayonnementUVetXenprovenancedusoleil,ainsiquedelavitesseduventsolaire.Desparticules(plasma)pénètrentalorsdanslacavitéforméeparlechampmagnétiqueterrestre(appeléemagnétosphère)donnantlieuàdesphénomènesspectaculaires:lesoragesmagnétiquesetlesauroresboréales.Cesphénomèness'accompagnentsouvent:• deperturbationsdessystèmesdetélécommunication(câblessousmarins,ondesradio,GPS)• d'uneaugmentationdesradiationsreçuesparlespassagersdesavionsdeligneetlesastronautes• decourantsinduitsdanslespipelines(accélérantleurusure)• decourantsparasitesdanslesréseauxélectriques• d'avariessatellitairesc) IncidencesdesrayonnementsélectromagnétiquessurlasantéLeschampsmagnétiquesdebassesfréquencesinduisentunecirculationdecourantdanslecorpshumain.L'intensitédecescourantsdépenddel'intensitéduchampmagnétiqueextérieur.S'ilestsuffisammentpuissant,cescourantspeuventstimulerlesnerfsetlesmusclesouaffecterlesprocessusbiologiquesjusqu'auniveauintracellulaire.Laréglementationprofessionnelleconcernantleschampsélectromagnétiquesreposesurladirectiveeuropéenne2004/40/CE.Ellefixelesprescriptionsminimalesenmatièredeprotectiondestravailleursexposésàceschamps,qu'ilssoientliésounonàleuractivitépropre.Elledéfinitégalementlesvaleurslimitesmaximalesdechampsélectromagnétiquesqu'ilnefautpasdépasserenmilieuprofessionneldansl'Unioneuropéenne.

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