Electromagntisme
Niveau premire
ElectromagntismeLes champs magntiques Les sources de champs
magntiques existent ltat naturel (Terre, aimant naturel) ou peuvent
tre cres artificiellement (aimant, lectro-aimant). Lunit du champ
magntique B est le Tesla (T) Le champ magntique se mesure avec un
teslamtre. Schma dun aimant :! ou
Bipolarit Un champ magntique possde toujours un ple nord et un
ple sud. Ils sont indissociables. Si on casse un aimant on obtient
deux aimants.
Action dun champ magntique sur un aimant : attraction - rpulsion
Si on approche deux ples de mme polarit, les aimants se
repoussent.
Si on approche deux ples opposs, les aimants sattirent.
Les forces dpendent de lintensit du champ magntique et de la
distance entre les deux aimants. Visualisation du champ magntique
Des grains de limaille de fer, saupoudrs autour dun aimant, vont
sorienter selon les lignes de champ. - Les lignes de champs
montrent lorientation du champ magntique. - La densit de lignes de
champ informe sur lintensit du champ magntique. - La figure forme
par la limaille de fer sappelle un spectre magntique.
Spectre dun aimant droit + symbolisation de quelques lignes de
champs et quelques vecteurs champ magntique .
Claude Divoux, mai 2006
1/13
Electromagntisme
Niveau premire
Le champ magntique B est une grandeur vectorielle. Il varie en
direction et en intensit selon lendroit considr. Observations - Les
lignes de champ vont du! ple nord vers le ple sud. - Le champ B est
tangent aux lignes de champs. - Si on place une boussole au point
P, son ple nord va sorienter dans la direction de B .! !
Les boussoles sorientent selon les lignes de champ.
Internet - simulation du spectre dun aimant droit
http://www.walter-fendt.de/ph11f/mfbar_f.htm
Ligne de champ entre les armatures dun aimant en U. (toutes les
lignes de champ extrieures ne sont pas dessines)
Observation - A lintrieur dun aimant en U le champ magntique est
constant en intensit et en direction. On dit quil est uniforme.
Claude Divoux, mai 2006
2/13
Electromagntisme
Niveau premire
Comment dterminer le ple dun aimant Il faut au pralable connatre
la polarit dun aimant. Par exemple celui de la Terre (voir limage
ci-dessous)
Le ple gographique et le ple magntique sont dcals de 11 par
rapport au centre de la Terre.
Ensuite il suffit de constater la rpulsion ou lattraction entre
laimant dont on veut dterminer les ples et laimant dont on connat
la polarit.
Le barreau aimant prsente un ple nord la boussole
Boussole Attention, une boussole se dsaimante et saimante en
inverse facilement. Utilisation industrielle - Moteurs aimants
permanents Manutention
Crochet de manutention aimant permanent Laimant est lintrieur de
la bote jaune. La poigne permet dapprocher laimant prs de lobjet
(compos de fer) manipuler. Le crochet permet la manipulation avec
un engin de levage (treuil par exemple)
Claude Divoux, mai 2006
3/13
Electromagntisme
Niveau premire
Champ magntique cre par un courant La source microscopique dun
champ magntique est le dplacement de charges lectriques. Un courant
lectrique tant un dplacement de charges lectrique va donc gnrer un
champ magntique. Cette proprit est utilise dans de nombreux systmes
lectrotechniques : - lectro-aimants (gachette de porte dentre,
engin de levage de ferraille)
Sous leffet du courant, laxe de llectroaimant se rtracte.Source
inconnue sur Internet
Electroaimant pour diverses applications industrielles.Source
inconnue sur Internet
Levage de botes de conservesSource inconnue sur Internet
-
moteurs et gnrateurs lectriques
Stator dun moteur bipolaire
-
train sustentation magntique
Maglev - http://maglev.de/
Lintensit du champ magntique est proportionnelle au courant qui
le cre : B = k " I
!
Si le courant double, le champ double.
