Introduction
L’électromagnétisme est la branche de la physique qui étudie les interactions entre l’électricité et le magnétisme. En 1820, le physicien Hans Christian Oersted a découvert qu’un courant électrique pouvait faire dévier l’aiguille d’une boussole, prouvant ainsi qu’un courant génère un champ magnétique. Inversement, lorsqu’un conducteur parcouru par un courant est placé dans un champ magnétique, il subit une force. Cette force, appelée force de Laplace, est fondamentale pour comprendre le fonctionnement de nombreux appareils de notre quotidien. Ce cours pour les élèves de 1ère Bac Sciences (Biof/PC) explore la mise en évidence de cette force, ses caractéristiques détaillées et ses applications concrètes comme les moteurs électriques et les haut-parleurs.
I. Mise en évidence de la force de Laplace
1. Expérience de la tige mobile
Le dispositif consiste à suspendre une tige de cuivre conductrice, libre de se balancer, de manière à ce que sa partie inférieure plonge dans une cuve de mercure (pour assurer le contact électrique) et se trouve dans l’entrefer d’un aimant en U, qui crée un champ magnétique uniforme. La tige est intégrée dans un circuit électrique comprenant un générateur, un interrupteur et un ampèremètre.
Observations :
- Interrupteur ouvert : Aucun courant ne circule (I=0), la tige reste immobile.
- Interrupteur fermé : Un courant parcourt la tige. On observe que la tige s’écarte de sa position verticale. Elle est donc soumise à une force.
- Inversion du sens du courant : La tige se déplace dans le sens opposé.
- Augmentation de l’intensité du courant : La déviation de la tige est plus importante.
Conclusion : Un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique est soumis à une force, appelée force électromagnétique ou force de Laplace.
2. Expérience des rails de Laplace
Une autre expérience classique est celle des “rails de Laplace”. Elle consiste à placer une tige conductrice mobile sur deux rails conducteurs parallèles dans un champ magnétique uniforme. Lorsque le circuit est fermé, la force de Laplace met la tige en mouvement.
II. Caractéristiques de la force de Laplace
La force de Laplace, notée F, exercée sur une portion rectiligne de conducteur de longueur L, parcourue par un courant d’intensité I et placée dans un champ magnétique uniforme B, est définie par les quatre caractéristiques suivantes :
1. Point d’application
La force s’applique au milieu de la portion du conducteur qui est immergée dans le champ magnétique.
2. Direction (ou ligne d’action)
La direction de la force de Laplace est toujours perpendiculaire au plan formé par le conducteur et le vecteur champ magnétique B.
3. Sens
Le sens de la force est déterminé par la règle des trois doigts de la main droite :
- Le pouce indique le sens de la force (F).
- L’index indique le sens du champ magnétique (B).
- Le majeur indique le sens du courant (I).
4. Intensité (ou norme)
L’intensité de la force de Laplace est donnée par la formule :
F = I × L × B × sin(α)
- F : intensité de la force en Newtons (N).
- I : intensité du courant en Ampères (A).
- L : longueur de la portion du conducteur dans le champ (m).
- B : intensité du champ magnétique en Teslas (T).
- α : angle entre le conducteur et le vecteur champ magnétique.
Cas particulier : Si le conducteur est perpendiculaire au champ magnétique (α = 90°), F_max = I × L × B.
III. Applications de la force de Laplace
1. Le moteur électrique à courant continu
Un moteur électrique transforme l’énergie électrique en énergie mécanique de rotation. Les côtés d’une bobine (rotor) placés dans le champ magnétique du stator subissent des forces de Laplace de sens opposés, créant un couple de forces qui fait tourner le rotor.
2. Le haut-parleur électrodynamique
Un haut-parleur transforme un signal électrique en ondes sonores. Le signal audio (courant alternatif) traverse une bobine mobile placée dans le champ magnétique d’un aimant. La force de Laplace, qui varie au même rythme que le courant, fait vibrer la bobine et la membrane qui lui est attachée, créant ainsi le son.
IV. Tableau récapitulatif des caractéristiques
| Caractéristique | Description |
|---|---|
| Point d’application | Le milieu de la partie du conducteur placée dans le champ magnétique. |
| Direction | Perpendiculaire au plan formé par le conducteur et le champ magnétique. |
| Sens | Donné par la règle des trois doigts de la main droite. |
| Intensité | F = I × L × B × sin(α) |
Liens utiles
Pour vous entraîner sur ce cours, consultez notre : Série d’exercices sur la force de Laplace – 1ère Bac.
Pour revoir le cours précédent, consultez : Le champ magnétique créé par un courant.
Découvrez tous nos cours et ressources pour la 1ère Année Baccalauréat.
