Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire le champ magnétique créé par un fil conducteur parcouru par un courant électrique.
On dit qu’un courant circule dans un fil s’il existe un flux net de charges dans ce fil. Le dessin ci-dessous représente un long fil droit parcouru par un courant.
Le courant crée un champ magnétique autour du fil. Les lignes de champ, représentées ci-dessous, forment des cercles autour du fil.
Le champ magnétique créé par le courant est présent en tout point autour du fil. Il existe des lignes de champ circulaires qui s’étendent quelle que soit la distance depuis le fil.
Si nous changeons de perspective pour regarder le fil par une des extrémités, le courant se dirige alors directement vers nous comme indiqué ci-dessous. Dans ce type de représentation, nous dirons que le courant se dirige « dans l’écran » ou « hors de l’écran ».
Sur cette figure, le symbole du cercle avec un point au milieu représente le sens du courant qui pointe « hors de l’écran ». La figure représente aussi des lignes de champ magnétique à différentes distances du fil, qui forment des cercles concentriques.
Plus la distance au fil augmente, plus les cercles s’aggrandissent. Cela indique que l’intensité du champ magnétique décroît.
Au lieu d’un courant pointant « hors de l’écran », c’est-à-dire vers nous, on peut également représenter un courant pointant dans le sens opposé, c’est-à-dire « dans l’écran ». On symbolise le sens d’un tel courant par un cercle avec une croix au milieu, comme indiqué ci-dessous.
On notera que sur cette figure les flèches représentant le champ magnétique indiquent le sens des aiguilles d’une montre autour du fil, tandis que sur la figure précédente elles indiquaient le sens inverse des aiguilles d’une montre.
Pour déterminer le sens du champ magnétique autour d’un fil conducteur, on utilise ce qu’on appelle la « règle de la main droite ». Cette règle stipule que si le pouce de la main droite pointe dans le sens du courant circulant dans un fil droit, alors le sens dans lequel les doigts se courbent (par exemple pour saisir quelque chose) correspond au sens du champ magnétique autour de ce fil.
Cette méthode peut s’appliquer aux fils transportant du courant que ce soit « dans l’écran » ou « hors de l’écran », comme représenté ci-dessous.
Dans les deux cas, lorsque le pouce droit pointe dans le sens du courant circulant dans le fil, les doigts se courbent indiquant le sens du champ magnétique créé par ce courant.
Exemple 1: Comprendre le champ magnétique créé par un courant dans un fil conducteur
Laquelle des quatre figures représente correctement les lignes de champ magnétique créées autour d’un fil conducteur ?
Réponse
Pour répondre à cette question, nous utiliserons ce qu’on appelle la « règle de la main droite ». Cette règle dit que le sens du champ magnétique créé par un courant électrique est donné par le sens dans lequel nos doigts se courbent lorsque le pouce de notre main droite pointe dans le même sens que le courant.
Nous pouvons appliquer cette règle aux quatre cas (A), (B), (C) et (D), dans l’ordre.
Dans le cas (A), notre pouce pointe vers l’écran car le courant se dirige dans ce sens. En courbant nos doigts, on voit le sens est celui des aiguilles d’une montre. Le champ magnétique est représenté dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Par conséquent, la figure (A) ne représente pas correctement les lignes de champ magnétique autour du fil.
Dans le cas (B), le courant se dirige vers l’extérieur de l’écran. Lorsque le pouce de notre main droite pointe dans ce sens, nos doigts se courbent dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Le champ magnétique est représenté dans le sens des aiguilles d’une montre. La figure (B) ne représente pas non plus correctement le champ magnétique créé autour du fil.
Dans le cas (C), le courant se dirige vers l’écran et le champ magnétique est représenté dans le sens des aiguilles d’une montre. En vérifiant cela avec la règle de la main droite, nous constatons que nos doigts se courbent bien dans le sens des aiguilles d’une montre lorsque notre pouce droit pointe vers l’écran. La figure (C) est donc correcte !
