Identifier les pôles magnétiques
A) Sur un aimant
Aiguille aimantée
Tout aimant possède un pôle nord et un pôle sud. Sur les aiguilles aimantées, le pôle nord est indiqué en rouge.
Si l’aimant n’est pas repéré, on peut identifier les pôles en utilisant une aiguille aimantée ou un aimant de polarité connue, sachant que :
les pôles de même nature (N-N ou S-S) se repoussent ;
les pôles de natures différentes (N-S ou S-N) s’attirent.
Une autre façon de procéder est d’utiliser le champ magnétique terrestre : en effet, si l’aimant peut tourner librement, par exemple en étant attaché à un fil, son pôle nord s’oriente naturellement vers le pôle nord terrestre. En utilisant une boussole pour déterminer la direction du nord et du sud, on peut déduire la nature des pôles de l’aimant.
B) Sur une bobine
a) Expérimentalement
Définition
Une bobine, ou solénoïde, est un enroulement de fil conducteur sur un cylindre de rayon r.
On réalise le circuit ci-contre. Le rhéostat est une résistance électrique réglable qui permet de limiter l’intensité du courant I dans la bobine : on s’assure que I < Imax (valeur maximale autorisée pour la bobine, indiquée sur la plaque de celle-ci) à l’aide de l’ampèremètre.
Attention
Les résultats dépendent du sens d’enroulement des spires.
On ferme l’interrupteur K. On observe que l’un des pôles de l’aiguille aimantée s’oriente vers l’extrémité de la bobine qui lui fait face.
On ouvre l’interrupteur, on inverse les fils de l’alimentation et on referme l’interrupteur K. On observe c’est le pôle opposé de l’aiguille aimantée qui est désormais orienté vers la face de la bobine.
On conclut de cette expérience qu’une bobine parcourue par un courant électrique crée un champ magnétique en son voisinage. Il se crée alors une face nord et une face sud sur la bobine, analogues aux pôles d’un aimant. Leur orientation dépend du sens du courant qui la parcourt.
b) Les règles d’identification des pôles d’une bobine
La règle des « 2 faces » : on observe la face de la bobine. Suivant le sens du courant dans les spires de la bobine, il se dessine un « N » ou un « S » pour les faces nord ou sud.
La règle de la « main droite » : on place la main droite de telle sorte que les doigts s’enroulent sur la bobine dans le sens du courant électrique. Le pouce indique alors la face nord de la bobine, ainsi que le sens du champ magnétique.
La règle du « tire-bouchon » : on présente un tire-bouchon devant une face de la bobine, en tournant dans le sens de circulation du courant. Si le tire-bouchon s’enfonce (ou visse), la face est le sud. Si le tire-bouchon ressort (ou dévisse), la face est le nord.
Le champ magnétique
A) Définition
Un champ magnétique est créé :
soit avec un aimant : un aimant crée naturellement un champ magnétique autour de lui (figure de gauche) ;
soit par le passage dans un conducteur d’un courant électrique continu (figure de droite).
À savoir
Le sens du champ magnétique dépend du sens du courant. Si le courant est alternatif, alors le champ magnétique change de sens périodiquement.
Un champ magnétique peut être représenté par une flèche, notée . Il est défini par un point, une direction (celle de l’aiguille aimantée), un sens (du pôle sud au pôle nord) et une intensité.
B) Le sens
Pour trouver le sens du champ expérimentalement, on place des aiguilles aimantées autour du conducteur parcouru par un courant électrique. Par exemple, en plaçant des aiguilles aimantées autour d’une bobine parcourue par un courant et en mettant le circuit sous tension, on constate que le sens du champ créé par la bobine est mis en évidence par la position des aiguilles aimantées.
On peut également trouver manuellement le sens du champ magnétique au point M en appliquant les règles vues dans la première partie, ou encore la règle du « bonhomme d’Ampère » : un observateur se place le long du conducteur de telle sorte que le courant électrique lui entre par les pieds et ressorte par sa tête. S’il regarde le point M, le champ sera orienté vers sa gauche.
C) L’intensité
L’intensité d’un champ magnétique B est donnée en tesla (T) dans le système international (SI) et se mesure avec un teslamètre. Une autre unité également utilisée est le gauss (G) : 1 T = 104 G.
Exemple
Voici quelques ordres de grandeur :
– champ magnétique terrestre : 4,7 × 10–5 T ≈ 0,5 G ;
– aimant permanent : 0,1 à 1 T ;
– électro-aimant à bobinage : 10 à 100 T.
Il existe une relation de proportionnalité entre I (en ampère) et B (en tesla) :
B = k × I, où k est un coefficient dépendant entre autres de la longueur de la bobine et du nombre de spires.
D) La force de Laplace
La force de Laplace, notée , est la force électromagnétique qu’exerce un champ magnétique sur un conducteur parcouru par un courant.
Dans l’expérience ci-dessous, on constate que la force déplace la tige. Si on change le sens du courant, le déplacement s’inverse.
Le sens de la force est donné par une convention, dite règle des trois doigts : le majeur représente la direction du champ magnétique, l’index le sens du courant et le pouce le sens de cette force.
