Force sur un fil parcouru par un courant dans un champ magnétique
Une charge en mouvement dans un champ magnétique subit une force. Un courant, c'est simplement beaucoup de charges en mouvement : un fil parcouru par un courant dans un champ magnétique est donc poussé. Cette poussée s'appelle la force magnétique sur un conducteur.
De quoi dépend la taille de la force ?
- Le courant (I) : plus de courant, plus de force.
- L'intensité du champ (B) : un aimant plus fort donne plus de force.
- La longueur de fil dans le champ (L) : fil plus long, plus de force.
- L'angle θ entre le fil et le champ : la force est maximale à 90° (perpendiculaire) et devient nulle quand le fil est parallèle au champ (0° ou 180°).
En bref, F ∝ I · B · L · sin θ. (En classe de Class 10, il faut comprendre les idées ; la formule F = BIL sin θ sert dans les classes supérieures.)
Dans quel sens va la poussée ? La règle de la main gauche de Fleming
Tends le pouce, l'index et le majeur de ta main gauche de façon qu'ils soient à angle droit les uns avec les autres. Pointe l'index dans le sens du champ (de N vers S) et le majeur dans le sens du courant. Le pouce montre alors le sens de la force (du mouvement) sur le conducteur. Si tu inverses le courant ou le champ, la force s'inverse ; si tu inverses les deux, elle ne change pas.
Moteur électrique (évalué seulement en contrôle continu en 2026-27)
Remarque : pour le CBSE 2026-27, le moteur, l'induction électromagnétique et le générateur sont évalués seulement en contrôle continu (devoirs en classe, activités), pas à l'examen final. Apprends-les quand même : ils expliquent tous les ventilateurs et toutes les centrales.
Un moteur électrique transforme l'énergie électrique en énergie mécanique. Ses éléments :
- La bobine (induit) : une bobine rectangulaire de fil de cuivre isolé, souvent enroulée sur un noyau de fer doux, placée entre les pôles d'un aimant.
- Le collecteur à bagues fendues : un anneau coupé en deux moitiés reliées aux extrémités de la bobine. Il tourne avec la bobine.
- Les balais : deux lames de carbone ou de métal qui appuient sur l'anneau fendu et amènent le courant de la pile.
Comment ça marche
Le courant circule dans un sens dans un long côté de la bobine et dans le sens opposé dans l'autre côté. D'après la règle de la main gauche, un côté est poussé vers le haut et l'autre vers le bas : la bobine tourne. Après un demi-tour, les moitiés de l'anneau fendu changent de balai, le courant s'inverse dans la bobine, et les forces poussent de nouveau la bobine dans le même sens de rotation. Elle continue donc de tourner dans une seule direction. Les moteurs du commerce utilisent des électroaimants, beaucoup de tours de fil et un noyau de fer doux pour être plus puissants.
Induction électromagnétique et générateur
Michael Faraday a découvert l'effet inverse : un champ magnétique qui change à travers une bobine y crée un courant. C'est l'induction électromagnétique, et ce courant s'appelle le courant induit.
- Enfonce un aimant dans une bobine reliée à un galvanomètre : l'aiguille dévie.
- Retire-le : l'aiguille dévie dans l'autre sens.
- Garde-le immobile : pas de déviation, car le champ ne change pas.
- Bouge plus vite, utilise un aimant plus fort ou plus de spires : la déviation est plus grande.
La règle de la main droite de Fleming
Pour un conducteur qui se déplace dans un champ, tends le pouce, l'index et le majeur de la main droite à angle droit. Index = champ, pouce = mouvement du conducteur, majeur = sens du courant induit.
Le générateur électrique
Un générateur transforme l'énergie mécanique en énergie électrique. On fait tourner une bobine entre les pôles d'un aimant ; chaque côté coupe le champ et un courant est induit. Avec des bagues collectrices, le courant s'inverse tous les demi-tours : on obtient du courant alternatif (générateur AC). Avec un collecteur à bagues fendues, la sortie va toujours dans le même sens : on obtient du courant continu (générateur DC).
Courant alternatif (AC) et courant continu (DC)
Le courant continu (DC) circule toujours dans le même sens. Les piles, les batteries et les panneaux solaires donnent du courant continu.
Le courant alternatif (AC) change de sens encore et encore, à intervalles réguliers. En Inde, le courant de la maison est alternatif, d'environ 220 V et 50 Hz : il change de sens 100 fois par seconde (deux fois par cycle).
| AC | DC |
|---|---|
| Le sens s'inverse régulièrement | Un seul sens |
| Vient des générateurs AC des centrales | Vient des piles, des batteries, des générateurs DC |
| Peut être transporté sur de longues distances avec peu de perte d'énergie (la tension est changée par des transformateurs) | Difficile à augmenter ou à baisser facilement ; utilisé en électronique |
Formules et définitions clés
- F ∝ I · B · L · sin θ (force sur un conducteur ; F = BIL sin θ dans les classes supérieures)
- θ = 90° → force maximale ; θ = 0° ou 180° → force nulle
- Règle de la main gauche de Fleming (moteur) : index = champ, majeur = courant, pouce = force
- Règle de la main droite de Fleming (générateur) : index = champ, pouce = mouvement, majeur = courant induit
- Moteur : énergie électrique → mécanique ; Générateur : énergie mécanique → électrique
- Secteur en Inde : AC, 220 V, 50 Hz → le sens s'inverse 100 fois par seconde
Exemples résolus
1. Un fil va de l'est vers l'ouest (courant vers l'ouest) dans un champ magnétique vertical dirigé vers le bas. Dans quel sens est la force ?
Index vers le bas (champ), majeur vers l'ouest (courant). Le pouce de la main gauche pointe alors vers le sud. La force est donc dirigée vers le sud.
2. Un fil parcouru par un courant est placé parallèlement aux lignes de champ magnétique. Quelle force agit sur lui ?
L'angle entre le fil et le champ est 0°, donc sin θ = 0 et la force est nulle. Le fil n'est pas poussé du tout.
3. Dans l'expérience de la tige sur des rails, la tige se déplace vers la gauche. Que se passe-t-il si (a) on inverse le courant, (b) on inverse le courant et le champ ?
(a) Inverser l'un des deux inverse la force : la tige va vers la droite. (b) Inverser les deux fait deux inversions qui s'annulent : la tige va toujours vers la gauche.
4. Le courant alternatif en Inde est à 50 Hz. Combien de fois le courant change-t-il de sens en une seconde ?
Chaque cycle compte deux inversions. 50 cycles × 2 = 100 inversions par seconde.
5. Pourquoi un moteur a-t-il besoin d'un collecteur à bagues fendues ?
Sans lui, après un demi-tour, les forces sur les côtés de la bobine la repousseraient en arrière, et elle ne ferait que se balancer. L'anneau fendu inverse le courant dans la bobine à chaque demi-tour, donc le couple agit toujours dans le même sens et la bobine continue de tourner.
Erreurs fréquentes
- Utiliser la main droite pour la force sur un conducteur. Force (effet moteur) = main GAUCHE ; courant induit (générateur) = main DROITE.
- Croire qu'un aimant immobile dans une bobine crée du courant. Seul un champ QUI CHANGE (mouvement relatif) induit un courant.
- Croire que la force est la même pour tous les angles. Elle est maximale à 90° et nulle quand le fil est parallèle au champ.
- Confondre les anneaux : un moteur DC et un générateur DC utilisent un collecteur à bagues fendues ; un générateur AC utilise des bagues collectrices.