Travaux dirigés en electricite magnetisme
P r é s e n t a t i o n
Tous les exercices de magnétisme qui seront abordés en Travaux Dirigés cette année sont regroupés dans ce fascicule.
Ces exercices sont regroupés par thème. Chacun des thèmes est introduit par un personnage historique, dont les travaux ont contribué à l'avancement du thème considéré. Puis, les objectifs du thème sont énoncés.
On trouve ensuite un questionnaire, type QCM, comportant des questions de cours : il est nécessaire de le faire seul, chez soi, et avant de venir en TD. C'est un travail préparatoire, qui permet de s'assurer que les notions de base requises pour la résolution des exercices sont bien comprises. L'étudiant pourra alors s'évaluer selon le barème ci-dessous.
Chaque question est notée de 0 à 2 points :
Le niveau d’acquisition des connaissances est évalué en fonction du nombre de total de points
recueillis pour l'ensemble des questions : | |||
Total (par exemple, avec 5 questions, donc un maximum de 10 points) | |||
Connaissances acquises | Supérieur à 7 | ☺ | |
Connaissances en voie d’acquisition | De 4 à 7 | [1] | |
Connaissances non acquises | Inférieur à 4 | |
Il est demandé aux étudiants de préparer la séance de travaux dirigés, en cherchant les différents exercices du thème, en particulier ceux à faire avant le TD. Tous les exercices du thème ne seront pas traités en TD. Bien évidemment, les mêmes exercices seront traités dans tous les groupes.
Tout exercice préparé à l'avance pourra être rendu à l'enseignant, qui le corrigera, et le rendra la semaine suivante. De même, pour les exercices non traités en TD : aucune correction ne sera distribuée. Il est donc très vivement conseillé de faire ces exercices et de les rendre à l'enseignant de TD, à titre d'entraînement.
L'équipe enseignante
Thème 1 :
Courant, symétrie et orientation du champ magnétique
Hans Christian Ørsted (1777- 1851)
Physicien et chimiste danois. Il est à l'origine de la découverte de l'interaction entre électricité et magnétisme. En avril 1820, lors d'un cours sur l'électricité qu'il faisait à ses étudiants, il démontra qu'un fil transportant du courant était capable de faire bouger l'aiguille aimantée d'une boussole..
Il découvrit ainsi l'interaction entre les forces électriques et les forces magnétiques dans une expérience qui nous apparaît aujourd'hui comme très simple.
Expérience d'Oersted: lorsque qu'un courant traverse un fil situé à proximité d'une boussole, l'aiguille aimantée est déviée d'un angle lié à l'intensité du courant.
Questionnaire :
en un point M quelconque de coordonnées cartésiennes (x, y, z) , le champ
magnétique est de la forme B(M ) = Bxex + Byey .
en un point M quelconque de coordonnées cartésiennes (x, y, z) , le champ magnétique est de la forme B(M ) = Bzez.
La composante Bz (x, y, z) du champ magnétique en un point M quelconque est telle que
Bz(x, y, z)= Bz(x, y,− z).
La composante Bz (x, y, z) du champ magnétique en un point M quelconque est telle que
Bz(x, y, z)= −Bz(x, y,− z).
La composante Bx (x, y, z) du champ magnétique en un point M quelconque est telle que
Bx(x, y, z)= Bx(x, y,− z).
La composante Bx (x, y, z) du champ magnétique en un point M quelconque est telle que
Bx(x, y, z)= −Bx(x, y,− z).
en un point M quelconque du plan (Oxy), le champ magnétique est de la forme
B(M )= Bx e x + By e y .
en un point M quelconque du plan (Oxy), le champ magnétique est de la forme
B(M )= Bz e z .
Aucune réponse n’est correcte.
en un point M quelconque de coordonnées cartésiennes (x, y, z) , le champ
magnétique est de la forme B(M ) = Bxex + Byey .
en un point M quelconque de coordonnées cartésiennes (x, y, z) , le champ magnétique est de la forme B(M ) = Bzez.
La composante Bz (x, y, z) du champ magnétique en un point M quelconque est telle que
Bz(x, y, z)= Bz(x, y,− z).
