Leçon de Nour
Interaction magnétique
Aujourd'hui, tout le chapitre « Interaction magnétique », en Sciences physiques, troisième année, section Mathématiques.
Ce que dit Nour
1. Interaction aimant-aimant
Aujourd'hui, tout le chapitre « Interaction magnétique », en Sciences physiques, troisième année, section Mathématiques.
On va construire ça petit à petit, avec des schémas, un exemple à chaque fois, et une petite question pour vérifier.
Commençons par l'interaction aimant-aimant.
L'interaction aimant-aimant, c'est-à-dire la façon dont deux aimants agissent l'un sur l'autre à distance.
Chaque aimant a deux pôles, un pôle nord et un pôle sud.
On note le pôle nord N et le pôle sud S, aux deux extrémités.
Voici l'autre bout, le pôle sud de cet aimant.
Place un deuxième aimant à côté, avec ses propres pôles nord et sud.
Son pôle nord et son pôle sud sont marqués aussi.
La règle est simple : les pôles de même nom se repoussent.
Et les pôles de noms différents s'attirent.
Cette interaction se fait sans aucun contact entre les deux aimants.
C'est une force qui agit à distance, à travers l'air ou même le vide.
Voici pourquoi ça marche ainsi : chaque aimant crée autour de lui un champ magnétique.
C'est ce champ, invisible, qui transmet la force à l'autre aimant.
Plus les aimants sont proches, plus la force est grande.
Et si tu éloignes beaucoup les aimants, la force devient presque nulle.
Prenons un exemple concret, comme au bac.
Deux aimants droits sont placés face à face, alignés sur un même axe horizontal.
Le premier aimant présente son pôle sud face à l'autre aimant.
Le deuxième aimant présente son pôle sud aussi, du côté qui lui fait face.
La question du bac demande de prévoir ce qui va se passer entre ces deux aimants.
On regarde les pôles qui se font face : ici, deux pôles sud.
Deux pôles sud face à face, ce sont des pôles de même nom.
D'après la règle, les pôles de même nom se repoussent toujours.
Donc les deux aimants vont se repousser, et s'éloigner l'un de l'autre.
On représente cette répulsion par deux flèches qui pointent vers l'extérieur.
Ces deux forces sont égales en intensité, mais de sens opposés.
Si on avait eu un pôle nord face à un pôle sud, ce serait l'inverse.
Les deux aimants se seraient attirés, et rapprochés l'un de l'autre.
Retenons l'idée centrale de cette section.
Les pôles identiques se repoussent, les pôles différents s'attirent.
Cette interaction se transmet par le champ magnétique de chaque aimant.
Deux pôles nord sont placés face à face : que font les deux aimants ?
2. Champ magnétique et sa mesure
Passons au champ magnétique et à sa mesure.
Le champ magnétique est une grandeur qui existe autour d'un aimant ou d'un courant.
Autrement dit, c'est ce qui remplit l'espace et agit sur d'autres aimants ou courants.
On le note B, et il se mesure en tesla, symbole T.
Le champ magnétique a une direction, un sens, et une intensité.
On le représente par des lignes de champ, qui sortent du pôle nord.
Ces lignes font une boucle et rentrent par le pôle sud de l'aimant.
Pour mesurer précisément la valeur du champ, on utilise un appareil spécial.
Cet appareil s'appelle un teslamètre, c'est-à-dire un instrument qui mesure directement l'intensité du champ B en tesla.
On place la petite sonde du teslamètre à l'endroit où on veut mesurer le champ.
Prenons un exemple typique du bac avec cet appareil.
Un teslamètre placé près d'un aimant droit affiche une valeur de deux milli-tesla.
On demande de convertir cette valeur en tesla, l'unité du système international.
Un milli-tesla vaut un millième de tesla, donc on divise par mille.
Deux milli-tesla, divisé par mille, donne deux fois dix puissance moins trois tesla.
Si on éloigne la sonde de l'aimant, le teslamètre affiche une valeur plus petite.
Le champ magnétique est donc plus fort près de l'aimant, plus faible loin de lui.
Retenons l'essentiel sur le champ magnétique et sa mesure.
Le champ B se mesure en tesla, grâce au teslamètre.
Sa valeur diminue quand on s'éloigne de la source qui le crée.
