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17 Magnétisme Physique passerelle

hiver 2016

1. Magnétisme naturel

Les Grecs de l'Antiquité découvrent une pierre noire qui peut attirer le fer. C’est la magnétite ������� :

Les aimants naturels présentent toujours un pôle Nord (rouge) et un pôle Sud (bleu ou vert) inséparables :

Convention pour dessiner les lignes de champ :

Les lignes de champ magnétique vont du Nord au Sud.

Règle d’attraction/répulsion entre aimants :

Les pôles différents s’attirent ; les pôles identiques se repoussent.

La Terre est elle-même un aimant avec des pôles magnétiques distincts des pôles géographiques :

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2. Magnétisme induit

Au 19e siècle, Ørsted montre qu’un champ magnétique peut être induit par un courant électrique :

Plus exactement :

• un courant électrique rectiligne induit un champ magnétique circulaire

• un courant électrique circulaire induit un champ magnétique rectiligne

On peut ainsi construire un électro-aimant en multipliant les spires parcourues par le courant électrique :

Le champ magnétique induit vaut :

� � ⋅ ⋅ �ℓ (page 150)

• � est le champ magnétique induit en teslas [T]

• � 4� ⋅ 10�� ��⋅�� � est la perméabilité magnétique du vide

• est le nombre de spires de l’électro-aimant

• � est le courant électrique en ampères [A]

• ℓ est la longueur de l’électro-aimant en mètres [m]

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3. Force de Laplace

Un fil rectiligne parcouru par un courant électrique et placé perpendiculairement à un champ magnétique

subit une force de Laplace :

Cette force dépend de l’intensité du courant et de celle du champ magnétique :

�� � ⋅ ��� � ��� (page 150)

• � est la force de Laplace en newtons [N]

• � est le courant électrique en ampères [A]

• � est la longueur de fil soumise au champ magnétique en mètres [m]

• � est le champ magnétique en teslas [T]

La règle de la main droite nous donne la direction et le sens de la force de Laplace :

La force de Laplace explique que deux fils parallèles parcourus par des courants identiques s’attirent :

La force de Laplace meut un moteur homopolaire constitué d’une pile, d’un fil et d’un aimant :

��

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4. Exercices

Exercice 1

Vrai ou faux ? Vrai Faux

a) Le champ magnétique ��� ne peut être produit que par un aimant.

b) Il est possible d’isoler les pôles Nord et Sud d’un aimant permanent.

c) Le champ magnétique ��� est toujours produit par une charge en mouvement.

d) Le champ magnétique ��� est canalisé dans les conducteurs en cuivre d’un électroaimant.

e) On calcule la valeur du champ magnétique ��� grâce à la règle de la main droite.

Exercice 2

Une tige conductrice est suspendue dans l'entrefer d'un aimant. La tige est parallèle à l'axe � , l'entrefer

de l'aimant est parallèle au plan � ; "�, comme le montre l’illustration ci-dessous. Dans quelle direction la

force de Laplace sera-t-elle orientée ?

� Vers le haut selon l'axe z

� Vers le bas selon l'axe z

� Vers la gauche selon l'axe x

� Vers la droite selon l'axe x

� Il n’y a pas de force de Laplace

Exercice 3

Un fil rectiligne où circule un courant est plongé dans un champ magnétique uniforme. Si le fil ne subit

aucune force, alors :

� c’est normal car c’est toujours le cas.

� le fil doit être perpendiculaire à B.

� c’est une situation impossible.

� le fil doit être parallèle à B.

Exercice 4

Un fil conducteur rectiligne est parcouru par un courant �. Le champ magnétique ��� créé par ce courant est

correctement représenté par le dessin :

� A

� B

� C

� D

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Exercice 5

Enroulez 200 tours d’un fil isolé autour d’une tige de fer et branchez-le aux bornes d’une pile de 1,5 volts

avec un interrupteur. Alors vous obtenez :

� un poste radio

� un électroaimant

� un ampèremètre

� un voltmètre

Exercice 6

Deux conducteurs parallèles sont parcourus par des courants de même intensité et de même sens. Les

forces que les conducteurs exercent l'un sur l'autre sont correctement représentées par :

� A

� B

� C

� D

Exercice 7

À proximité du sol le champ magnétique terrestre peut être considéré comme un vecteur parallèle au sol,

de direction nord-sud, pointant vers le nord. Un fil métallique est placé parallèlement au sol dans la

direction est-ouest. Le courant le traversant se déplace de l’est vers l’ouest. Le fil subit alors :

� une force verticale vers le centre de la terre

� une force horizontale vers le nord

� une force verticale vers le ciel

� aucune force

Exercice 8

Un tramway prend le courant par une seule perche tandis que les autobus électriques le prennent par deux

perches. Quelle est la raison de cette différence ?

