Le champ magnétique créé par un courant électrique: Introduction
La relation entre l’électricité et le magnétisme est une pierre angulaire de la physique moderne. C’est le physicien danois Hans Christian Oersted qui, en 1820, a découvert qu’un courant électrique en mouvement est capable de générer un champ magnétique dans l’espace qui l’entoure. Cette découverte a ouvert la voie à l’électromagnétisme. Ce cours, destiné aux élèves de 1ère Bac, explore les caractéristiques du champ magnétique créé par différents types de conducteurs électriques : le fil rectiligne, la bobine plate et le solénoïde.
I. Mise en évidence : L’expérience d’Oersted
L’expérience historique d’Oersted est fondamentale pour comprendre le lien entre courant et magnétisme.
Manipulation : On place une aiguille aimantée (boussole) à proximité d’un fil conducteur rectiligne, initialement sans courant. L’aiguille s’oriente naturellement selon le champ magnétique terrestre (Nord-Sud). On ferme ensuite un interrupteur pour faire circuler un courant continu dans le fil.
Observation :
- Dès que le courant passe, l’aiguille aimantée dévie et tend à s’orienter perpendiculairement au fil conducteur.
- Si l’on coupe le courant, l’aiguille reprend sa position initiale.
- Si l’on inverse le sens du courant, l’aiguille dévie dans le sens opposé (une rotation de 180°).
Conclusion : Un conducteur parcouru par un courant électrique crée un champ magnétique. Le sens de ce champ dépend directement du sens du courant.
II. Spectre et sens du champ magnétique
1. Spectre magnétique
Le spectre magnétique est l’ensemble des lignes de champ qui matérialisent la forme du champ magnétique dans l’espace. On peut le visualiser en saupoudrant de la limaille de fer sur un plan perpendiculaire au conducteur : les grains de limaille s’orientent et dessinent les lignes de champ.
Le vecteur champ magnétique, noté B, est en tout point tangent à la ligne de champ qui passe par ce point.
2. Règles pour déterminer le sens du champ magnétique
Pour déterminer le sens du vecteur B, on utilise plusieurs règles d’orientation.
a) Règle de la main droite
- Pour un fil rectiligne : On oriente le pouce de la main droite dans le sens du courant (I). Les autres doigts, en s’enroulant autour du fil, indiquent le sens du champ magnétique B.
- Pour une bobine ou un solénoïde : On enroule les doigts de la main droite dans le sens du courant qui parcourt les spires. Le pouce indique alors le sens du champ magnétique B à l’intérieur de la bobine et désigne la face Nord.
b) Règle du bonhomme d’Ampère
Un observateur imaginaire (“bonhomme d’Ampère”) est couché sur le conducteur de telle sorte que le courant entre par ses pieds et sorte par sa tête. S’il regarde un point M de l’espace, son bras gauche tendu indique le sens du vecteur champ magnétique B en ce point M.
c) Règle du tire-bouchon
Lorsqu’un tire-bouchon progresse dans le sens du courant, le sens de sa rotation donne le sens des lignes de champ.
III. Champ magnétique créé par un fil rectiligne
Un fil conducteur de longueur considérée comme infinie, parcouru par un courant d’intensité I, génère un champ magnétique dont les caractéristiques sont les suivantes :
- Spectre : Les lignes de champ sont des cercles concentriques centrés sur le fil et situés dans un plan qui lui est perpendiculaire.
- Caractéristiques du vecteur B en un point M :
- Direction : Tangente au cercle (ligne de champ) passant par M.
- Sens : Donné par l’une des règles d’orientation.
- Intensité : B = (μ0 × I) / (2π × d)
En pratique, on utilise souvent la relation simplifiée : B = 2 × 10⁻⁷ × (I / d)
IV. Champ magnétique créé par une bobine plate
Une bobine plate est un enroulement de N spires de fil conducteur dont l’épaisseur est très faible devant son rayon.
- Spectre : Au centre de la bobine, les lignes de champ sont des droites perpendiculaires au plan de la bobine. En s’éloignant du centre, elles s’incurvent.
- Faces Nord et Sud : Une bobine parcourue par un courant se comporte comme un aimant plat. Elle possède une face Nord et une face Sud.
- Intensité du champ au centre : B = (μ0 × N × I) / (2R)
V. Champ magnétique créé par un solénoïde
Un solénoïde est une bobine longue (L > 10R).
- Spectre : À l’intérieur, le champ est uniforme (lignes parallèles). À l’extérieur, il est presque nul.
- Faces Nord et Sud : Déterminées par la règle de la main droite.
- Intensité du champ à l’intérieur : B = μ0 × n × I (avec n = N/L)
VI. Tableau récapitulatif des formules
| Conducteur | Caractéristiques principales | Formule de l’intensité (B) |
|---|---|---|
| Fil rectiligne infini | Lignes de champ circulaires. Le champ diminue avec la distance d. | B = (μ0 × I) / (2π × d) |
| Bobine plate | Champ maximal au centre, perpendiculaire au plan. | B = (μ0 × N × I) / (2R) |
| Solénoïde | Champ uniforme et parallèle à l’axe à l’intérieur. | B = μ0 × n × I |
Liens utiles
Pour vous entraîner sur ce cours, consultez notre : Série d’exercices sur le champ magnétique créé par un courant – 1ère Bac.
Pour la suite du programme, découvrez : Le cours sur la force de Laplace.
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