Exercice 1: Câble coaxial et Théorème dAmpère (sur 13 points)
Voir figure 1 ci-contre. On suppose ce câble parcouru par un courant continu constant I pour le conducteur central et -I pour le blindage. 1.1)
PC 13/14 Exercice 1 : Comparaison des courants de conduction et
Un fil conducteur ohmique homogène de conductivité γ assimile un cylindre d'axe. (Oz) et de rayon a
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Câble coaxial. 1˝) Prenons l'axe du cable comme axe z1z. Tout plan contenant 1˝) En un point Mpx y
ÉTUDE DU CHAMP MAGNÉTOSTATIQUE CRÉÉ PAR DES
D'où ( ). ( ) z. B M. B r u. = G. G . • Théorème d'Ampère. Nous allons appliquer le théorème d'Ampère à plusieurs contours : a) Contour 1. Γ : ( ). 0 d. 0. ABCD.
Travaux dirigés de magnétisme
Exercice 1 : Résistance d'un fil cylindrique. Un fil cylindrique homogène d Calcul direct avec le théorème d'Ampère. André-Marie AMPERE (1775-1836).
Exercice 1: Câble coaxial et Théorème dAmpère (sur 13 points)
Voir figure 1 ci-contre. On suppose ce câble parcouru par un courant continu constant I pour le conducteur central et -I pour le blindage. 1.1)
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4.2.1 Théorème des éléments correspondants . 7.3 Le théorème d'Ampère . ... A (M) dont le point d'application est situé au point M(x y
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La fin de chaque chapitre est illustrée par des exemples et des exercices qui 13. 1.7.1. Énergie potentielle d'une charge placée dans un champ .
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Exercice 1: Câble coaxial et Théorème d'Ampère (sur 13 points)
pour le conducteur central et -I pour le blindage 1 1) Donner un sens physique au courant -I [05pt] 1 2) Rappeler le théorème d'Ampère ainsi que les hypothèses nécessaires à sa vérification [1pt] 1 3) Quel est le système de coordonnées le plus adapté à ce problème (justifier) ? [05 pt] 1 4) Préciser les symétries et en
Université Joseph Fourier
DEUG Sma ... SP2-2
Cours de MagnétostatiqueJonathan Ferreira
Année universitaire 2001-2002
Plan du cours
I- Le champ magnétique
1. Introduction
a. Bref aperçu historique b. Nature des effets magnétiques2. Expressions du champ magnétique
a. Champ créé par une charge en mouvement b. Champ créé par un ensemble de charges en mouvement c. Champ créé par un circuit électrique (formule de Biot et Savart) d. Propriétés de symétrie du champ magnétique3. Calcul du champ dans quelques cas simples
a. Fil rectiligne infini b. Spire circulaire (sur laxe) c. Solénoïde infini (sur laxe)II- Lois Fondamentales de la magnétostatique
1. Flux du champ magnétique
a. Conservation du flux magnétique b. Lignes de champ et tubes de flux2. Circulation du champ magnétique
a. Circulation du champ autour dun fil infini b. Le théorème dAmpère c. Relations de continuité du champ magnétique d. Les trois façons de calculer le champ magnétique3. Le dipôle magnétique
a. Champ magnétique créé par une spire b. Le modèle du dipôle en physiqueIII- Actions et énergie magnétiques
1. Force magnétique sur une particule chargée
a. La force de Lorentz b. Trajectoire dune particule chargée en présence dun champ c. Distinction entre champ électrique et champ électrostatique2. Actions magnétiques sur un circuit fermé
a. La force de Laplace b. Définition légale de lAmpère c. Moment de la force magnétique exercée sur un circuit d. Exemple du dipôle magnétique e. Complément : force de Laplace et principe dAction et de Réaction3. Energie potentielle magnétique
a. Le théorème de Maxwell b. Energie potentielle dinteraction magnétique c. Expressions générales de la force et du couple magnétiques d. La règle du flux maximumIV- Induction électromagnétique
1. Les lois de linduction
a. Lapproche de Faraday b. La loi de Faraday c. La loi de Lenz2. Induction mutuelle et auto-induction
a. Induction mutuelle entre deux circuits fermés b. Auto-induction3. Régimes variables
a. Définition du régime quasi-statique b. Forces électromotrices induites c. Retour sur lénergie magnétique d. Bilan énergétique dun circuit électrique 1Chapitre I- Le champ magnétique
I.1- Introduction
I.1.1 Bref aperçu historique
Les aimants sont connus depuis lAntiquité, sous le nom de magnétite, pierre trouvée à
proximité de la ville de Magnesia (Turquie). Cest de cette pierre que provient le nom actuel de champ magnétique.Les chinois furent les premiers à utiliser les propriétés des aimants, il y a plus de 1000 ans,
pour faire des boussoles. Elles étaient constituées dune aiguille de magnétite posée sur de la
paille flottant sur de leau contenue dans une récipient gradué.Au XVIIIème siècle, Franklin découvre la nature électrique de la foudre (1752). Or, il y avait
déjà à cette époque de nombreux témoignages de marins attirant lattention sur des faits
étranges :
Les orages perturbent les boussoles
La foudre frappant un navire aimante tous les objets métalliques.Franklin en déduisit " la possibilité dune communauté de nature entre les phénomènes
électriques et magnétiques ».