Quelle unité utilise-t-on pour exprimer l'intensité d'un champ magnétique ?
3. Interaction aimant-courant
Passons maintenant à l'interaction aimant-courant.
L'interaction aimant-courant, c'est-à-dire l'action que se portent mutuellement un aimant et un fil parcouru par un courant.
Oersted a découvert qu'un fil avec un courant crée, lui aussi, un champ magnétique.
Donc un fil parcouru par un courant se comporte un peu comme un aimant.
Si on approche une aiguille aimantée de ce fil, l'aiguille dévie.
L'intensité du courant qui circule dans le fil est notée I, en ampère, symbole A.
Une aiguille aimantée placée sous le fil tourne quand le courant passe.
Avant que le courant circule, l'aiguille pointe vers le nord géographique, comme une boussole.
Dès que le courant passe dans le fil, l'aiguille change de direction.
Voici pourquoi cela arrive : le fil crée son propre champ magnétique autour de lui.
Ce champ créé par le courant se superpose à celui de la Terre.
L'aiguille s'oriente alors selon la direction du champ magnétique résultant, somme des deux champs.
Plus le courant est intense, plus la déviation de l'aiguille est grande.
Si le courant s'arrête, l'aiguille revient à sa position initiale, vers le nord.
Prenons un exemple d'exercice comme au bac.
Un fil rectiligne horizontal est placé juste au-dessus d'une aiguille aimantée, orientée nord-sud.
On fait circuler un courant d'intensité deux ampères dans le fil.
On observe que l'aiguille dévie d'un angle de trente degrés vers l'est.
La question demande ce qui se passe si on double l'intensité du courant.
On sait que l'angle de déviation augmente avec l'intensité du courant.
Si l'intensité passe de deux ampères à quatre ampères, le champ créé par le fil double aussi.
Donc l'angle de déviation de l'aiguille va devenir plus grand que trente degrés.
Si on inverse le sens du courant dans le fil, l'aiguille dévie dans l'autre sens.
Le sens de la déviation dépend donc directement du sens du courant.
Retenons les points essentiels de cette interaction.
Un courant électrique crée un champ magnétique autour du fil qui le porte.
Ce champ agit sur un aimant proche, comme une aiguille aimantée, et la fait dévier.
Qu'observe-t-on sur une aiguille aimantée placée près d'un fil parcouru par un courant ?
4. Interaction courant-courant
Passons à l'interaction courant-courant.
L'interaction courant-courant, c'est-à-dire la force que deux fils parcourus par un courant exercent l'un sur l'autre.
Chaque fil crée son propre champ magnétique, qui agit alors sur l'autre fil.
Prenons deux fils parallèles, proches l'un de l'autre, parcourus chacun par un courant.
Voici le premier fil, parcouru par un courant d'intensité I1.
Et voici le second fil, parcouru par un courant d'intensité I2.
La règle est simple : si les deux courants vont dans le même sens, les fils s'attirent.
Si les deux courants vont dans des sens opposés, les fils se repoussent.
Voici pourquoi cela se produit : le champ créé par un fil agit sur le courant de l'autre.
Cette action réciproque donne naissance à deux forces, l'une sur chaque fil.
Ces deux forces sont toujours égales en intensité, mais de sens opposés.
Plus les fils sont proches, plus la force entre eux est grande.
Plus l'intensité du courant est grande dans chaque fil, plus la force est grande aussi.
Prenons un exemple d'exercice typique du bac.
Deux fils parallèles et rectilignes sont séparés par une distance de deux centimètres.
Le premier fil est parcouru par un courant d'intensité trois ampères.
Le second fil est parcouru par un courant d'intensité trois ampères aussi, dans le même sens.
La question demande de prévoir si les deux fils s'attirent ou se repoussent.
On applique la règle vue juste avant : courants de même sens.
Courants de même sens, donc les deux fils s'attirent l'un vers l'autre.
On représente cette attraction par deux flèches qui pointent l'une vers l'autre.
Maintenant, on augmente l'intensité du second courant à six ampères, toujours même sens.
Les courants restent dans le même sens, donc les fils s'attirent toujours.
Mais comme l'intensité a augmenté, la force d'attraction devient plus grande qu'avant.
Retenons l'essentiel de cette interaction courant-courant.
