Chapitre 2 : Electromagnétisme Leçon 8 : Champ magnétique Durée : …….. périodes
1. Aimants :
Qu’est-ce qu’un aimant ? a) Définition :
Un aimant est un corps capable d’attirer le fer, le nickel, l’acier et certains alliages contenant beaucoup de fer (tel que l’acier). Ces corps sont appelés corps ferromagnétiques.
L’aimant constitue la partie essentielle de nombreux appareils électriques. Il est devenu pour le physicien et le technicien un instrument indispensable ; on le trouve par exemple dans les grands accélérateurs, les moteurs, les haut-parleurs…..
b) Exemples :
Aimants naturels : c’est un minerai de fer (Fe3O4) appelé magnétite.
Aimants artificiels : on distingue les aimants permanents tels que le barreau aimanté, l’aimant en U, l’aiguille
magnétique, et les aimants temporaires tels que les électroaimants.
L’enseignant pose une question aux élèves : Est-ce que vous avez entendu parler de l’aimant ? - Les élèves répondent : oui et non.
- Il attire le fer.
Pour savoir qu’est-ce qu’un aimant, on va voir ensemble.
Matériel : L’enseignant prépare le matériel
- 1 aimant droit, 1 aimant en U, 1 morceau de fer, 1 morceau d’acier, un morceau de cuivre et d’aluminium ; une boussole.
L’expérience est faite par l’enseignant.
- L’enseignant présente chaque matériel aux élèves.
Question posée :
- Que se passe-t-il si j’approche l’aimant à chaque matériel que je vous ai présenté ?
- L’enseignant demande aux élèves de faire les prévisions pour chaque matériel.
Réponses attendues :
- Il attire le morceau de fer ;
- Il n’attire pas le morceau de cuivre, d’aluminium…..
- L’enseignant fait l’expérience pour vérifier les prévisions des élèves.
- L’enseignant explique aux élèves qu’il existe deux sortes de l’aimant : aimants naturels et aimant artificiels.
L’enseignant copie la leçon a) et b) au tableau et les élèves la copient dans leur cahier.
2. Pôles d’un aimant et la détermination des pôles:
a) Pôles d’un aimant :
Qu’est-ce que les pôles d’un aimant ?
Ce sont les régions de l’aimant où la force d’attraction est la plus forte.
Tout aimant possède 2 pôles : pôle Nord (N) et pôle Sud (S).
Les pôles se trouvent généralement aux extrémités de l’aimant.
Lorsque l’aimant est mobile il s’oriente tel que son pôle N pointe vers le pôle nord géographique.
b) Détermination des pôles magnétiques :
On dispose des boussoles sur la table. L’aiguille de chaque boussole s’oriente naturellement dans la même direction Sud- Nord.
N N
N S S
N S N N
S S S
Lorsqu’on approche d’un barreau, l’aiguille d’un barreau permet de repérer ses pôles.
Activité 1: L’enseignant prépare le matériel
- 1 aimant droit, 1aimant en U, des limailles de fer, une feuille de papier blanc A4.
- L’enseignant demande aux élèves d’observer chaque étape avant de démontrer l’expérience.
Poser le papier A4 sur la table ;
Placer le barreau d’aimant au milieu du papier ;
Saupoudrer (mettre) les limailles de fer autour du barreau.
Q : Que constatez-vous ? Comment sont-elles, les limailles de fer ?
Réponses attendues : L’enseignant note des réponses au tableau.
- ………..
- ………
L’enseignant mène le débat pour faire la conclusion et noter la leçon au tableau.
Activité 2 : L’enseignant prépare le matériel - 2 à 4 boussoles
- 1 barreau d’aimant.
L’expérience est faite par l’enseignant
Lignes de champ
[modifier | modifier le code]Article détaillé : Ligne de champ.
Mise en évidence de lignes de champ magnétique par des brindilles d'acier et de la limaille.
Par définition, les lignes de champ du champ magnétique sont l'ensemble des courbes « en tout point » tangentes à B'.
Ces lignes relient les pôles magnétiques, et par convention on les oriente de sorte que les lignes de champ d'un aimant entrent par le sud et ressortent par le nord. Leur expression locale est telle que :
.
où dl, de coordonnées (dx, dy, dz), est un vecteur infinitésimal.
Une équation paramétrique décrivant les lignes de champ se déduit de la formule ci-dessus en choisissant une variable
d'intégration (par exemple x si la composante Bx est non nulle) et en intégrant les équations, qui en coordonnées cartésiennes donnent
,
.
Observation
[modifier | modifier le code]Lorsqu'on approche un aimant d'une poudre de fer, on observe des formes géométriques particulières.
Le ferromagnétisme de la limaille de fer fait qu'elle s'aimante légèrement en présence du champ
magnétique. Ainsi, la limaille s'orientera de sorte qu'on observera les lignes de champ magnétique.
La forme précise de ces lignes dépend de la forme de l'aimant.
Dans une bobine suffisamment longue, on observe et on montre que le champ magnétique est pratiquement uniforme à l'intérieur : les lignes de champ sont portées par des droites parallèles et de même écart, selon l'axe du solénoïde.
Décomposition
[modifier | modifier le code]Le champ magnétique étant de divergence nulle (on parle parfois de champ solénoïdal), il est possible de le décomposer en deux champs appelés champ
toroïdal et champ poloïdal. Une telle décomposition est particulièrement appropriée dans les configurations de forme sphérique, et se trouve donc fréquemment utilisée en géophysique et en physique stellaire. Elle est
également utilisée pour décrire le champ magnétique qui règne dans un tokamak.