La composante Bz (x, y, z) du champ magnétique en un point M quelconque est telle que
Bz(x, y, z)= −Bz(x, y,− z).
La composante Bx (x, y, z) du champ magnétique en un point M quelconque est telle que
Bx(x, y, z)= Bx(x, y,− z).
La composante Bx (x, y, z) du champ magnétique en un point M quelconque est telle que
Bx(x, y, z)= −Bx(x, y,− z).
en un point M quelconque du plan (Oxy), le champ magnétique est de la forme
B(M )= Bx e x + By e y .
en un point M quelconque du plan (Oxy), le champ magnétique est de la forme
B(M )= Bz e z .
Aucune réponse n’est correcte.
Exercice 1 : Résistance d’un fil cylindrique.
Un fil cylindrique homogène d’axe Ox, de section droite S, de longueur L et de conductivité σ, est soumis à la différence de potentiel (V1-V2). Le vecteur densité de courant J est dirigé vers les x positifs et constant en grandeur et direction.
Dans les mêmes conditions, on étudie maintenant un fil cylindrique inhomogène de rayon a dont la conductivité varie en fonction de ρ (distance à l’axe du fil) selon la loi :σ(ρ) = α × ρ2 où α est une constante positive.
Exercice 2 : Application des règles d’orientation du champ magnétostatique.
A partir des différents procédés techniques énoncés en cours (règles des trois doigts, du tire bouchon, du bonhomme d’Ampère et de la main droite), déterminer selon le cas l’orientation du champ magnétostatique total au point M ou du courant I pour le conducteur.
Exercice 3 : Fil de longueur finie.
On considère une distribution constituée par un fil rectiligne de longueur finie parcouru par un courant d’intensité I en coordonnées cylindriques.
Exercice 4 : Ruban (A faire après le TD).
On considère une distribution constituée d’un ruban conducteur plan de largeur l et de longueur infinie parcouru par un courant d’intensité I (vers les y > 0) en coordonnées cartésiennes.
Fig. 2
Exercice 5 : Spire (A faire après le TD).
On considère une distribution constituée par une spire de rayon R parcouru par un courant d’intensité I en coordonnées cylindriques.
Fig. 3
Thème 2 :
Champ magnétique d’une distribution de courant :
Calcul direct avec la loi de Biot et Savart
Jean-Baptiste BIOT (1774-1862)
Physiciens français. Avec Félix SAVART, il détermine en 1820, la valeur du champ magnétique engendré par un courant électrique et donne la loi qui régit le phénomène (loi de Biot et Savart).
Objectifs :
Lentille magnétique
Ce type de lentilles est utilisé dans un microscope électronique en transmission et sert à focaliser un faisceau d’électrons de grande énergie (plusieurs centaines de keV).
Questionnaire :
1. Le champ magnétique dB ( M ) créé au point M par un élément de courant I ⋅ dl situé au point
un vecteur parallèle à PM .
un vecteur perpendiculaire à PM .
un vecteur parallèle à I ⋅ dl .
un vecteur perpendiculaire à I ⋅ dl .
un vecteur tel que I ⋅ dl | forment un trièdre direct. |
uuuur | r ur |
un vecteur tel que { PM ; I ⋅ dl ;dB} forment un trièdre direct.
un vecteur dont la norme est proportionnelle à 1 | PM | . | ||||||
2 | ||||||||
un vecteur dont la norme est proportionnelle à 1 | PM | |||||||
. | ||||||||
un vecteur dont la norme est proportionnelle à 1 | PM | 3 | ||||||
. | ||||||||
un vecteur dont la norme est proportionnelle à I .
un vecteur dont la norme est proportionnelle à 1 I .
un vecteur dont la norme est proportionnelle à la perméabilité magnétique µ0 .
[µ0 ] = 1 (quantité sans dimension).
[µ 0]= I 2T −2 M −1 L .
[µ 0]= I 2T 2 M −1 L−1.
[µ 0]= I −2T −2 ML .
Aucune réponse n’est correcte.