Des courants de même sens attirent les fils, des courants opposés les repoussent.
La force augmente avec l'intensité des courants et diminue avec la distance entre les fils.
Deux fils parallèles ont des courants de sens opposés : s'attirent-ils ou se repoussent-ils ?
5. Le champ magnétique terrestre
Passons au champ magnétique terrestre.
Le champ magnétique terrestre, c'est-à-dire le champ magnétique créé naturellement par la Terre elle-même.
On le note souvent B horizontal, ou simplement B terrestre.
Ce champ ressemble à celui d'un immense aimant droit, caché au centre de la Terre.
Ses lignes de champ sortent près du pôle sud géographique et rentrent près du pôle nord.
C'est ce champ qui oriente l'aiguille d'une boussole vers le nord.
Une boussole s'aligne avec la direction du champ magnétique terrestre, en tout point de la Terre.
Voici pourquoi ce champ existe : il est dû aux mouvements de métal en fusion au cœur de la Terre.
Son intensité est faible, de l'ordre de quelques dizaines de micro-tesla seulement.
Prenons un exemple comme au bac sur ce champ terrestre.
Une aiguille aimantée, libre de tourner, est posée loin de tout autre aimant ou fil.
On observe que l'aiguille s'immobilise et pointe toujours vers le nord géographique.
La question demande d'expliquer pourquoi l'aiguille prend toujours cette direction précise.
On sait que l'aiguille s'oriente selon le champ magnétique qu'elle ressent à cet endroit.
Ici, aucun autre champ ne vient s'ajouter, donc seul le champ terrestre agit sur elle.
L'aiguille s'aligne donc naturellement avec la direction du champ magnétique terrestre.
Si on approche un aimant puissant de l'aiguille, elle va dévier de cette direction nord.
Cela montre que le champ le plus fort, près de l'aiguille, impose sa direction.
Retenons l'essentiel sur le champ magnétique terrestre.
La Terre crée son propre champ magnétique, qui oriente naturellement les boussoles.
Ce champ est faible, mais toujours présent, partout autour de nous.
Vers quelle direction pointe une aiguille aimantée loin de tout aimant et de tout courant ?
6. La lévitation magnétique
Terminons par la lévitation magnétique.
La lévitation magnétique, c'est-à-dire le fait de faire flotter un objet dans l'air, sans aucun support, grâce à des forces magnétiques.
On utilise pour cela la force de répulsion entre deux aimants.
Un aimant fixe est posé en bas, un autre aimant flotte au-dessus de lui.
L'aimant du bas présente son pôle nord vers le haut, face à l'aimant flottant.
L'aimant du haut présente son pôle sud vers le bas, donc même nom face à face.
Ces deux pôles de même nom se repoussent fortement, et cette force pousse l'aimant du haut vers le haut.
Voici pourquoi l'aimant reste en l'air sans tomber : cette force de répulsion équilibre exactement son poids.
Quand la force de répulsion et le poids sont égaux, l'aimant reste immobile, en lévitation.
Prenons un exemple comme au bac sur ce phénomène.
Un petit aimant de masse dix grammes flotte au-dessus d'un aimant fixe, en équilibre.
Son poids a une intensité de zéro virgule un newton environ.
La question demande quelle est l'intensité de la force magnétique qui le maintient en l'air.
On sait qu'à l'équilibre, la force magnétique compense exactement le poids de l'aimant.
Donc la force magnétique vaut aussi zéro virgule un newton.
Si on ajoute une petite masse sur l'aimant flottant, son poids augmente.
La force magnétique ne suffit plus alors à compenser ce nouveau poids plus grand.
L'aimant descend donc, et se rapproche de l'aimant fixe situé en dessous.
Retenons l'essentiel sur la lévitation magnétique.
La répulsion entre deux aimants peut équilibrer exactement le poids d'un objet.
Cet équilibre entre force magnétique et poids permet à l'objet de léviter.
À l'équilibre, comment se compare l'intensité de la force magnétique à celle du poids ?
Voilà, on a fait tout le tour du chapitre interaction magnétique.
Des aimants entre eux, jusqu'aux fils parcourus par un courant, et la lévitation.
Retiens bien les règles d'attraction et de répulsion, elles reviennent partout dans ce chapitre.