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pdf Chapitre 49 Le champ magnétique généré par un solénoïde
Champ magnétique sur l’axe central d’un solénoïde Le module du champ magnétique généré sur l’axe central d’un solénoïde dépend du courant I circulant dans le solénoïde et de la densité de spires n
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Préparation au Concours Cycle Polytechnicien
Filière universitaire : candidats internationaux (O.Granier, ITC, du 24 au 29 octobre 2011)TD corrigés d'électromagnétisme
1) Bobines de Helmholtz :
On considère une distribution de courants cylindriques autour de l'axe (Ozà qui crée un
champ magnétique sur l'axe Oz colinéaire à cet axe.1) Rappeler l'expression du champ créé par une spire de rayon a parcourue par une intensité I
à la distance z du centre de cette spire sur l'axe de la spire.2) On se place maintenant (tout en étant toujours à la côte z) à une distance r relativement
faible de l'axe. En écrivant la conservation du flux du champ magnétique, montrer que le champ possède une composante radiale donnée par : rBrB2) Champ électrique et champ magnétique :
Soit C un cylindre de révolution d'axe (Oz), de rayon a et de longueur très grande devant a. C,
chargé uniformément avec la densité volumiqueρ, est mis en rotation autour de (Oz) avec la
vitesse angulaire ω (supposée indépendante du temps jusqu'à la dernière question) sans que cette rotation affecte la répartition des charges dans C. a) Déterminer dans tout l'espace le champ électrique Er. b) Déterminer dans tout l'espace le champ magnétique Br. c) Déterminer de même un potentiel vecteurAr du champ Br.
d) Que peut-on dire si ω varie dans le temps "pas trop rapidement" ? Quel est dans ce dernier cas l'intérêt du calcul deAr fait en (3) ?
Solution :
a) On utilise la théorème de Gauss : (le champ électrique est radial)Pour r > a :
0012 ( ) ( )2arhE r a h soit E rr
Pour r < a :
0012 ( ) ( )2rhE r r h soit E r rρπ π ρε ε= =
On vérifie que le champ électrique est continu à la traversée du cylindre (en r = a).b) On utilise le théorème d'Ampère : (le champ magnétique est selon l'axe du solénoïde et on
sait qu'il est nul à l'extérieur). On choisit un contour rectangulaire dont un côté parallèle à
l'axe est dans le solénoïde et un autre à l'extérieur. Alors : 2 200( ) ' ' ( )2
rB r r dr a rμ ρωμ ρω= = -∫ (Pour r < a) c) Le potentiel vecteur est défini par B rotA=uuurrr. Le calcul est identique au calcul du potentiel vecteur créé par un solénoïde classique infini.On considère un solénoïde infini de section circulaire de rayon R, constitué de n spires
jointives par unité de longueur et parcouru par un courant d'intensité I.Le plan contenant l'axe du solénoïde et le point M étant un plan d'antisymétrie :
θurAMArr)()(=
En prenant comme contour un cercle centré sur l'axe (Oz) et perpendiculaire à cet axe : dSnBdA rrlrr..On obtient : Si r > R :
4 4 4 2 200 0012 ( ) ( )2 ( )
2 2 4 4
aa a arA r a r rdrπ μ ρω π πμ ρω πμ ρω= - = - =∫, soit : 0( )8 aA rrμ ρω=Si r < R :
2 2 42 22 2 2
00 00112 ( ) ( ' )2 ' ' ( ) 2
2 2 4 4
ra r rrA r a r r dr a r rπ μ ρω π πμ ρω πμ ρω= - = - = -∫
Soit :
2 201( ) 2
8A r a r rμ ρω= -
On constate que le potentiel vecteur est continu à la traversée de la surface r = a du solénoïde.
d) Ces calculs restent valables dans l'ARQS et la connaissance du potentiel vecteur permet detraiter les problèmes d'induction faisant intervenir le champ électromoteur de Neumann,
3) Condensateur alimenté à haute fréquence :
Un condensateur plan, constitué de deux plaques circulaires d'axe (Oz) et de rayon R,
séparées par une distance e faible devant R, est alimenté par un générateur de tension
sinusoïdale de pulsation ω.a) Pour ce système à symétrie cylindrique, on écrira le champ électrique sous la forme :
zutrEErrωcos)(= Quelle est l'équation différentielle vérifiée par la fonction E(r) ?Déterminer la solution sous la forme d'une série entière développée en puissances de la
variable sans dimension rxω=. b) Pour cmRetMHz520==πω, que peut-on dire de la fonction E(r) à l'intérieur du condensateur ?L'ARQS est -elle convenable ?
c) Que vaut le champ magnétique à l'intérieur du condensateur ? Donnée : en coordonnées cylindriques, le laplacien d'une fonction ),,(zrfθ est : zff rfrrrf∂∂+∂∂+)Solution :
a) Le champ électrique vérifie, en l'absence de courants et de charges :0)()(0122
2=+Δ=∂∂-ΔrEcrEsoittE
cEωrrr Avec l'expression précédente du laplacien, il vient :0122=+)
EcdrdErdrd
rωSoit :
012222=++EcdrdE
drEdω. On pose c rxω= et on cherche une solution de la forme (E0, valeur du champ sur l'axe (Oz)) : xaExEAlors :
1)1(;-
nxanncxnacdxd drEdxnacdrdx dxdE drdEωωωωEt, par conséquent :
01)1( 122xacxnacxcxanncωωωω
D'où :
122xaxan
Soit :
22naann--= avec a1 = 0 (diverge en 0 sinon).
La solution recherchée est donc de la forme :
pErE )!(2)1()() b) On pose210-==c
RXω ; le champ peut s'écrire :
ppp XpErE 222001 )!(2)1()() Le champ est pratiquement uniforme à l'intérieur du condensateur et vaut :
0)(ErE=
L'ARQS est bien vérifiée ; en effet, les retards sont bien négligeables vis-à-vis du temps
caractéristique T : sTscRt71010210.67,1--==<<=≈Δω
Par contre, si
[]10,1?X, les termes de la série donnant E(r) ne sont pas négligeables et le champ E(r) n'est plus uniforme.c) Dans le condensateur, le champ magnétique est, pour ce problème à géométrie cylindrique,
de la forme :θutrBBrr),(=
Le théorème d'Ampère généralisé indique que la circulation du champ magnétique sur un
cercle de rayon r (r < R) et d'axe (Oz) est égale au flux du courant de déplacement à travers le
disque correspondant, multiplié par μ 0 : )sin)((),(202 002