Dans le cas (D), nous voyons qu’une partie du champ magnétique se dirige dans le sens inverse des aiguilles d’une montre et qu’une autre partie se dirige dans le sens des aiguilles d’une montre. Ceci n’est pas possible de point de vue physique, nous savons donc que la figure (D) n’est pas une représentation correcte du champ magnétique autour d’un fil conducteur.
La bonne réponse est donc la figure (C).
Nous avons remarqué que l’intensité du champ magnétique créé par un fil conducteur diminue au fur et à mesure que la distance par rapport au fil augmente.
Un autre facteur affectant la force du champ est l’intensité du courant qui en est à l’origine. Plus le courant est fort (ou plus l’intensité du courant est grande), plus le champ magnétique sera fort.
Exemple 2: Comprendre les champs magnétiques créés par des courants électriques
Si on considère le champ magnétique créé autour d’un fil conducteur, plus le courant est , plus le champ magnétique est .
- grand, faible
- petit, fort
- grand, fort
Réponse
L’intensité du courant électrique à l’origine d’un champ magnétique et l’intensité du champ magnétique lui-même sont directement proportionnelles.
On peut donc dire que plus le courant est grand, plus le champ est fort, et plus le courant est petit, plus le champ est faible.
Ces deux phrases pourraient correspondre toutes les deux à la réponse attendue mais seulement une des deux est proposée en option. L’option (C) « grand, fort » donnerait la phrase suivante : « Si on considère le champ magnétique créé autour d’un fil conducteur, plus le courant est grand, plus le champ magnétique est fort ». L’option (C) est celle qui permet de compléter correctement la phrase.
Un fil conducteur peut être droit, comme nous l’avons vu jusqu’à présent, mais il peut aussi être enroulé comme dans une bobine, ainsi représentée sur la figure suivante.
Une bobine de la sorte est appelée un solénoïde. Comme un fil de n’importe quelle forme, lorsqu’un solénoïde transporte un courant, il produit un champ magnétique autour de lui.
Il est intéressant de noter que le champ magnétique créé par un solénoïde ressemble beaucoup au champ magnétique créé par une barre aimantée.
Lorsqu’un solénoïde transporte un courant, le champ magnétique créé à l’intérieur des spires est assez fort, tandis que le champ à l’extérieur est relativement faible.
Il est possible de renforcer le champ magnétique à l’intérieur du solénoïde en plaçant dans son noyau un matériau pouvant être magnétisé.
Un matériau magnétisable est un matériau qui, lorsqu’il est placé dans un champ magnétique, se transforme en aimant et crée son propre champ magnétique.
Le fer est un exemple de matériau possédant cette propriété. Si un cylindre de fer est placé à l’intérieur d’un solénoïde, comme représenté ci-dessous, il va s’aimanter sous l’effet du champ créé par le solénoïde et produire ensuite son propre champ magnétique, ce qui augmente le champ du solénoïde.
Exemple 3: Identifier un solénoïde
On a représenté plusieurs objets en cuivre. Lequel est un solénoïde ?
Réponse
Un solénoïde est composé d’un fil conducteur. Un point important est que le fil dans un solénoïde est continu, ce qui signifie que la charge peut circuler d’une extrémité à l’autre.
Le fil, dans un solénoïde, est également enroulé pour créer plusieurs spires parallèles entre elles.
Les figures (A) et (B) représentent des spires indépendantes. Puisque le fil n’est pas continu, ces objets ne sont pas des solénoïdes.
La figure (C) représente des spires accrochées entre elles. Ces spires ne sont pas parallèles les unes aux autres, donc nous ne choisirons pas l’option (C) non plus.
La figure (E) représente un cylindre creux. Comme il n’est pas réalisé à partir d’un seul et même fil, ce n’est pas un solénoïde.
