Aimant, champ magnétique et boussole
Un aimant a deux extrémités appelées pôles : le pôle nord (N) et le pôle sud (S). Les pôles de même nom se repoussent et les pôles de noms contraires s'attirent. L'espace autour d'un aimant où l'on peut sentir son attraction ou sa répulsion est son champ magnétique. Un champ a une intensité et une direction : c'est donc une grandeur vectorielle.
Une boussole est simplement un minuscule aimant (l'aiguille) qui peut tourner librement. Son extrémité N indique la direction du champ à cet endroit. Sans aimant ni courant à proximité, elle pointe vers le nord géographique de la Terre, car la Terre se comporte elle-même comme un énorme aimant.
Comme on ne voit pas le champ, on dessine des lignes de champ magnétique : ce sont les chemins que suivrait un petit pôle nord libre. Saupoudre de la limaille de fer autour d'un aimant et tapote le carton : la limaille s'aligne le long de ces chemins.
Propriétés des lignes de champ magnétique
- Sens : à l'extérieur d'un aimant, elles vont de N vers S ; à l'intérieur, elles reviennent de S vers N.
- Boucles fermées : chaque ligne est donc une courbe fermée, sans début ni fin.
- Elles ne se croisent jamais : si deux lignes se croisaient, une boussole placée en ce point devrait indiquer deux directions à la fois, ce qui est impossible.
- La densité montre l'intensité : là où les lignes sont proches, le champ est fort (près des pôles) ; là où elles s'écartent, le champ est faible.
- La tangente à une ligne de champ en un point donne la direction du champ en ce point.
Champ autour d'un fil droit parcouru par un courant
En 1820, Hans Christian Oersted remarqua que l'aiguille d'une boussole tournait chaque fois qu'un courant passait dans un fil voisin. Cela montra que le courant électrique produit un champ magnétique : l'électricité et le magnétisme sont liés.
Autour d'un long fil droit, les lignes de champ sont des cercles concentriques centrés sur le fil, situés dans des plans perpendiculaires à lui.
Règle de la main droite (règle du pouce)
Prends le fil dans ta main droite, le pouce pointant dans le sens du courant. Tes doigts repliés indiquent le sens des lignes de champ. Si tu inverses le courant, le champ s'inverse aussi, et la boussole tourne dans l'autre sens.
De quoi dépend l'intensité
Le champ est plus fort quand le courant est plus grand et plus faible quand on s'éloigne du fil. Près du fil, les cercles sont serrés ; loin, ils s'écartent. (L'intensité est directement proportionnelle au courant et inversement proportionnelle à la distance.)
Champ d'une spire circulaire (bobine)
Plie le fil droit en un cercle. Chaque petit morceau de la spire crée toujours des cercles de champ autour de lui. Près du fil, ils ressemblent à de petits cercles ; vers le centre, ils s'agrandissent et, au centre, les lignes venant de toutes les parties de la spire vont dans le même sens et ressemblent presque à des lignes droites.
Le champ au centre devient plus fort si l'on augmente le courant ou le nombre de tours (n tours agissent comme n fois une spire). Une spire plus petite donne aussi un champ plus fort en son centre. Vue d'une face, un courant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre fait de cette face un pôle nord, et un courant dans le sens des aiguilles d'une montre en fait un pôle sud.
Le solénoïde : une bobine qui agit comme un aimant droit
Un solénoïde est une longue bobine de nombreuses spires serrées de fil de cuivre isolé, en forme de cylindre. Quand le courant passe, son champ ressemble à celui d'un aimant droit : une extrémité se comporte comme un N et l'autre comme un S.
À l'intérieur d'un long solénoïde, les lignes de champ sont droites, parallèles et également espacées. Cela veut dire que le champ est uniforme : même intensité et même direction en tout point intérieur. Pour trouver l'extrémité N, replie les doigts de ta main droite dans le sens du courant dans les spires ; le pouce indique l'extrémité N.
Le champ devient plus fort avec (1) plus de spires, (2) plus de courant et (3) un noyau de fer doux placé à l'intérieur.