3. On place un élément de courant I ⋅ dl1 au point P et un élément de courant I | 2 | ⋅ dl 2 | au point P . | ||||
1 | 1 | 2 | |||||
On se place dans le cas où I1 ⋅ dl1 et I2 ⋅ dl 2 | sont perpendiculaires au vecteur P1P2 . Le champ | ||||||
magnétique dB ( M ) | au point M , milieu du segment [P1P2 ] , est : | ||||||
parallèle à | P1 P2, dans tous les cas. | ||||||
dirigé dans une direction perpendiculaire à P1P2 | si I1 ⋅ dl 1 | = I 2⋅dl2. | |||||
dirigé dans une direction perpendiculaire à P1P2 | si I1 ⋅ dl 1 | =− I 2⋅dl 2. | |||||
nul si I1 ⋅ dl 1 = − I2 ⋅ dl 2 . |
nul si I1 ⋅ dl 1 = I2 ⋅ dl2 .
kg.s-2A-1
kg-1.s2A
kg-1.s-2A
Aucune réponse n’est correcte.
Exercice 1 : Application de la loi de Biot et Savart (A faire avant le TD).
L’espace est rapporté à un référentiel orthonormé direct (O, x, y, z). Nous travaillons dans la base B = (ex, ey, ez). On considère l'élément de courant Idl (0, 0, Idl) placé au point S (0, 0, 0). Calculer dB(M) au pointM(0,a, 0) en utilisant la loi de Biot et Savart sachant queaetIsont constants.
Exercice 2 : Spire circulaire.
Soit une spire circulaire, centrée au point O d'un repère (O, ex, ey, ez), d'axe Oz, de rayon R, et parcourue par un courant d'intensité I. On désire calculer le champ magnétostatique créé en un point M (0, 0, z) de l'axe de la spire.
Fig. 1
Exercice 3 : Champ magnétostatique sur l’axe d’un solénoïde.
Un solénoïde est un enroulement serré de fils fins parcourus par un courant sur une surface cylindrique d’axe Oz, de centre O, de rayon a et de longueur L, correspondant à l’association de N spires (voir Fig. 2). Il comporte donc n spires par unité de longueur. Il est parcouru par un courant d’intensité I.
Exercice 4 : Champ magnétostatique d’un circuit carré (A faire après le TD).
On connaît le champ magnétostatique créé par un segment de longueur 2h parcouru par un courant I en un point M situé à la distance ρ.
Par des considérations de symétries, déterminer l’orientation du vecteur champ magnétostatique total au point M.
Fig. 4
Thème 3 :
Champ magnétique d’une distribution de courant :
Calcul direct avec le théorème d’Ampère
André-Marie AMPERE (1775-1836)
Physicien français, développe la théorie de l'électromagnétisme.
Il imagine le galvanomètre et invente l'électro-aimant.
Il invente le nom solénoïde pour désigner la bobine rectiligne (étymologiquement "en forme de tuyau").
Objectifs :
Stockage de l’information par enregistrement magnétique
Une tête de lecture détecte les variations de champ magnétiques entre deux « bits » d’information successifs. Les têtes de lecture les plus récentes utilisent l’effet GMR (magnétorésistance géante) qui a value le prix Nobel de physique 2007 à A. Fert.
Questionnaire :
une surface d’Ampère fermée dont la normale n est orienté vers l’intérieur de cette surface.
un contour d’Ampère fermé n’enlaçant aucun courant et tel que le produit scalaire B ⋅ dl soit nul en chaque point de ce contour.
un contour d’Ampère fermé tel que le produit scalaire B ⋅ dlsoit uniforme (au moins par morceaux) sur ce contour.
Aucune réponse n’est correcte.
∫ B⋅dl=Ienlacé
( C )
∫ B⋅dl=Ienlacé µ0
( C )
∫ B⋅dl=µ0 Ienlacé
( C )
∫∫ B⋅ndS=Ienlacé µ0
( S )
∫∫ B⋅ndS=Ienlacé
( S )
∫∫ B⋅ndS=µ0 Ienlacé
( S )
∫∫∫ | ur | ||||
B | dV=µ0 Ienlacé | ||||
V | |||||
( ) | |||||
∫∫∫ | ur | ||||
B | dV=Ienlacé | ||||
V | |||||
( ) | |||||
∫∫∫ | ur | ||||
B | dV=Ienlacé µ0 | ||||
( ) | |||||
V | |||||
Exercice 1 : Application du théorème d’ampère (A faire avant le TD).
