Champ magnétique crée par un courant électrique

Pr: Soukaina CHAGHOUANI

1bac- Biof

2024- 2025

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Situation - Problème

En 1814, le physicien Danois Oersted observe que le courant électrique produit par une pile et circulant dans un fil conducteur dévie l’aiguille d’une boussole dans une direction perpendiculaire à celle du courant, cette observation constitue une découverte de l’électro- aimant. Donc le courant électrique crée un champ magnétique dans l’espace qui l’entoure. Quelles sont les caractéristiques de ce champ magnétique dans un conducteur (fil conducteur, bobine et solénoïde)?

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Création d’un champ magnétique par un courant �

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1- Activité expérimentale : expérience d’Oersted�

a) Manipulation

On place une aiguille aimantée NS à proximité d’un fil rectiligne orienté nord-sud, initialement alignée dans le champ magnétique terrestre horizontal.

On ferme l’interrupteur ; pour faire circuler un courant continu dans le fil conducteur.

1820 le scientifique Oersted réalise une expérience à l’aide d’un fil électrique et une aiguille aimantée

1- Activité expérimentale : expérience d’Oersted�

b) Observation

• Le passage du courant fait pivoter l'aiguille sur son axe verticale.
• Si on inverse le sens du courant, l'aiguille tourne de 180°
• Lorsqu'un courant électrique circule, l'aiguille tend à s'orienter perpendiculairement au conducteur .

c) Conclusion

• Le passage du courant électrique dans un conducteur entraine la création d’un champ magnétique dans l’espace qui l’entoure.
• Le sens de déviation de l’aiguille aimantée dépend de sens de courant qui traverse le fil électrique.

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2.Champ magnétique créé au voisinage d’un fil rectiligne

Formons le spectre magnétique du champ créé par un fil rectiligne vertical parcouru par un courant. Saupoudrons de la limaille de fer dans un plan perpendiculaire au fil. Plaçons également quelques aiguilles aimantées au voisinage du fil.

a) Expérience

2.Champ magnétique créé au voisinage d’un fil rectiligne

b) Observation

• Lorsqu'aucun courant ne circule dans le fil, la limaille ne prend pas de direction particulière.
• Lorsqu’un courant circule dans le fil, la limaille s’aimante et se dispose en lignes fermées, appelées lignes de champ.
• Les lignes de champ sont des cercles concentriques.�L’orientation des aiguilles aimantées s’inverse lorsque nous changeons le sens du courant .

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c) Conclusion

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3.Caractéristiques du champ magnétique d’un fil rectiligne

Au voisinage d’un fil rectiligne électrique le vecteur champ magnétique existant dans un point M à pour caractéristiques :

• Point d’application :le point M₁
• La direction : celle de la tangente en M₁ à la ligne de champ
• L’intensité :L’intensité B se détermine de deux façons :
• Directement en utilisant un tesla mètre
• Par calcul en utilisant l’expression suivante :

𝜇₀ = 4𝜋. 10⁻⁷ S.I: 𝑝𝑒𝑟𝑚é𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡é 𝑑𝑢 𝑣𝑖𝑑𝑒

𝐼: 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡é 𝑑𝑢 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒

𝑑: 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑞𝑢𝑖 𝑠é𝑝𝑎𝑟𝑒 𝑙𝑒 𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡 𝑀

𝑎𝑢 𝑓𝑖𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟

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3.Caractéristiques du champ magnétique d’un fil rectiligne

• Le sens : Déterminer par l’une des règles suivantes :

• Règle de la main droite :
• Lorsque la paume de la main droite est tournée vers le point M, les doigts étant le long du fil et dans le sens du courant, le pouce indique le sens du champ magnétique.
• Lorsque les doigts enroulent le fil dans le sens du champ magnétique, le pouce indique le sens du courant.

• Règle du tire-bouchon : Pour progresser dans le sens du courant, un tirebouchon doit tourner dans le sens du champ.

3.Caractéristiques du champ magnétique d’un fil rectiligne

• Le sens : Déterminer par l’une des règles suivantes :

• Règle du bonhomme d'Ampère : Un observateur est disposé le long du conducteur de façon que le courant électrique circule de ses pieds vers sa tête. Il regarde un point M de l’espace. En ce point le champ magnétique est orienté vers sa gauche.

Champ magnétique crée par une bobine plate �

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1. Définition d'une bobine

Une bobine est constituée d’un enroulement de fil conducteur sur un cylindre de rayon r.

• Si L et r sont du même ordre de grandeur on a un solénoïde.
• Si L > 10 r on a un solénoïde infini.
• Si r >>L on a une bobine plate .