Coulomb (1785) montre la décroissance en
1 2 rdes deux forces.Mais il faut attendre la fin du XIXème siècle pour quune théorie complète apparaisse, la
théorie de lélectromagnétisme. Tout commença avec lexpérience de Oersted en 1820. Il plaça un fil conducteur au dessusdune boussole et y fit passer un courant. En présence dun courant laiguille de la boussole
est effectivement déviée, prouvant sans ambiguïté un lien entre le courant électrique et le
champ magnétique. Par ailleurs, il observa : Si on inverse le sens du courant, la déviation change de sens. La force qui dévie laiguille est non radiale.Létude quantitative des interactions entre aimants et courants fut faite par les physiciens Biot
et Savart (1820). Ils mesurèrent la durée des oscillations dune aiguille aimantée en fonction
de sa distance à un courant rectiligne. Ils trouvèrent que la force agissant sur un pôle est
dirigée perpendiculairement à la direction reliant ce pôle au conducteur et quelle varie en
raison inverse de la distance. De ces expériences, Laplace déduisit ce quon appelleaujourdhui la loi de Biot et Savart. Une question qui sest ensuite immédiatement posée fut :
si un courant dévie un aimant, alors est-ce quun aimant peut faire dévier un courant ?Ceci fut effectivement prouvé par Davy en 1821 dans une expérience où il montra quun arc
électrique était dévié dans lentrefer dun gros aimant.Lélaboration de la théorie électromagnétique mit en jeu un grand nombre de physiciens de
renom : Oersted, Ampère, Arago, Faraday, Foucault, Henry, Lenz, Maxwell, Weber, Helmholtz, Hertz, Lorentz et bien dautres. Si elle débuta en 1820 avec Oersted, elle ne fut 2 mise en équations par Maxwell quen 1873 et ne trouva dexplication satisfaisante quen1905, dans le cadre de la théorie de la relativité dEinstein.
Dans ce cours de magnétostatique, nous traiterons dans les chapitres I à III de la question suivante : comment produire un champ magnétique à partir de courants permanents ? Nous naborderons que partiellement (chapitre IV) le problème inverse : comment produire de lélectricité à partir dun champ magnétique ?I.2.1- Nature des effets magnétiques
Jusquà présent nous navons abordé que des particules chargées immobiles, ou encore des
conducteurs (ensembles de particules) en équilibre. Que se passe-t-il lorsquon considère enfin le mouvement des particules ?Soient deux particules
q 1 et q 2 situées à un instant t aux points M 1 et M 2 . En labsence de mouvement, la particule q 1 créé au point M 2 un champ électrostatique EM 12 () et la particule q 2 subit une force dont lexpression est donnée par la loi de Coulomb FqEM12 2 1 2/
Qui dit force, dit modification de la quantité de mouvement de q 2 puisque Fdp dtp t 1222Autrement dit, la force électrostatique due à q 1 crée une modification p 2 pendant un temps t. Une force correspond en fait à un transfert dinformation (ici de q 1 vers q 2 ) pendant un court laps de temps. Or, rien ne peut se propager plus vite que la vitesse c de la lumière. Cette
vitesse étant grande mais finie, tout transfert dinformation dun point de lespace à un autre
prend nécessairement un temps fini. Ce temps pris par la propagation de linformation introduit donc un retard, comme nous allons le voir. On peut considérer lexemple ci-dessus comme se qui se passe effectivement dans le référentiel propre de q 1 . Dans un référentiel fixe, q 1 est animée dune vitesse v1. Quelle serait alors laction de q 1 sur une particule q 2 animée dune vitesse v2 ? q 1 v 1 v 2 r q 2 u 12 v 1dt c dt v 2dt E 1(t) E1(t-dt)
Soit dt le temps quil faut à linformation (le champ électrostatique créé par q 1 ) pour se propager de q 1 vers q 2 . Pendant ce temps, q 1 parcourt une distance vdt 1 et q 2 parcourt la distance vdt 2 . Autrement dit, lorsque q 2 ressent les effets électrostatiques dus à q 1 , ceux-ci ne sont plus radiaux : le champ Et dt 1 () " vu » par q 2 est dirigé vers lancienne position de q 1et dépend de la distance cdt et non pas de la distance r. On voit ici quil faut corriger la loi de
3 P q v M B(M)Coulomb qui nous aurait donné le champ Et
1 (), qui est faux (suppose propagation instantanée de linformation ie. une vitesse infinie). Les effets électriques ne peuvent se résumer au champ électrostatique. Cependant, lexpérience montre que la prise en compte de cette correction ne suffit pas à expliquer la trajectoire de q 2 : une force supplémentaire apparaît, dailleurs plus importante que cette correction ! La force totale exercée par q 1 sur q 2 sécrit en fait Fqq rcc 12120 22
4 uvvu 121
12 Dans cette expression (que lon admettra) on voit donc apparaître un deuxième terme qui dépend des vitesses des deux particules ainsi que la vitesse de propagation de la lumière. Ce
deuxième terme sinterprète comme la contribution dun champ magnétique créé par
q 1Autrement dit,
FqE vB
12 2 1 2 1/
la force magnétique est une correction en vc/() 2à la force de Coulomb. Nous reviendrons
plus tard (chapitre III) sur lexpression et les propriétés de la force magnétique. Cette
expression nest valable que pour des particules se déplaçant à des vitesses beaucoup plus
petites que celle de la lumière (approximation de la magnétostatique). Dernière remarque : cette expression dépend de la vitesse de la particule, ce qui implique que le champ magnétique dépend du référentiel (voir discussion chapitre III) !I.2- Expressions du champ magnétique
I.2.1- Champ magnétique créé par une charge en mouvementDaprès ci-dessus, le champ magnétique créé en un point M par une particule de charge q
située en un point P et animée dune vitesse v dans un référentiel galiléen estBMqv PM
PM()=µ
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