Magnétisme et électromagnétisme

Un aimant en mouvement peut produire un courant ; un courant peut provoquer un mouvement. Chaque moteur, générateur, centrale électrique et haut-parleur relève de ce chapitre. Cette référence couvre AQA GCSE Physique 8463, sujet 4.7 Magnétisme et électromagnétisme.

Comment ce sujet est abordé à l'examen :

• Le papier 2 porte ce sujet. $F = BIl$ et les deux équations du transformateur figurent sur la feuille jointe.
• La règle de la main gauche de Fleming, les moteurs, les haut-parleurs, l'effet générateur, les alternateurs/dynamos, les microphones et les transformateurs sont uniquement HT ; tout à partir de 4.7.3 est aussi uniquement physique.
• Vous devez tracer des schémas de lignes de champ : aimant droit, fil droit, solénoïde.

• Pôles : où la force magnétique est la plus forte.

Les pôles identiques se repoussent ; les pôles opposés s'attirent — une force d'action à distance.

• Un aimant permanent produit son propre champ. Un aimant induit ne devient un aimant que lorsqu'il est dans un champ — et l'aimantation induite toujours attire (elle perd son aimantation lorsqu'on la retire).
• Le champ magnétique est la région où une force agit sur un autre aimant ou sur un matériau magnétique (fer, acier, cobalt, nickel). Un aimant toujours attire le matériau magnétique.
• Le champ est le plus fort aux pôles ; direction = la force exercée sur un pôle nord à cet endroit. Les lignes de champ vont du nord → sud.
• Une boussole est un petit aimant droit ; elle s'aligne selon le champ terrestre — preuve que la Terre possède un champ magnétique (son noyau se comporte comme un grand aimant).

Tracer un champ : placer une petite boussole d'exploration près de l'aimant, marquer les extrémités de l'aiguille, déplacer la boussole pour que sa queue soit sur la dernière marque, répéter et relier les points. Des limailles de fer montrent tout le motif instantanément.

Un fil parcouru par un courant a un champ magnétique autour de lui (cercles concentriques ; prise en main droite — pouce dans le sens du courant, doigts s'enroulant dans le sens du champ). Le champ est plus fort avec plus de courant et faible loin du fil.

En courbant le fil en un solénoïde :

• Les champs des boucles s'additionnent — le champ intérieur est fort et uniforme ;
• à l'extérieur, la forme correspond à celle d'un aimant en U ;
• ajouter une âme de fer augmente encore la force — c'est un électroaimant.

Un électroaimant peut être allumé et éteint, et sa force modifiée par le courant : c'est pourquoi il est supérieur aux aimants permanents dans les dépôts de ferraille et les relais.

Un conducteur parcouru par un courant dans un champ magnétique subit une force (l'effet moteur — le champ, l'aimant et le conducteur s'agissent mutuellement).

Règle des trois doigts de Fleming : pouce = force, premier doigt = champ (N→S), deuxième doigt = courant — les trois perpendiculaires entre eux.

• $F$ force en newtons, N ; $B$ densité de flux magnétique en tesla, T ; $I$ courant en ampères, A ; $l$ longueur du conducteur dans le champ, en mètres, m.
• Force plus grande avec : champ plus fort (plus grand $B$), courant plus élevé, conducteur plus long dans le champ. Force maximale lorsque le conducteur est à angle droit par rapport au champ.

Moteur électrique : un bobinage parcouru par un courant dans un champ tourne car ses deux côtés subissent des forces opposées.

Un collecteur à segments inverse le courant tous les demi-tours pour maintenir la rotation.

Haut-parleur (physique uniquement) : un courant alternatif traversant un bobinage dans un champ fait vibrer celui-ci d'avant en arrière ; la membrane pousse l'air créant des variations de pression — ondes sonores dont la fréquence correspond au signal.

Si un conducteur se déplace par rapport à un champ magnétique, ou si le champ autour de lui change, une différence de potentiel est induite ; si le circuit est fermé, un courant circule : c'est l'effet générateur.

• Le champ propre du courant induit s'oppose à la variation qui l'a produit.
• Plus grande tension induite avec : mouvement plus rapide, champ plus intense, nombre de spires plus élevé. Direction inversée avec : mouvement inversé ou polarité de champ inversée.

Alternateur (générateur ca) : un bobinage tourne dans un champ — la tension induite inverse de direction à chaque demi-tour, donc le graphique tension-temps est une onde répétitive traversant zéro.

Dynamo (cc) : un collecteur à segments inverse les connexions tous les demi-tours, donc la sortie reste toujours positive (un graphique en bosses, toujours au-dessus de zéro).

Microphone : l'inverse d'un haut-parleur — les variations de pression sonore déplacent un bobinage dans un champ, induisant un courant variable qui reproduit le son.

Un transformateur : bobines primaire et secondaire enroulées sur un noyau de fer (s’aimante facilement ; pas besoin de laminations).

Un courant alternatif dans le primaire crée un champ magnétique variable dans le noyau ; ce champ variable induit une tension alternative dans le secondaire.

• Élévateur : $V_s > V_p$ (plus de spires secondaires). Abaisseur : $V_s < V_p$.
• La seconde équation exprime puissance d'entrée = puissance de sortie ; utilisez-la pour trouver le courant prélevé par l'alimentation d'entrée.

Exemple résolu. Un transformateur possède 345 spires primaires et 6000 spires secondaires ; l'entrée est de 230 V.

Exemple résolu (puissance). Ce transformateur fournit 50 mA à 4000 V.

• Puissance de sortie : $P = V_sI_s = 4000 \times 0.050 = 200$ W.
• Courant d'entrée : $I_p = P/V_p = 200/230 = 0.87$ A.

Le réseau électrique national boucle la boucle : élévation avant transmission (courant plus faible → $P = I^2R$ pertes réduites), abaissement pour les habitations (voir sujet 2.7).

• Énoncez les règles des pôles ; distinguez les aimants permanents des aimants induits.
• Tracez les schémas de champ d'un aimant droit, d'un fil droit et d'un solénoïde avec leurs directions ; expliquez le lien boussole/Terre.
• (Niveau avancé) Utiliser la règle des trois doigts gauches de Fleming et $F = BIl$ ; expliquer le moteur et le collecteur.
• (physique uniquement, HT) Énoncez les conditions de l'effet générateur et le champ induit opposé ; distinguez les graphiques alternateur/dynamo ; expliquez le microphone.
• (physique uniquement, HT) Utilisez les deux équations du transformateur ; expliquez l'induction entre bobines et l'avantage du réseau électrique.