.

2-Etude de la bobine plate

a) Expérience

Plaçons un peu de limaille de fer sur une plaque en plexiglas posée perpendiculairement au plan de la bobine qui est parcouru par un courant d’intensité 𝐼

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b) Observation

2-Etude de la bobine plate

• Lorsqu'aucun courant ne circule dans le fil (𝐼 = 0), la limaille ne prend pas de direction particulière.
• Lorsqu’un courant circule dans le fil (𝐼 ≠ 0), la limaille s’aimante et se dispose en lignes fermées, appelées lignes de champ.

3-Les caractéristiques du champ magnétique créé par une bobine plate

Dans ce cas

La distribution des grains de limaille de fer change parce qu’ils sont soumis à un champ magnétique créé par le courant électrique traversant la bobine plate.

Le vecteur champ magnétique à comme caractéristiques au centre d’une bobine plate de rayon R et de nombre de spires N :

• Point d’application : le centre M de la bobine.
• direction : l’axe perpendiculaire au plan de la bibine et qui passe par le Centre M

3-Les caractéristiques du champ magnétique créé par une bobine plate

• intensité : l’intensité du champ magnétique B au centre de la bobine de N Spires, de rayon R parcourue par un courant d’intensité I vaut :

𝜇₀ = 4𝜋. 10⁻⁷ S.I: 𝑝𝑒𝑟𝑚é𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡é 𝑑𝑢 𝑣𝑖𝑑𝑒

𝐼: 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡é 𝑑𝑢 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑅: 𝑅𝑎𝑦𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑒

𝑁: 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑝𝑖𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑒

• Le sens : Déterminer par l’une des règles suivantes :

• Règle de la main droite :

Pouce → sens du champ magnétique

Index→ s’appliquant sur les spires indique le sens du courant.

• Règle du tire-bouchon : Un tire bouchon qui tourne dans le sens du courant progresse de la face sud vers la face nord.

• Règle du bonhomme d'Ampère : un bonhomme d'Ampère placé sur la bobine, le courant entrant par ses pieds et sortant par sa tête, indique le sens du champ magnétique par son bras gauche lorsqu'il regarde le centre de la bobine.

Comme l'aimant, la bobine a deux pôles ou deux faces,

• une face nord (𝑁) à partir de laquelle les lignes de champ magnétique sortent
• une face sud (𝑆) à partir de laquelle les lignes du champ entrent. Pour déterminer les faces de la bobine, On utilise la méthode suivante :

On dessine la bobine et on détermine le sens du courant électrique. Si on suive le sens du courant et on trace la lettre 𝑁, on dit que la face est nord. Si on trace la lettre 𝑆, on dit que la face est sud

4.Faces de la bobine

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Champ magnétique crée par un solénoïde �

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1. Définition

Un solénoïde est une bobine longue dont sa longueur L est supérieure à dix fois son rayon

2-Etude du solénoïde

a) Expérience

Plaçons un peu de limaille de fer sur une plaque en plexiglas posée à l’intérieur du solénoïde

b) Observation

En passant un courant électrique dans le solénoïde on observe : la limaille s’aimante et se dispose en lignes à l’intérieur du solénoïde

L’aimantation de limaille de fer est du à la présence du champ magnétique crée à l’inferieur du solénoïde.

c) Conclusion

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3-Les caractéristiques du champ magnétique à l’intérieur du solénoïde

• Point d’application :centre du solénoïde.
• La direction : L’axe parallèle à l’axe du solénoïde
• Sens : -expérimentalement : c’est celui d’une aiguille aimantée (s vers n).

-Théoriquement : déterminé par l’une des règles connues

Exemple :

règle de la main droite

L’aiguille aimantée

3-Les caractéristiques du champ magnétique à l’intérieur du solénoïde

• l’intensité : l’intensité du champ magnétique B au centre du solénoïde de N

spires, de longueur L parcourue par un courant électrique d’intensité I est

𝜇₀ = 4𝜋. 10⁻⁷ S.I: 𝑝𝑒𝑟𝑚é𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡é 𝑑𝑢 𝑣𝑖𝑑𝑒

𝐼: 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡é 𝑑𝑢 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒

𝐿: 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑢𝑒𝑢𝑟 𝑑𝑢 𝑠𝑜𝑙𝑒𝑛𝑜𝑖𝑑𝑒 𝑁: 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑝𝑖𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑒

4-Faces du solénoïde

Comme l'aimant, le solénoïde a deux pôles ou deux faces,

• une face sud (𝑆) à partir de laquelle les lignes du champ entrent.

• une face nord (𝑁) à partir de laquelle les lignes de champ magnétique sortent

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