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Vidéo de la leçon : Champs magnétiques produits par les courants électriques Physique

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire le champ magnétique produit par un fil dans lequel circule un courant électrique.

15:42

Transcription de vidéo

Cette leçon sur les champs magnétiques produits par les courants électriques va nous montrer à quoi ressemblent ces champs lorsqu’ils sont produits par différents arrangements de courant. Nous verrons comment tracer les lignes de champs magnétiques. Et nous allons également apprendre comment ils deviennent plus intenses.

Nous pouvons commencer en considérant ceci, une seule charge électrique. Nous savons que cette charge crée un champ électrique autour d’elle-même. Et nous savons aussi que si nous le mettons en mouvement, elle créera un champ magnétique. Le mouvement de charges, si nous parlons de nombreuses charges qui se déplacent ensemble, est une très bonne description du courant électrique. Toutes ces charges en mouvement créent un champ magnétique autour du fil dans lequel elles se déplacent. Pour avoir une idée de ce à quoi cela ressemble, nous pouvons adopter un point de vue au bout de ce fil. De ce point de vue, le fil ressemblera à ceci, avec la charge électrique négative circulant vers nous. Sous cet angle, on dirait qu’il sort de l’écran.

À première vue nous pourrions supposer que le champ magnétique autour du fil ressemble à un champ électrique créé par une seule charge. Autrement dit, nous pensons peut-être que cela ressemblerait un peu à ça, des lignes de champs pointant radialement à partir du fil. Mais en fait, le champ magnétique a une apparence très différente. Il ressemble en fait à cela, à un groupe de cercles centrés autour du fil conducteur. Nous n’avons tracé que trois de ces cercles ici. Mais en réalité, le champ magnétique s’étend infiniment loin du fil. Nous aurions donc pu en tracer plus. Nous n’en avons tracé que trois pour donner une idée de la forme du champ.

Notez quelques remarques à propos de ce champ magnétique. D’abord, il a un sens. Chaque ligne de champ magnétique a une flèche, qui indique le sens dans lequel il pointe. Une autre chose à remarquer est que si nous regardons la direction du flux de charge électrique le long de cet axe à travers le conducteur, nous voyons que le sens selon lequel se déplace la charge est toujours perpendiculaire au sens du champ magnétique. Et en fait, c’est toujours le cas. Le champ magnétique produit par une charge en mouvement pointe toujours perpendiculairement à ce mouvement. Quoi qu’il en soit, comme nous l’avons dit, le champ magnétique ressemblera à ceci, si nous regardons depuis l’extrémité du conducteur.

Vu de côté, ces lignes de champ ressembleraient à ceci. Le fait que ces lignes de champ magnétique aient un sens particulier nous amène à la première règle importante que nous devrions apprendre. Cette règle s’appelle la règle de la main droite parce que nous y utilisons notre main droite. Et son but est de montrer le sens du champ magnétique. Voici comment fonctionne cette règle lorsque nous avons un conducteur dans lequel un courant électrique circule.

Tout d’abord, nous prenons notre main droite et nous la mettons au niveau de cette ligne de courant. Ensuite, nous pointons le pouce selon le sens que suit le courant conventionnel dans ce fil. Et il est important de s’assurer que nous pointons dans ce sens, dans le sens d’un flux de charge positif à travers le fil. Ensuite, nous enroulons nos doigts autour du fil. C’est ce sens dans lequel nos doigts se courbent qui montre le sens selon lequel le champ magnétique pointe le long du fil. Une fois que nous savons cela, nous pouvons commencer à tracer plus de lignes de champ magnétique. C’est ainsi que fonctionne la règle de la main droite lorsque nous avons une ligne de courant.

Essayons cette règle ici. Tout d’abord, nous pouvons allonger un peu notre conducteur. Ensuite, nous prenons notre main droite, la mettons au niveau du fil et pointons notre pouce dans le sens du flux de courant conventionnel. Notez que, dans ce fil, les charges négatives coulent vers la droite. Cela signifie en pratique que les charges positives coulent vers la gauche. C’est là le sens du courant conventionnel. Voilà donc le sens selon lequel nous pointons le pouce. Ensuite, nous enroulons nos doigts autour du fil. Et le sens selon lequel nos doigts se courbent est le sens que le champ magnétique suivra autour de ce fil. Nous voyons donc que la façon dont nous avons tracé ces lignes de champ magnétique correspond à cette règle de la main droite.

