Champs et spectres magnétiques
I. Notion de champ magnétique :
Expériences Interprétation
Action d’un aimant sur différents objets.
Un aimant attire certains matériaux comme le fer. Un aimant est un objet dur qui exerce une force d’attraction à distance sur certains corps appelés
« corps ferromagnétiques ».
Une petite aiguille aimantée (boussole) subit
l’influence d’un aimant lorsqu’elle est placée dans le
« champ » d’action de cet aimant ; elle s’oriente dans une direction bien définie.
L’aimant change les propriétés de l’espace qui l’environne ; ces propriétés se manifestent si on place un corps d’épreuve dans cet espace ; on dit que l’aimant génère un « champ magnétique » dans son voisinage.
Un aimant possède deux pôles appelés Nord et Sud, indissociables
Des pôles de même nature se repoussent alors que des pôles de nature identiques s’attirent.
L’attraction ou la répulsion diminuent avec l’éloignement.
Le champ magnétique possède une direction, un sens et une certaine intensité.
On peut donc modéliser le champ magnétique par un vecteur : le vecteur champ magnétique : B
direction : indiquée par une boussole
sens : celui du vecteur SN
intensité : mesurée en Tesla (T)
II. Spectres et lignes de champ
1. Lignes de champ :
Une ligne de champ est une courbe tangente en chacun de ses points au vecteur champ magnétique.
2. Spectre :
Le spectre magnétique est l’ensemble des lignes de champ magnétique générées par le corps à l’origine du champ.
Exemple :
Spectre d’un aimant droit Spectre d’un aimant en U
3. Champ uniforme :
Le champ est uniforme lorsque le vecteur B a les mêmes caractéristiques en tout point. Les lignes de champ sont alors rectilignes et parallèles.
Lorsque les lignes se resserrent, le champ est plus intense.
III. Champ magnétique terrestre :
1. La Terre : Le champ magnétique terrestre est
engendré par les mouvements du noyau métallique liquide des couches profondes de la Terre. Il peut être comparé, en première approximation, à un aimant droit.
L'ensemble des lignes de champ magnétique de la Terre situées au-dessus de l'ionosphère, soit à plus de 1000 km, est appelé magnétosphère. L'influence du champ magnétique terrestre se fait sentir à plusieurs dizaines de milliers de kilomètres.
Le pôle Nord magnétique terrestre est en réalité un pôle de magnétisme « sud » qui attire le pôle « nord » (en rouge sur la figure) de l'aimant que constitue l'aiguille de la boussole. Cette erreur historique d'appellation conventionnelle des pôles de magnétisme nord sera difficile à rectifier ; noter sur la figure que le pôle de magnétisme nord de l'« aimant terrestre » pointe vers le sud géographique.
L'axe géomagnétique, passant par les deux pôles magnétiques, fait un angle de 11,5° par rapport à l'axe de rotation de la Terre et de ce fait, le pôle nord magnétique est à environ 1000 km du pôle nord géographique, en direction du Canada. Il se rapproche actuellement du pôle nord géographique à une vitesse moyenne de 40 km/an. En outre la position du pôle magnétique varie au cours de la journée, se déplaçant ainsi de plusieurs dizaines de km autour de sa position moyenne. Le pôle Sud magnétique, quant à lui, se trouve au large de la Terre Adélie, dans la mer d'Urville.
2. Géométrie du champ magnétique terrestre :
En un point donné du champ magnétique terrestre, le vecteur d'induction magnétique BT possède une
composante verticale Bv (dirigée vers le centre de la Terre) et une composante horizontale Bh . L'angle i formé par BT et Bh est appelé « inclinaison ». Il augmente lorsque l'on se rapproche des pôles en tendant vers 90°. Ainsi, aux pôles magnétiques la composante horizontale a une valeur nulle A notre latitude, i=60° et Bh=2.10-5T ; BT=4.10-5T
BT
S
N D
BT
BT
Nord géographique Nord magnétique
Sud géographique Nord magnétique
Ligne de champ
B
vD
Horizon terrestre
B
hB
i
IV. Champ magnétique créé par les courants :
1. Expérience d’Oersted :
Une aiguille aimantée est placée sous un fil conducteur
Lorsque le fil est parcouru par un courant, l’aiguille s’oriente perpendiculairement au fil, dans un sens
bien précis.
Conclusion :
Un fil parcouru par un courant créée un champ magnétique.
Spectre et lignes de champ
Orientation :
Règle des trois doigts de la main droite :
2. Champ créé par une bobine :
Approchons le pôle Nord d’un aimant d’une des faces d’une bobine parcourue par un courant.
Approchons le pôle Sud de l’aimant de cette même face.
B
B I
I B
Vers le point de l’espace où on veut connaître le sens du champ
S N S I
N
Une bobine parcourue par un courant génère un champ magnétique. Chaque face correspond à un pôle.
On peut repérer les pôles de la bobine en appliquant les « trucs » suivants :
Pôle Nord Pôle Sud
Spectre de la bobine
3. Champ créé par un solénoïde : Spectre du champ :
Un solénoïde se comporte comme un aimant droit.
Sens du champ : Nature des faces du solénoïde :
S N V. Applications :
1. Dans l’expérience schématisée ci-dessous, la bobine B1 est fixe, la bobine B2 est mobile.
a. Préciser les noms des faces des bobines.
b. Quel est le mouvement de la bobine B2 ?
c. Que se passe-t-il si on inverse le sens du courant dans les deux bobines ? dans une seule bobine ?
2. Un solénoïde est parcouru par un courant. Une aiguille aimantée, placée devant l’une des faces, prend la position indiquée sur le schéma ci-dessous.
a. Indiquer la face nord et la face sud de la bobine.
b. Préciser la direction et l’orientation des lignes de champ dans ce solénoïde.
c. Déterminer le sens du courant dans le fil.
3. La figure ci-dessous donne une partie du spectre magnétique d’un solénoïde long.
a. Orienter les lignes de champ
b. Quels sont les noms des faces du solénoïde ? c. Indiquer le sens du courant
d. Colorier la région de l’espace où le champ est constant.
4. En un point M de l’espace se superposent deux champs B1 et B2 créés par deux aimants dont les directions sont orthogonales. Leurs valeurs sont respectivement B1=3.10-3T et B2=4.10-3T.
a. Déterminer les noms des pôles des deux aimants.
b. Construire Graphiquement le champ résultant.
c. Calculer B et l’angle α entre B et B1.
5. On dispose une aiguille aimantée à l’intérieur d’un solénoïde. En l’absence de courant, cette aiguille prend une direction horizontale perpendiculaire à l’axe du solénoïde, lui
aussi horizontal
a. Quelle est la direction du champ terrestre ?
b. On fait passer un courant d’intensité I. L’aiguille dévie d’un angle α (voir schéma)
Déterminer le sens du courant dans la bobine
Calculer la valeur du champ créé par la bobine et celle du champ résultant.
Données : α=30° ; Bh=2.10-5T
Dessiner l’aiguille aimantée lorsqu’on inverse le sens du courant.
B
1
B
2
S N
B2
B1
(1) (2)
S N
α