Observation - Dans la grande majorit des applications magntiques
du courant, le fil lectrique sera enroul en bobine. Cela permet
daugmenter les proprits magntiques du courant en variant le nombre
de spires et en plaant au centre de la bobine un noyau
ferromagntique.
Claude Divoux, mai 2006
4/13
Electromagntisme
Niveau premire
Polarit dune bobine parcourue par un courant rgle de la main
droite Placer votre main droite sur la bobine pour lentourer dans
le sens de circulation du courant. Votre pouce vous indiquera la
face Nord de la bobine.
La rgle de la main droite indique le ple nord de la bobine.
Lignes de champ dun solnode
Une autre faon pour dterminer les ples dune bobine est de la
placer selon son axe et dobserver le sens de rotation du
courant.
face nord
face sud
Claude Divoux, mai 2006
5/13
Electromagntisme
Niveau premire
Champ magntique au milieu dun solnode. Un solnode est une bobine
qui possde une longueur l et une rpartition uniforme de N spires.
Nous avons vrifi exprimentalement que le champ magntique sexprimait
de la faon suivante N B = 0 I l l en mtres (m) ; I en ampres (A) ;
N nombre de spires 0 est la permabilit du vide (ou de lair) : 0 !
4.10-7 u.s.i. = 1,257.10-6 u.s.i. =
Le champ produit par ce solnode sera plus intense
que celui-ci.
Excitation magntique
N I l Les termes N, l et I dpendent de la source de champ
magntique (la bobine). Le terme 0 dpend du milieu qui se trouve au
centre de la bobine (lair ).Reprenons la formule B = 0 On dfinit
lexcitation magntique H qui ne dpend que de la source. ! Pour le
solnode lintensit H (le module du vecteur) va sexprimer : N H= I !
l -1 H sexprime en ampres par mtre (A.m ). Milieu ferromagntique !
Si lon place un noyau ferromagntique (alliage base de fer) dans la
bobine, le champ sera plus intense. Cette proprit est utilise dans
les moteurs lectriques et les transformateurs.
N I l est la permabilit du matriau. est beaucoup plus grand que
0. B="H = !Claude Divoux, mai 2006
6/13
Electromagntisme
Niveau premire
Application du ferromagntisme - transformateur : il transforme
une tension sinusodale de tension efficace U1 en une autre tension
de valeur efficace U2 plus grande ou plus petite que U1. Le circuit
magntique canalise et intensifie le champ magntique.
Sources inconnues sur Internet
-
Moteurs et gnrateurs lectriques : tout le bti en fer du moteur
contribue au transfert dnergie lectromagntique entre le rotor et le
stator.
Source inconnue sur Internet
Force de Laplace Vous avez pu constater que deux aimants peuvent
sattirer ou se repousser. Il existe donc une force magntique. La
force de Laplace est une des expressions de cette force.
Exprience de Laplace : le barreau conducteur se dplace sur les
deux rails. (vido)
Un conducteur de longueur l, plac dans un champ magntique B et
parcouru par un courant I, subit une force appele force de
Laplace.
F = I"l"B F en newtons (N), I en ampres (A), l en mtre (m), B!
tesla (T). en Lorientation de la force peut-tre dduite par la rgle
des trois doigts de la main droite. !
Rgle de la main droite : dans lordre F, I, B quivalent pousse,
index, majeur.
Claude Divoux, mai 2006
7/13
Electromagntisme
Niveau premire
Tout comme un repre orthonorm (x,y,z), les trois doigts forment
un tridre tri-rectangle direct. Un faisceau dlectrons tant un
courant lectrique dans le vide, subit galement une force de
dviation en prsence dun champ magntique.
Dviation dun faisceau dlectron.
Application de la force de Laplace - Tlviseur : cest le principe
utilis dans les tubes cathodiques des tlviseurs et des crans
dordinateurs (attention : ce nest plus le cas dans les crans
plats).
Source inconnue sur Internet
-
Moteur lectrique : le champ magntique du stator applique des
forces de Laplace sur les conducteurs du rotor qui se met en
rotation.
-
Haut-parleur Le signal lectrique fait vibrer la membrane du
haut-parleur sur le principe de la force de Laplace.