Maintenant, cette version particulière de la règle de la main droite s’applique uniquement au cas où le courant se déplace en ligne droite. Mais nous pouvons penser à d’autres façons dont le courant peut circuler. Admettons qu’au lieu du courant circulant selon une droite comme celle-ci, nous prenons les extrémités de ce conducteur et nous les joignons ensemble. Cela nous donnerait une boucle de courant comme celle-ci. La question devient alors à quoi ressemble le champ magnétique créé par cette boucle.

Une façon de penser à cela sera de diviser cette boucle en très, très petits segments. Chacun de ces segments est si petit que nous pourrions les considérer comme des droites puis appliquer notre règle de la main droite. Cette méthode fonctionnerait bien. Mais si nous ne sommes intéressés que par le champ magnétique au centre de cette boucle dans lequel circule du courant, alors il existe une autre façon de le faire. Cette autre façon implique ce que nous pourrions appeler la version numéro deux de la règle de la main droite.

Dans cette version, nous déterminons le sens du champ magnétique créé au point central d’une boucle de fil dans lequel circule du courant. La stratégie se déroule comme suit. Première étape, dessinons un axe qui passe perpendiculairement par le centre de cette boucle dans lequel circule du courant. Deuxième étape, mettons notre main droite au niveau de cet axe imaginaire, de façon à ce que nos doigts puissent s’enrouler autour de l’axe dans le même sens que le courant parcourt la boucle.

Lorsque nous avons fait cela et enroulé nos doigts autour de cet axe imaginaire, notre pouce pointe dans le sens du champ magnétique qui passe par le centre de cette boucle. Si nous appliquons cette version de la règle de la main droite à notre boucle ici, comme première étape, nous tracerons un axe perpendiculaire au plan de cette boucle dans lequel circule du courant. Et il passe par le centre de la boucle. De ce point de vue, l’axe ressemblerait à ceci. Il pénètre et sort de l’écran.

Ensuite, nous prenons notre main droite, dans ce cas il faut le tordre un peu, et le mettons au niveau de cet axe imaginaire, de manière à ce que nos doigts puissent se courber autour de l’axe dans le même sens que suit le courant qui circule dans notre boucle. Ensuite, lorsque nous enroulons nos doigts, notre pouce, c’est ce bout ici, pointe selon le sens du champ magnétique. Notre pouce pointe ici vers l’écran. Cela signifie donc que le champ magnétique créé par cette boucle pointe vers l’écran au centre de la boucle.

C’est un moyen rapide, un raccourci pour trouver le sens du champ magnétique au centre d’une boucle dans laquelle circule du courant. Si nous avions essayé notre idée précédente de diviser cette boucle en très petits segments rectilignes, alors nous pourrions aller segment par segment. Commençons donc ici. Et en considérant ce segment rectiligne, il suit une droite qui ressemble à ceci. Bien sûr, la plupart de cette ligne que nous avons tracée n’est pas réelle. La seule partie qui existe réellement est la partie qui se trouve sur le cercle.

Et puis, sachant que le courant conventionnel se déplace le long de cette droite dans ce sens, nous pourrions prendre notre main droite, la placer sur cette droite, avec notre pouce pointé selon le sens du courant, puis enrouler nos doigts autour de cette droite. Ce sens de courbure nous montre le sens du champ magnétique qui serait créé par ce très petit segment de fil rectiligne. Nous pouvons voir que, selon ce sens, si nous suivons ce sens au centre de la boucle, cela impliquerait un champ magnétique qui pénètre dans l’écran. Bien sûr, ce n’est que le champ magnétique créé par un très petit segment de cette boucle circulaire.

Mais si nous faisions la même chose avec un autre segment, disons celui-ci, alors nous tracerions une droite représentant à quoi ressemblerait ce segment, si nous l’étendions, sous forme d’une ligne de courant. Puis, encore une fois, mettons notre main droite au niveau de cette ligne pour que notre pouce puisse pointer dans le sens que suit le courant. Et puis encore, nous enroulons nos doigts autour de cette ligne.

Remarquez que, pour ce segment de droite, si nous suivons ce sens de courbure à travers le centre de cette boucle, cela donne également le sens du champ magnétique qui pénètre dans l’écran. Ce que nous voyons ici, c’est que si nous parcourions le tour de cette boucle, un très petit segment à la fois, et utilisions notre première version de la règle de la main droite, lorsque nous additionnions les résultats de tous ceux-ci, nous trouverions ce que nous avons trouvé en utilisant notre raccourci de la version deux. C’est-à-dire que le champ magnétique au centre de cette boucle pénètre dans l’écran, étant donné ce sens de courant. Ce raccourci que nous venons d’apprendre, la version deux de la règle de la main droite, devient particulièrement utile lorsque nous travaillons non seulement avec une boucle de courant, mais avec plusieurs.

