Les interactions électromagnétiques (niveau Première)

Résumé du document

Expérience 1

Posons une tige métallique cylindrique sur deux rails métalliques reliés à un générateur continu.
Quand du courant passe dans la tige, aucun effet mécanique n'est observé (la tige peut en revanche s'échauffer).
Coupons le courant et plaçons la tige dans l'entrefer d'un aimant en U : la seule présence de l'aimant ne provoque aucun mouvement.
Mais lorsqu'à nouveau nous faisons circuler un courant électrique, la tige se met en mouvement.
Le sens de déplacement de la tige dépend du sens du courant et du sens du champ.
En inversant l'un ou l'autre, le déplacement change de sens ; il ne change pas si nous inversons à la fois le sens du courant et du champ.
Un conducteur parcouru par un courant électrique et placé dans un champ magnétique est soumis à une force.

Expérience 2

Répétons l'expérience mais en plaçant la tige entre deux bobines de Helmhotz qui créent un champ B quasi-uniforme entre elles.
Tournons les bobines dans différentes positions : le champ magnétique créé change alors de direction et la tige ne se déplace pas toujours à la même vitesse.
Nous observons notamment qu'elle reste immobile lorsque le champ a la même direction que le courant et que le déplacement le plus net a lieu quand le champ est perpendiculaire au courant.
L'intensité de la force subie par un conducteur placé dans un champ magnétique dépend de la direction du champ.
Elle est nulle lorsque le champ et le courant sont colinéaires.

B) Loi de Laplace

Les observations précédentes peuvent être généralisées et précisées.
Nous avons déjà constaté que la force due au champ magnétique, appelée force de Laplace, est nulle lorsque le champ est colinéaire au courant.
Étudions ce qui se passe dans les autres cas.
Les résultats suivants, notamment pour la valeur de la force, sont valables pour un champ magnétique uniforme.

Localisation de la force

La force de Laplace est uniformément répartie sur toute la longueur du conducteur qui est plongé dans le champ magnétique (...)

Extraits

[...] Considérons les deux autres côtés et [QP]. Les courants électriques circulant en sens opposés, les forcesetsont opposées. Le cadre se met donc en rotation sous l'action deet. Quand le cadre a fait un quart de tour, les forces de Laplace n'ont plus d'effet sur sa rotation : les droites d'action deetcoupent l'axe de rotation et les droites d'action des forceset, exercées sur les côtés perpendiculaires à l'axe, sont parallèles à l'axe. Couplage électromécanique Le phénomène d'induction électromagnétique Relions à un oscilloscope une bobine placée à proximité d'un aimant. [...]

[...] Elle est placée dans un champ magnétiqueuniforme, constant, vertical et ascendant. La barre est parcourue par un courant d'intensité I créé par le générateur de force électromotrice E. Elle peut soulever une masselotte par l'intermédiaire d'un fil et d'une poulie. La barre est soumise à son poids, aux forcesetexercées par les rails, à la force de Laplaceet à la tensiondu fil. Lorsque les frottements sur les rails sont négligeables, la somme vectorielleest nulle. La force de Laplace est parallèle aux rails, dirigée vers la gauche du schéma et de valeur : F = I·α·B. [...]

[...] Étudions ce qui se passe dans les autres cas. Les résultats suivants, notamment pour la valeur de la force, sont valables pour un champ magnétique uniforme. Localisation de la force La force de Laplace est uniformément répartie sur toute la longueur du conducteur qui est plongé dans le champ magnétique. Pour un conducteur linéaire et homogène, nous la localisons au milieu du conducteur. Direction de la force La direction du champ et celle du champ étant différentes, deux droites portant ces directions définissent un plan. [...]

[...] Un conducteur parcouru par un courant électrique et placé dans un champ magnétique est soumis à une force. Expérience 2 Répétons l'expérience mais en plaçant la tige entre deux bobines de Helmhotz qui créent un champquasi-uniforme entre elles. Tournons les bobines dans différentes positions : le champ magnétique créé change alors de direction et la tige ne se déplace pas toujours à la même vitesse. Nous observons notamment qu'elle reste immobile lorsque le champ a la même direction que le courant et que le déplacement le plus net a lieu quand le champ est perpendiculaire au courant. [...]

[...] Le mouvement alternatif de la membrane crée des vibrations de l'air environnant, donc du son. Une puissance électrique est convertie en puissance sonore. Remarque Les microphones et les haut-parleurs utilisent le même principe de fonctionnement. Un microphone peut être utilisé en haut-parleur mais avec un faible volume sonore. La membrane des haut-parleurs est conique, ce qui permet une meilleure émission du son. Moteurs électriques Principe Les moteurs électriques sont aussi des transducteurs électromécaniques : ils sont conçus pour fournir un mouvement de rotation. [...]