Source www.son-video.com
Claude Divoux, mai 2006
8/13
Electromagntisme
Niveau premire
Vecteur surface Soit une surface S dlimite par un cercle ; on
choisit un sens de parcours sur le cercle et on dfinit le vecteur n
unitaire normale la surface avec la rgle de la main droite (voir un
paragraphe prcdent).!
On peut galement dfinir le vecteur S = S.n Pour une bobine
parcourue par un courant, le sens de parcours sera donn par le sens
du courant. Et donc n est orient comme le champ magntique gnr par
la bobine ( n pointe vers la face nord de la bobine). !! !
Reprsentation dun vecteur perpendiculaire au plan de la
feuilleCe symbole est celui dun vecteur qui pointe vers vous. Ce
symbole est celui dun vecteur qui sloigne de vous.
Flux magntique Le flux magntique reprsente la quantit de champ
magntique vu travers les spires dun enroulement (une bobine). Le
flux change selon lorientation de la bobine par rapport au champ
magntique.
Langle "
= B n est nul.
( )
cos" = 1 !Une spire traverse par un champ magntique (vue de
face). Vu dau-dessus, langle entre la normale la surface et le
champ est nul. Le flux est maximum
!
Claude Divoux, mai 2006
9/13
Electromagntisme
Niveau premire
La surface vue par le champ magntique dpend de langle .
Svue = S " cos #
Vu dau-dessus, la normale la surface et le champ scartent dun
angle (thta)
!
Langle "
= B n fait 90.
( )
cos" = 0 ! !Le champ magntique ne traverse pas la spire Le flux
est nul.
Le flux magntique travers un circuit est le produit du champ
magntique par la surface apparente que lui prsente le circuit.
" = B # S # cos$Lunit du flux est le Weber (Wb). (thta) est
langle entre la normale n la surface et la champ magntique B . !
Force lectromotrice (fm ou f..m.) Exprience : si on remue un aimant
devant une bobine, non alimente, on observe une tension ses bornes.
! !
Cration dune force lectromotrice
Le champ magntique applique une force sur les lectrons de la
bobine. Cette force induit une tension lectrique appele force
lectromotrice. Dans quel cas observe-t-on une force lectromotrice ?
- laimant bouge devant la bobine - la bobine bouge devant laimant -
Dans quel cas la f..m. est nulle ? - laimant est immobile par
rapport la bobine. Plusieurs expriences permettent (voir sur
www.physique-appliquee.net) de comprendre que pour observer une
f..m. aux bornes de la bobine, il faut une variation de flux. Do la
loi de Faraday. 10/13
Claude Divoux, mai 2006
Electromagntisme
Niveau premire
Loi de Faraday Tout circuit soumis une variation de flux, voit
apparatre ses bornes une force lectromotrice (tension) e telle que
:
Rgle du flux maximum Les interactions entre deux sources de
champ magntique sont telles que le flux devient maximum. Exemple -
Cette rgle permet dexpliquer la rotation des moteurs lectriques
comme le moteur courant continu et le moteur pas pas. Induction
lectromagntique et courant induit La bobine, soumise une variation
de flux, devient donc une source de tension lectrique (f..m.). Si
on ferme le circuit de la bobine, un courant va stablir. Comme il
sagit dun courant induit par un champ magntique, on parle de
courant induit et dinduction lectromagntique. Un champ magntique,
variable, induit un courant. Exemples - Les alternateurs des
centrales lectriques utilisent ce principe pour produire la tension
et le courant du rseau EDF. Sans la rotation de la machine, il ny
aurait pas variation de flux et donc pas de f..m. - Le
transformateur utilise ce principe pour transfrer lnergie de la
bobine primaire la bobine secondaire. Pour quil y ait variation de
flux, la bobine primaire du transformateur doit tre aliment en
courant variable (sinuosdal). En courant continu, le champ serait
constant et la fem au secondaire nulle. - Frein courant de Foucault
(voir plus loin). - Four induction industriel Un fort champ
magntique induit des courants dans le mtal fondre. Ce courant
induit provoque des pertes par effet joule qui fait fondre le mtal.