� La perche supplémentaire du bus accroît la fiabilité.

� Le courant de retour du tramway passe par les rails.

� Le bus utilise du courant continu, mais pas le tramway.

� Le bus exige une intensité plus élevée que le tramway.

Exercice 9

Un courant électrique constant, qui parcourt un conducteur rectiligne, fait pivoter l’aiguille aimantée d’une

boussole :

� toujours

� jamais

� si l’aiguille et le conducteur sont parallèles

� si l’aiguille et le conducteur sont perpendiculaires

Exercice 10

La seule grandeur vectorielle dans la liste ci-dessous est :

� la masse

� l’accélération de la pesanteur

� le travail

� la puissance

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Exercice 11

La seule grandeur vectorielle parmi les propositions suivantes est :

� L’intensité du courant

� L’énergie cinétique

� Le travail

� L’accélération

Exercice 12

La seule grandeur scalaire est :

� l’accélération

� la pesanteur

� la tension

� le déplacement

Exercice 13

a) Nommez les pôles des aimants suivants :

b) Dessinez les lignes de champ entre les aimants :

c) Dessinez les lignes de champ de la « configuration de Halbach » ci-dessous et montrez que le champ

magnétique est beaucoup plus intense en-dessous du dispositif qu’en-dessus :

N S N

S N S

N S N

S N S

Exercice 14

Le 21 mai 2012, un étudiant de 20 ans présente sur M6 une invention

révolutionnaire : le « moteur magnétique », qui tourne à l’infini en ne

consommant ni essence ni électricité.

a) Expliquez le principe de fonctionnement de ce moteur.

b) Un tel moteur serait-il difficile à construire ?

c) Comment expliquer que ce moteur n’ait pas été commercialisé ?

d) Pourquoi la chaîne M6 a-t-elle retiré la vidéo de YouTube ?

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Exercice 15

L’électro-aimant cylindrique ci-contre a un rayon

# 75 cm et peut soulever une masse & 200 kg.

La formule suivante établit la relation entre le champ

magnétique � de l’électro-aimant, en teslas [T], et la

masse & qu’il peut soulever, en kilogrammes [kg] :

& ⋅ ( �) ⋅ *2�

Où la constante ( 9,81 [N/kg] et la constante

� 4� ⋅ 10�� [T · m/A].

a) Inversez la formule encadrée pour exprimer � en fonction des autres paramètres.

b) Quelle formule permet de calculer la surface * de l’électro-aimant si on ne connaît que son rayon # ?

c) Calculez la valeur du champ magnétique � généré par l’électro-aimant. Rép. : 52,82 mT

Exercice 16

Le professeur Foldingue construit une bobine de hauteur . 10 cm et de diamètre / 2 cm avec du fil

de cuivre de diamètre 0 1 mm. On suppose que les spires sont des cercles empilés qui se touchent.

a) Combien de spires compte la bobine du professeur Foldingue ? Rép. : 100

b) Quelle longueur de fil de cuivre est nécessaire pour construire une telle bobine ? Rép. : 6,28 m

c) Donnez le sens et l’intensité du champ magnétique B induit si un courant électrique de 1 A parcourt le

fil de gauche à droite. Rép. : vers la droite ; 1,26 mT

Exercice 17

Théodule fabrique un trapèze métallique avec des filaments de

résistance nulle et une barre en cuivre de longueur � 10 cm et de

diamètre / 4 mm. Le trapèze est placé dans un aimant permanent

qui délivre un champ magnétique uniforme d’intensité � 0,2 T. Les

filaments sont reliés à une pile de 4,5 V possédant une résistance

interne de 1,5 Ω, comme indiqué sur le schéma ci-contre :

a) Que vaut la résistance de la barre de cuivre ? Rép. : 1,34 μΩ

b) Que vaut l’intensité du courant lorsque l’interrupteur est enclenché ? Rép. : 3 A

c) Donnez le sens et l’intensité de la force de Laplace qui agit sur la barre de cuivre lorsque l’interrupteur

est enclenché. Rép. : vers la droite ; 0,06 N

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