Si on se souvient qu’un solénoïde est constitué d’un fil continu agencé en spires parallèles, on peut éliminer toutes les options à l’exception de la (D).
Exemple 4: Connaître les termes clés associés à l’électromagnétisme
Laquelle des propositions suivantes correspond à la description correcte d’un solénoïde ?
- Un solénoïde se compose uniquement d’un fil droit. Le passage d’un courant électrique dans ce fil crée un champ magnétique autour de lui.
- Un solénoïde est composé d’un fil isolé formant une seule boucle (ou spire). Le passage d’un courant électrique dans ce fil crée un champ magnétique semblable à celui d’une barre aimantée.
- Un solénoïde est composé d’un fil isolé agencé sous forme de bobine. Le passage d’un courant électrique dans ce fil crée un champ magnétique semblable à celui d’une barre aimantée.
Réponse
En analysant ces trois propositions, nous remarquons qu’elles diffèrent principalement sur la forme du fil associé au solénoïde.
Un solénoïde n’est pas un morceau de fil droit, il est composé d’une série de spires formant ce qu’on appelle une bobine. Plus il y a de spires dans la bobine, plus le champ magnétique créé est fort.
Lorsqu’une charge électrique traverse un solénoïde, cela crée un champ très semblable au champ magnétique créé par une barre aimantée.
Cette description correspond à l’option (C).
Exemple 5: Comprendre les solénoïdes
Parmi les propositions suivantes, quelles sont les deux façons d’augmenter la force du champ magnétique créé par un solénoïde ?
- augmenter la largeur du solénoïde
- diminuer la longueur du solénoïde
- augmenter le courant circulant à travers le solénoïde
- diminuer le nombre de spires du solénoïde
- ajouter un noyau de fer au centre du solénoïde
Réponse
On rappelle qu’un solénoïde est composé d’une bobine de fil formant plusieurs spires.
Le champ magnétique créé par le solénoïde correspond à la somme des champs magnétiques créés par chaque spire. Plus le nombre de spires est grand, plus cette somme sera grande et plus le champ total sera fort.
Par conséquent, l’option (D), « Diminuer le nombre de spires du solénoïde » ne peut pas être correcte. Si on diminue le nombre de spires du solénoïde, le champ magnétique total diminue.
De même, l’option (B), « Diminuer la longueur du solénoïde » ne permet pas de renforcer le champ magnétique du solénoïde. Si on diminue la longueur du solénoïde, cela revient à supprimer des spires, ce qui aura pour conséquence, encore une fois, de diminuer le champ total.
Selon l’option (A), augmenter la largeur d’un solénoïde aurait pour effet d’augmenter l’intensité du champ magnétique. Cependant, c’est le nombre de spires, et non leur diamètre, qui affecte l’intensité du champ magnétique dans un solénoïde.
Une méthode permettant d’augmenter l’intensité du champ d’un solénoïde consiste, comme pour tout type de fil, à augmenter l’intensité du courant le traversant. Cela correspond à l’option (C).
Enfin, l’insertion d’un matériau magnétique tel que le fer dans le noyau d’un solénoïde aura pour effet d’augmenter le champ en son centre, et donc d’augmenter l’intensité de ce champ.
Les options (C) et (E) sont deux façons d’augmenter l’intensité du champ magnétique d’un solénoïde.
Points clés
- Un fil conducteur parcouru par un courant crée un champ magnétique.
- Les lignes représentatives de ce champ magnétique forment des cercles concentriques autour du fil.
- Le sens du champ magnétique créé par un courant peut être déterminée avec la « règle de la main droite ».
- Un solénoïde est une bobine de fil.
- Lorsqu’il est parcouru par un courant, un solénoïde crée un champ magnétique semblable au champ d’une barre aimantée.
- L’intensité du champ magnétique d’un solénoïde peut être augmentée en insérant un matériau magnétique comme le fer en son noyau.