Disons que nous n’avons plus qu’une boucle seule dans laquelle circule du courant. Mais nous en avons plusieurs alignés en rangée. En empilant toutes ces boucles ensemble comme ça, avec du courant dans le même sens à travers toutes, nous avons presque créé un composant qui apparaît dans les circuits électriques. La façon de voir à quoi ressemble réellement ce composant est de connecter toutes ces boucles les unes aux autres. Alors admettons que nous faisons cela. Admettons que nous prenons cette première boucle. Nous l’ouvrons. Et puis, nous le connectons à la deuxième boucle. Et puis la même chose avec la deuxième boucle, nous la connectons à la troisième et la troisième à la quatrième et ainsi de suite, tout au long de la rangée. En joignant ces boucles, nous avons créé une bobine de fil, où le courant circule continuellement d’un bout à l’autre.

Lorsque nous trouvons cette structure particulière dans un circuit électrique, cela s’appelle un solénoïde. Et comme nous l’avons vu, un solénoïde est essentiellement constitué de nombreuses boucles conductrices jointes en rangée. Et parce qu’elle est faite ainsi, nous pouvons avoir une idée de la forme du champ magnétique d’un solénoïde, en utilisant notre règle de la main droite. Commençons par nous concentrer sur cette toute première boucle de courant dans le solénoïde.

Si nous regardons cette boucle de cette perspective, en plaçant notre œil à cet angle, alors cette boucle ressemblerait à ceci. Essentiellement, le côté droit de cette boucle correspond à cette partie de la première boucle de notre solénoïde. Cette partie de la boucle est la plus proche de nous lorsque nous la regardons dans cette direction. Et puis, la partie gauche de la boucle correspond à cette partie de la boucle dans notre solénoïde, qui est plus éloigné de notre œil.

Pour déterminer le champ magnétique créé par cette boucle individuelle, juste au centre de la boucle, nous utiliserons notre deuxième version de la règle de la main droite. Cette version nous dit de commencer par établir un axe perpendiculaire au centre de la boucle. Cela serait orienté de façon à pénétrer et sortir de la page. Ensuite, nous prenons notre main droite. Et nous le plaçons au niveau de cet axe pour que nos doigts puissent s’enrouler autour de l’axe selon le sens que suit le courant qui circule dans la boucle. Ensuite, en enroulant nos doigts dans ce sens, notre pouce pointe maintenant dans le sens du champ magnétique au centre de cette boucle. Nous pouvons voir que c’est vers l’écran ou la page.

Maintenant, nous voulons dessiner cette ligne de champ magnétique sur notre schéma du solénoïde. Pour ce faire, nous allons trouver le point au centre de cette première boucle. Ce point est à peu près là. Ensuite, puisque le côté droit de la boucle dans cette perspective correspond à ce côté depuis le point de vue latéral, cela signifie que le champ magnétique dans le solénoïde pointe de gauche à droite. Cela ressemblerait à ceci, passant derrière le côté avant de la boucle passant devant le côté arrière. Voilà, c’est bien. Mais rappelez-vous, nous n’avons trouvé le champ magnétique que pour l’une des nombreuses boucles de notre solénoïde. Nous passons donc à la deuxième boucle.

Remarquez pourtant un détail important. Le courant qui parcourt cette deuxième boucle suit le même sens que le courant qui parcourt la première. Cela signifie que notre schéma là-haut et notre utilisation de la règle de la main droite s’applique toujours dans le cas de la deuxième boucle dans notre solénoïde. Et cela signifie que le champ magnétique net créé au centre de cette boucle pointe également de gauche à droite.

Pour montrer la différence entre ces deux lignes de champ, nous allons les tracer avec des couleurs différentes. Nous allons donc trouver le centre de cette deuxième boucle. Cela semble être à peu près ici. Et puis, nous allons tracer cette ligne de champ en rose. Ensuite, nous passons à la troisième boucle de notre solénoïde. Le courant traverse cette boucle selon le même sens que les deux premières. Donc, le champ magnétique est également orienté de la même manière. Nous traçons cette ligne de champ en vert.

Nous pouvons voir que lorsque nous suivons l’axe de notre solénoïde, pour toutes les boucles, nous obtiendrons le même champ magnétique à travers leurs centres. Ce qui se passe alors est que tous ces champs magnétiques individuels s’additionnent et forment un champ magnétique net ou global à l’intérieur de la bobine. En combinant les champs au centre de chacune de ces boucles, cette ligne de champ nette ressemblerait à ceci, à travers le cœur du solénoïde. Cette ligne de champ, en passant, continue le long de cet axe même en dehors du solénoïde. Alors, à ce stade, nous avons trouvé le sens du champ magnétique à travers le centre géométrique exact de ce solénoïde. Mais il y a plus d’espace au sein de ces boucles que leurs seuls centres.