I | I2 | I1 | I | I |
Auto-évaluation
Exercice 2 : Fil de longueur infinie.
Déterminer le champ magnétostatique créé à la distance ρ d’un fil rectiligne infini parcouru par un courant d’intensité I.
Exercice 3 : Solénoïde de longueur infinie.
On considère un solénoïde mince d’axe z’Oz supposé de longueur infinie comportant n spires par unité de longueur et parcouru par un courant d’intensité I.
Fig. 1
A partir notamment de la connaissance du champ magnétostatique sur l’axe, démontrer que :
Thème 4:
Force magnétique et force de Laplace
Pierre-Simon de Laplace (1749-1827)
Mathématicien, astronome et physicien français.
Laplace est l’un des principaux scientifiques de la période napoléonienne .Il a apporté des contributions fondamentales dans différents champs des mathématiques, de l’astronomie et de la théorie des probabilités, notamment en contribuant de façon décisive à l'émergence de l’astronomie mathématique. Il reprend et étend le travail de ses prédécesseurs dans son traité intitulé Mécanique
Balance électromagnétique utilisant la force de Laplace: un conducteur parcouru par un courant dans un champ magnétique subit une force électromagnétique qui compense la force de pesanteur.
Exercice 1 : Effet Hall : principe d’une pince ampèremètrique.
Un semi conducteur parallélépipédique (ayant n électrons de conduction par m3) est utilisé comme sonde à effet Hall à l’intérieur d’une pince ampèremètrique. Une source de courant, intégrée dans la pince, alimente la sonde avec une densité de courant J. La pince entoure un fil parcourut par un courant I qui crée dans la pince un champ homogène B perpendiculaire à J.
b. En déduire la tension de Hall VH mesurée à l’aide de la pince sachant que n = 1015cm-3, J = 50 x 103Am-2et l = 2mm.
Exercice 2 : Principe du canon magnétique.
Deux rails rectilignes, conducteurs, parallèles et distants de l sont disposés dans un plan horizontal. Une barre rigide MN, conductrice de résistance R, assujettie à rester perpendiculaire aux deux rails, peut se déplacer sans frottement sur ces derniers. Entre les extrémités A et A’ des deux rails, on dispose un générateur de force électromotrice E. L’ensemble est plongé dans un champ magnétique B extérieur uniforme et vertical.
A l’instant t = 0, la barre MN est à l’origine de repère (Oxyz) et sa vitesse est nulle.
A t = 0, il apparaît un courant I dans le circuit. Exprimez I en fonction de E et R.
Exercice 3 : (A faire après le TD).
Les vecteurs seront explicités dans la B.O.N.D. cartésienne (ex, ey, ez). Un circuit rectangulaire
r
indéformable D1 = MNPQ avec MN = PQ = 2b (côtés parallèles à ez ) et NP = QM = 2a (côtés parallèles à ex est parcouru par un courant d’intensité I1. On place, dans son plan et parallèlement à MN, un fil rectiligneD2de longueur infinie parcouru par un courant d’intensité I2constante. Lecentre de symétrie de D1 est à la distance x0 > a de D2.
Thème 5:
Phénomènes d’induction
Michael Faraday (1749-1827)
Physicien et chimiste britannique, surtout connu pour ses découvertes de l'induction électromagnétique et des lois de l'électrolyse.
C'est dans le domaine de la chimie que Faraday fait ses toutes premières recherches. Il découvre le benzène et réalise des analyses approfondies sur de nombreuses variétés de verre optique. Dans une série d'expériences, il réussit à liquéfier de nombreux gaz courants.
Les recherches menées par Faraday concernent surtout les domaines de l'électricité et du magnétisme. Il constate qu'un aimant agit sur un conducteur parcouru par un courant. Il utilise ce phénomène pour faire tourner un circuit en présence d'un aimant, donnant ainsi le principe du moteur électrique. En 1831, il découvre l'induction électromagnétique qui permet de transformer le travail (énergie mécanique) en courant (énergie électrique), phénomène à la base du développement de la dynamo.