Le lyce du Haut-Barr dispose depuis peu dun four induction dans son
atelier de prototypage rapide. - Plaque induction. Une plaque
induction produit un champ magntique sinusodal 5 kHz. Ce champ
induit des courants dans la casserole (surtout le fond). Le fond de
la casserole doit tre suffisamment rsistif pour que le courant
induit gnre de la chaleur par effet joule (R.I2) qui chauffe le
contenu.
Principe source : membres.lycos.fr/seftech/
Plaque induction ouverte, on voit bien la bobine inductrice.
Auto-induction Mettons une bobine sous tension.Claude Divoux,
mai 2006
11/13
Electromagntisme
Niveau premire
1. Le courant gnre un champ magntique croissant. 2. Le champ
magntique croissant gnre un flux magntique croissant travers la
bobine ellemme (do le nom dauto-induction). 3. Une f..m. et un
courant induit apparaissent dans la bobine. Ils sont ngatifs. 4. Le
courant induit tant ngatif, le champ magntique induit soppose au
champ magntique inducteur (point 1). Ce principe est nonc par la
loi de Lenz. 5. Le champ rsultant est la somme des champs inducteur
et induit. 6. Le courant rsultant est la somme des courants
inducteur et induit. Exemple - La proprit principale des bobines
(ou inductances, ou selfs) est base sur lautoinduction
Bobine avec son noyau. Source e.m.c.2.free.fr/
Loi de Lenz Le sens du courant induit est tel que les effets
quil produit sopposent la cause qui lui donne naissance. Exemples -
Frein courant de Foucault Lorsque le chauffeur de camion appuie sur
la pdale de frein, il alimente en courant les bobines des
lectroaimants. Le flux variable rsultant, traverse le disque dans
lequel apparat des courants induits appels courants de Foucault.
Ces courants gnrent des forces qui sopposent la rotation du disque
et freinent le camion.
Principe du frein courant de Foucault
Frein courant de Foucault pour machines tournantes. Source
www.magtrol.com
Les vlos de salon possdent un frein courant de Foucault. Source
www.manor.ch
-
Freinage du TGV Le freinage de la rame est assur par 4 modes de
freinage * rhostatique, * courants de Foucault (rotatif), *
olopneumatique sabots, utilis pour les freinages d'appoint et
d'arrt, 12/13
Claude Divoux, mai 2006
Electromagntisme
Niveau premire
-
* magntique, utilis pour les freinages d'urgence seulement.
http://www.emdx.org/rail/30ansTGV/ Cramique supra-conductrice
Laimant tient en suspension au-dessus de la cramique du fait de
lapparition dun courant induit qui provoque un champ magntique qui
soppose laimant.
Source
http://perso.wanadoo.fr/pignolos/college/3e_en+_supraconducteurs.htm
Inductance propre dun circuit Nous avons dj parl prcdemment du
phnomne dauto-induction. Donc toute bobine est soumise son
auto-induction. Cest invitable. On dfinit alors linductance propre
(ou simplement inductance) du composant. d# N En combinant les
diffrentes relations : e = " ; " = B # S et B = I , dt l on peut en
dduire une relation donnant la tension uL aux bornes de la bobine
en fonction du courant i qui la traverse (en convention rcepteur).
! di ! uL = L. ! dt
! o L, appele inductance de la bobine, englobe les termes
constants, , N, l, S des quations prcdentes. L se mesure en henry
(H) exemple : L=100 mH, uL en volts (V), i en ampre (A), t en
secondes (s) Energie emmagasine dans une bobine Lorsquune bobine
est mise sous tension, elle emmagasine une certaine quantit dnergie
sous forme magntique. Cette nergie sexprime. 1 W = LI 2 2 I en
ampre (A), L en henry (H), W en joules (J) !Plusieurs vidos
illustrant ce cours sont consultables en ligne ladresse :
http://www.physique-appliquee.net/videos/index.php
Claude Divoux, mai 2006
13/13