Si nous devions tracer quelques autres lignes de champ traversant le cœur du solénoïde, elles pourraient ressembler à ceci. Ce sont en fait des boucles fermées comme celles que forment habituellement des lignes de champ magnétique. À ce stade, le champ de ce solénoïde peut commencer à sembler familier. Admettons que nous ayons une barre aimantée comme celle-ci. Le champ magnétique de cette barre aimantée ressemblerait à ceci. Voyant la similitude entre ce champ et celui créé par notre solénoïde, nous pouvons dire que, ici, avec notre solénoïde, nous avons essentiellement créé un aimant, mais en utilisant un courant électrique pour le faire. Autrement dit, le champ magnétique créé par ce courant électrique ne se distingue pas du champ magnétique créé par un aimant.

Il y a un nom particulier donné aux appareils de ce type. Cet appareil est un électroaimant. Nous pouvons voir comment ce nom a un sens, électro parce que nous utilisons un courant électrique pour créer un aimant, c’est-à-dire un champ magnétique qui est essentiellement le même que celui créé par un aimant. Alors, quand il s’agit de concevoir un électroaimant, d’en faire un pour une certaine application, il est souvent intéressant de pouvoir augmenter l’intensité de l’électroaimant, en d’autres mots de rendre ce champ magnétique-ci, au cœur de notre solénoïde, aussi intense que possible.

Une façon de faire cela est d’ajouter ce qu’on appelle un matériau magnétisable. Un matériau magnétisable est un matériau qui n’est pas lui-même un aimant. Mais si vous le mettez dans un champ magnétique externe, il le devient. Ici, nous avons pris un matériau magnétisable, le fer. Et nous en avons rempli le cœur de notre solénoïde. Lorsque nous faisons cela, nous concentrons et renforçons le champ magnétique, parfois cinq, dix, voire des centaines de fois plus fort qu’avant.

Ce sujet des matériaux pour renforcer les électro-aimants soulève un autre point. Lorsque nous réfléchissons aux matériaux que nous pourrions utiliser pour faire cela, ils tombent généralement dans deux classes différentes. Dans la première classe de matériau, si nous lui appliquons un champ magnétique externe, ce matériau, bien qu’il soit magnétisable, met beaucoup de temps à le montrer. Le champ externe doit être appliqué pendant un certain temps avant que ce matériau ne génère son propre champ magnétique interne. Ce phénomène se déroule assez lentement. Mais si nous désactivons le champ externe, le champ généré en interne persiste également pendant longtemps. Ces matériaux, qui prennent beaucoup de temps à gagner et à perdre un champ magnétique induit, sont appelés matériaux magnétiques durs.

En revanche, si nous appliquons un champ externe à cette deuxième classe de matériaux, il répond très rapidement avec son propre champ induit. Mais alors, lorsque ce champ externe disparaît, le matériau réagit rapidement en dissipant son champ interne. Cette deuxième classe de matériaux est composée de ce qu’on appelle des matériaux magnétiques doux. Cela signifie que le champ interne ou induit du matériau répond très rapidement à un champ externe.

Notez que ces descriptions, dur et doux, n’ont pas à voir avec la dureté ou la douceur des matériaux eux-mêmes. En fait, il n’est pas rare de décrire le noyau de fer d’un électroaimant comme un noyau de fer doux. Ce que ces termes indiquent en réalité, c’est la réactivité du matériau à un champ externe. En fonction de leurs différences, il existe différentes utilisations pour les deux types. Les matériaux magnétiques durs constituent de grands aimants permanents, tandis que les matériaux magnétiques doux sont des noyaux performants pour les transformateurs.

Résumons maintenant ce que nous avons appris sur les champs magnétiques produits par les courants électriques. Dans cette leçon, nous avons vu que les courants électriques créent des champs magnétiques. Nous avons examiné trois configurations de courant différentes, un courant en ligne droite, puis un courant circulant dans une boucle circulaire. Et enfin, en envisageant de relier de nombreuses boucles ensemble, nous avons vu ce qu’on appelle un solénoïde. Nous avons ensuite appris à trouver le sens des champs magnétiques formés autour de ces courants, en utilisant ce qu’on appelle la règle de la main droite, qui a deux versions différentes.

Nous avons également appris ce qu’est un électroaimant. C’est un aimant créé par un courant électrique. Et enfin, nous avons vus les matériaux magnétiques durs et mous. Nous avons vu que les matériaux magnétiques durs réagissent lentement aux champs externes. Et les matériaux magnétiques doux réagissent rapidement.

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