Il étudie également les phénomènes d'électrolyse et met en évidence entre autres la relation existant entre la quantité d'électricité passant à travers l'électrolyte et la masse du produit décomposé. Il étudie ensuite les phénomènes électrostatiques, vérifie expérimentalement la conservation de l'électricité, développe une théorie de l'électrisation par influence, et démontre avec la cage de Faraday que les actions électrostatiques ne se font pas sentir à l'intérieur d'un conducteur creux.
Principe du chauffage par induction.
Exercice 1 : Phénomènes d'induction (A faire avant le TD).
A l'aide de la loi de Lenz puis de la loi de Faraday trouvez le sens du courant induit dans les deux cas proposés ci-dessous (l'orientation du contour de la spire vous est imposée):
B(t) | B(t + dt) | r | r |
B(t) | B(t + dt) |
C | C |
Spire de courant rigide | Spire de courant rigide |
Exercice 2 : Circuit fixe dans un champ magnétique non uniforme (A faire avant le TD).
Les vecteurs seront explicités dans la B.O.N.D cartésienne (ex, ey, ez). Soit un circuit rectangulaire filiforme (D) = PQRS avec PQ = RS = 2b (côtés parallèles à ez et QR = SP = 2a (côtés parallèles à ex. On place dans son plan et parallèlement àPQ, un fil rectiligne (D’)de longueur infinie parcourupar un courant d’intensité variable i’(t) ; le centre O du cadre est situé à la distance xo> a de (D’).
Calculer la f.e.m induite ei dans le circuit D en utilisant la loi de Faraday.
Exercice 3 : Principe du frein à induction.
Un barreau conducteur MN, placé perpendiculairement à deux longs rails conducteurs, parallèles et distants de L, peut glisser sans frottements sur ceux-ci. L’ensemble est plongé dans un champ magnétique uniforme et stationnaire B = B0ez (B0> 0), perpendiculaire au plan des rails (voir Fig. 1). Les extrémités O et P des rails sont connectées à un galvanomètre G de résistance R.
On négligera la résistance des rails et du barreau devant R.
A l’instant t = 0, on communique au barreau occupant la position initiale x(0) = 0 une vitesse initiale v(0) = v0ez (v0> 0).
On étudie le mouvement du barreau de masse m après lui avoir communiqué la vitesse v(0) = v0ez.
Exercice 4 : Principe de l'alternateur (A faire après le TD).
Dans la Fig. 2, une spire de cuivre de surface S tourne autour d'un axe dans un champ magnétique B uniforme. Les contactsc1etc2de la spire tournent dans deux bagues isolées l’une de l’autre et quisont connectées à un voltmètre. La vitesse de rotation ω de l'axe est constante et conduit à θ(t) =ω t. A l'instant initial, la spire se trouve dans le plan vertical représenté sur la Fig. 2. La spire estorientée dans le sens de la flèche.
Exercice 5 : Courants de Foucault dans un barreau cylindrique (A faire après le TD).
A l’intérieur d’un solénoïde supposé infini, d’axe z’z, de rayon a comportant n spires jointives par unité de longueur et parcourues par un courant d’intensité i = Im cos ωt, on dispose un barreau cylindrique conducteur, d’axe z’z, de rayon b < a, de longueur l et de conductivité γ . On se place en régime lentement variable. Tous les vecteurs seront explicités dans la base cylindrique (eρ, eϕ, ez).
1.
2.
Thème 6:
Inductances propres et mutuelles et énergie magnétostatique
Joseph Henry (1797-1878)
Physcien américain qui découvrit l'auto-induction et le principe de l'induction électromagnétique des courants induits.
En 1832, il créa l'unité de mesure d'inductance électrique qui fut nommée le henry en son honneur. Henry expérimenta et améliora l'électroaimant, inventé en 1823 par l'Anglais William Sturgeon.. Il fabriqua le premier télégraphe électromagnétique opérationnel en 1831. Henry conçut et construisit également l'un des premiers moteurs électriques…
En 1847, alors qu'il était secrétaire de l'