Électroaimant et aimant permanent
Place une tige de fer doux dans un solénoïde et fais passer un courant : la tige devient un aimant puissant appelé électroaimant. Coupe le courant et elle perd presque tout son magnétisme.
| Électroaimant | Aimant permanent |
|---|---|
| Aimant seulement tant que le courant passe | Reste aimanté en permanence |
| Intensité réglable (courant, nombre de tours) | Intensité fixe |
| Pôles inversés en inversant le courant | Pôles fixes |
| Noyau : fer doux | Fabriqué en acier, alnico, ferrite, néodyme |
| Peut être très puissant | Généralement plus faible |
Usages des électroaimants : grues pour la ferraille, sonnettes électriques, relais, haut-parleurs, moteurs, appareils d'IRM et trains à sustentation magnétique. L'acier sert aux aimants permanents parce qu'il garde son magnétisme ; le fer doux sert aux électroaimants parce qu'il le perd vite.
Ce qui tombe à l'examen
Attends-toi à des schémas de lignes de champ (aimant droit, fil droit, spire, solénoïde), à la règle de la main droite, aux raisons pour lesquelles les lignes de champ ne se croisent jamais, aux facteurs qui influencent l'intensité du champ, et aux différences entre un électroaimant et un aimant permanent. Ce sont en général des questions de 1 à 3 points ; les schémas rapportent des points pour les flèches indiquant le sens, alors dessine-les toujours.
Formules et définitions clés
- Fil droit : intensité du champ B ∝ I et B ∝ 1/r (r = distance au fil)
- Spire circulaire (centre) : B ∝ n I / r (n tours, rayon r)
- Solénoïde (intérieur) : B ∝ n I par unité de longueur ; champ uniforme
- Unité SI du champ magnétique : le tesla (T)
- Règle de la main droite : pouce = courant, doigts repliés = champ
- Face d'une bobine : courant sens inverse des aiguilles d'une montre = face N, sens des aiguilles = face S
Exemples résolus
1. Une boussole est placée juste à l'est d'un fil vertical. Le courant monte dans le fil. Où pointe l'extrémité N de la boussole ? (Regarde d'en haut.)
Applique la règle de la main droite : pouce vers le haut, les doigts tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre vu d'en haut. Du côté est, ce sens de rotation va vers le nord. L'extrémité N de l'aiguille pointe donc vers le nord (le champ du fil et celui de la Terre vont dans le même sens ici).
2. À 5 cm d'un long fil droit, le champ a une valeur B. Quel est le champ à 10 cm si l'on double aussi le courant ?
B ∝ I/r. Doubler I double B, doubler r divise B par 2. Donc B ne change pas : 2 × ½ = 1, le champ reste B.
3. Un élève regarde une face d'une bobine et voit le courant tourner dans le sens des aiguilles d'une montre. Quel pôle est cette face ? Et si on inverse le courant ?
Un courant dans le sens des aiguilles d'une montre fait de la face un pôle Sud. En inversant le courant, il tourne dans le sens inverse, donc la face devient un pôle Nord.
4. Donne deux façons de renforcer le champ magnétique d'un solénoïde sans changer la longueur de la bobine.
Faire passer plus de courant, ajouter des spires, ou placer un noyau de fer doux à l'intérieur. N'importe lesquelles deux de ces trois.
5. Pourquoi un long solénoïde crée-t-il un champ uniforme à l'intérieur, alors qu'une bobine d'une seule spire n'en crée pas ?
Dans un long solénoïde, les champs des nombreuses spires s'additionnent côte à côte. À l'intérieur, les parties qui courberaient les lignes s'annulent, et les lignes deviennent droites, parallèles et également espacées. Une spire seule n'est droite que près de son centre et se courbe ailleurs.
Erreurs fréquentes
- Dessiner des lignes de champ qui se croisent ou qui commencent et s'arrêtent dans le vide. Ce sont toujours des boucles fermées qui ne se croisent jamais.
- Utiliser la main gauche pour la règle du pouce. Pour le sens du champ d'un fil, c'est la règle de la main DROITE (la règle de la main GAUCHE de Fleming sert pour la force sur un fil, dans la prochaine leçon).
- Dire que les lignes de champ à l'intérieur d'un aimant droit vont de N vers S. À l'intérieur elles vont de S vers N ; ce n'est qu'à l'extérieur qu'elles vont de N vers S.
- Croire qu'un noyau de fer doux donne un aimant permanent. Le fer doux perd son magnétisme quand le courant s'arrête ; l'acier le garde.