Exp´ eriences de cours concernant l’´ electromagn´ etisme
Interactions entre aimants
1. On place l’un sur l’autre deux aimants en opposition (pˆole nord contre pˆole nord ou pˆole sud contre pˆole sud) et l’on observe une force de r´epulsion entre eux (Fig. 1).
2. On r´ealise un engrenage magn´etique en disposant 4 aimants ad hoc cˆote `a cˆote (Fig. 2).
Figure1 – Deux aimants en opposition. Figure2 – Engrenage magn´etique.
Force de Laplace
1. Un fil conducteur est plac´e entre les branches d’un aimant en U (Fig. 3) `a l’int´erieur duquel le champ magn´etique est perpendiculaire aux branches. Lorsqu’un courant passe dans le fil, une force le fait d´evier vers l’int´erieur ou vers l’ext´erieur de l’aimant suivant le sens du courant.
2. On suspend une bandelette m´etallique sans la tendre devant deux aimants permanents plac´es bout
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a bout (Fig. 4). Lorsqu’on ´etablit un courant dans la bandelette, cette derni`ere s’enroule autour de l’aimant. Si l’on inverse le sens du courant, elle s’enroule en sens inverse.
Figure3 – Figure4 –
Exp´ erience d’Oersted
Nous pla¸cons une boussole `a cˆot´e d’un cˆable vertical (Fig. 5 et 6). Initialement, l’aiguille est align´ee selon le champ magn´etique terrestre. On fait alors circuler un fort courant de 100 A `a travers le cˆable et l’on observe que l’aiguille s’oriente selon un nouveau champ cr´ee par le courant (Les lignes de champ forment des cercles concentriques autour du cˆable). Cette orientation de la boussole d´epend du sens du courant.
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Figure5 – Figure6 –
Force entre deux fils
Deux fils parall`eles de 40 cm de long sont suspendus cˆote `a cˆote `a 9 cm de distance. Lorsque le sens du courant qui circule dans les fils est le mˆeme, les fils s’attirent. Dans le cas contraire, ils se repoussent.
La photo du montage utilis´e est visible sur la figure 7.
Afin de mesurer la force d’attraction entre les fils, l’un des fils est attach´e de sorte qu’il ne sorte pas du plan vertical. L’autre fil est reli´e au plateau d’une balance par l’interm´ediaire d’une poulie, comme indiqu´e sur la figure 8. On mesure une force de 0.046 N.
On peut estimer cette force par le calcul. Pour cela, on fait l’approximation que les fils sont rectilignes et de longueur infinie. Le champ magn´etique produit par chacun des fils vaut :
B(R) = µ0I
2πR, o`u R est la distance au fil.
Ainsi, le second fil situ´e `a une distance de 9 cm ressent un champ magn´etique de 6.4·10−4 T.
La force de Laplace vaut alors F =I·l·B = 290·0.4·6.4·10−4= 0.074 N.
Figure7 – Figure8 –
Magn´ etisme
On teste le comportement de diff´erents ´echantillons de mati`ere dans le champ magn´etique produit dans l’entrefer d’un ´electroaimant (Fig. 10). Les ´echantillons ont la forme de petites tiges cylindriques d’environ 1 cm de long et 2 mm de diam`etre.
Mˆeme sans courant dans l’´electroaimant, il r`egne un champ magn´etique r´emanent dans l’entrefer.
Lorsque l’on approche l’´echantillon de fer de l’entrefer, celui-ci vient imm´ediatement se coller sur une
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des pi`eces polaires `a la surface desquelles l’intensit´e du champ est maximum. Le fer int´eragit fortement avec le champ magn´etique et il est attir´e par les r´egions de champ magn´etique intense. Le fer, le nickel, le cobalt, l’acier sont des substancesferromagn´etiques.
Figure9 – Substance diamagn´etique
Les ´echantillons d’aluminium et de bismuth sont moins sensibles au champs magn´etique et leur in- teraction avec le champ r´emanent est n´egligeable. Lorsque l’on enclenche l’´electroaimant, l’´echantillon d’aluminium s’aligne avec le champ magn´etique. Il est attir´e par les r´egions de champ magn´etique intense.
Il s’agit d’une substanceparamagn´etique. Au contraire, l’´echantillon de bismuth s’oriente perpendic- ulairement au champ magn´etique. Il est repouss´e par les r´egions de champ magn´etique intense. Il s’agit d’une substancediamagn´etique(Fig. 9).
D´ eviation d’un faisceau d’´ electrons
Un ballon de verre ´equip´e d’un dispositif `a ´emission cathodique est plong´e dans un champ magn´etique uniforme horizontal cr´e´e par deux bobines de Helmholtz (Fig. 11).
Les ´electrons sont ´emis horizontalement dans l’enceinte et subissent une force de Lorentz due `a la pr´esence du champ. Ils sont donc d´evi´es et leur trajectoire est une h´elice. Si leur vitesse initiale est purement perpendiculaire au champ, la force de Lorentz est maximale et la trajectoire est un cercle.
Lorsque l’on augmente la vitesse d’´emission des ´electrons, le rayon de courbure de la trajectoire augmente.
La trajectoire des ´electrons est visible car les ´electrons ionisent le gaz contenu dans le ballon, ce qui produit une lumi`ere bleuˆatre.
Figure 10 – Figure11 –
Mat´ eriau supraconducteur
On plonge un mat´eriau conducteur d’´electricit´e dans un bain d’azote liquide afin de le refroidir (Fig.
12). Le mat´eriau est travers´e par un courant d’intensit´e constante et on mesure la tension `a ses bornes en fonction de sa temp´erature (Fig. 13). De par la loi d’Ohm ( U = RI ), on peut alors d´eduire la r´esistivit´e du mat´eriau supraconducteur de cette mesure de la tension.
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On constate comme attendu que la r´esistivit´e du conducteur d´ecroit avec la chute de la temp´erature, comme pour la plupart des conducteurs. Aux alentours de - 165 degr´es cependant, le mat´eriau voit sa r´esistance du conducteur chuter tr`es brutalement pour atteindre 0 Ohm ! Il est alors dans un ´etat dit de supraconductivit´e.
Figure12 –
Figure13 –
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