Vidéo de la leçon: Le galvanomètre à bobine mobile Physique

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons voir un dispositif appelé galvanomètre à bobine mobile. Le galvanomètre à bobine mobile est un appareil assez simple mais très utile, qui sert à mesurer les courants électriques. Et il peut servir à construire des ampèremètres, des voltmètres et des ohmmètres, qui servent à mesurer les courants, les tensions et les résistances dans les circuits. Dans cette vidéo, nous allons voir comment fonctionnent les galvanomètres à bobine mobile et comment nous pouvons calculer leur sensibilité.

Mais d’abord, regardons brièvement le principe de fonctionnement d’un galvanomètre à bobine mobile. Nous avons donc ici un schéma simplifié de circuit. Voici un galvanomètre à bobine mobile. Et ici, il est connecté en série avec trois composants : une pile, un interrupteur et une résistance. La pile fournit une différence de potentiel de sorte qu’un courant parcourt le circuit lorsque l’interrupteur est fermé. L’interrupteur est là juste pour que nous puissions mettre notre circuit en marche ou à l’arrêt. Et nous ajoutons une résistance dans notre circuit juste pour que le courant produit par la pile ne devienne pas trop élevé.

Eh bien, l’utilité d’un galvanomètre à bobine mobile dans ce circuit est qu’il nous donnera une indication de l’intensité et de la direction du courant dans le circuit. Ce galvanomètre a une échelle avec zéro au milieu. Et quand aucun courant ne circule, comme dans ce cas où l’interrupteur est ouvert, l’aiguille pointera vers le zéro. Si on permet qu’un courant circule à travers le galvanomètre dans un certain sens, cela entraînera une déviation de l’aiguille dans une direction. Et si on permet à un courant de circuler dans le sens opposé alors cela entraînera une déviation de l’aiguille dans la direction opposée. La quantité totale de déviation indique l’intensité du courant, alors regardons ce qui se passe lorsque nous fermons l’interrupteur.

En observant notre pile, nous voyons une borne positive à gauche et une borne négative à droite. Cela signifie que le courant conventionnel, que nous pouvons imaginer comme un flux de charge positive, est dirigé dans le sens horaire autour du circuit. Le courant passe à travers le galvanomètre à bobine mobile, ce qui provoque une certaine déviation de l’aiguille. Et la charge continuera à circuler dans le sens horaire jusqu’à ce qu’elle retourne à la pile, ce qui complète le circuit. L’aiguille du galvanomètre restera dans cette position jusqu’à ce que nous ouvrions l’interrupteur. Le courant cesse de circuler et l’aiguille revient à zéro.

Voyons maintenant ce qui se passe si nous retournons cette pile. Eh bien, lorsque nous fermons l’interrupteur, la charge circule dans le sens opposé autour du circuit. Et cette fois, nous pouvons voir que l’aiguille du galvanomètre a dévié par la même quantité mais dans le sens opposé. Donc, dans ce circuit spécifique, notre galvanomètre mesure un courant dans le sens horaire comme étant négatif et un courant dans le sens antihoraire comme étant positif. Si nous ajoutons une autre pile identique en série avec la première, nous doublons effectivement l’intensité du courant dans le circuit. Et nous verrions également que la déviation de l’aiguille du galvanomètre a doublé elle aussi.

Donc, cela illustre essentiellement le principe de fonctionnement d’un galvanomètre. En déplaçant une aiguille sur un cadran, cela indique à la fois la valeur et le sens du courant qui le traverse. Donc, pour voir comment cela fonctionne, jetons un coup d’œil à l’intérieur. Au centre d’un galvanomètre à bobine mobile se trouve un cylindre de fer. A chaque extrémité de celui-ci est fixée une tige conductrice, mais il est important de noter que ces tiges sont séparées électriquement du fer. Il y a donc un petit morceau de matériau isolant électrique qui empêche l’électricité de passer entre les tiges et le fer.

Nous avons ensuite un morceau de fil fin connecté à l’extrémité d’une des tiges conductrices, qui est enroulé autour du cylindre de fer avant de se connecter à la tige de l’autre côté. Et dans un vrai galvanomètre, cette bobine de fil aurait beaucoup plus de spires. Nous avons ensuite deux composants appelés ressorts de torsion fixés aux extrémités des tiges conductrices. Ces ressorts permettent aux tiges conductrices, au cylindre de fer et à la bobine de fil de tourner tous ensemble. Mais ils appliquent un moment de force dans le sens opposé. Plus le noyau de fer et la bobine tournent, plus grand sera le moment de force appliqué par ces ressorts, empêchant donc le noyau et la bobine de tourner librement.

Les ressorts sont en matériau conducteur et constituent une partie importante du circuit. Ces extrémités des ressorts jouent le rôle de bornes du galvanomètre. Le cylindre de fer et la bobine de fil sont entourés des deux côtés par les deux pôles d’un grand aimant permanent. Notez que sur cette figure, nous n’avons pas dessiné l’aimant en entier. Nous n’avons dessiné que ce qui nous intéresse, les pôles. Ensuite, admettons que dans ce cas, nous avons le pôle nord à gauche et le pôle sud à droite. Et les derniers composants de notre galvanomètre sont une aiguille reliée à l’une des tiges conductrices et un cadran. Alors maintenant, lorsque le noyau de fer et la bobine de fil tournent, l’aiguille se déplace sur le cadran.

Et voilà, nous avons un schéma complet d’un galvanomètre à bobine mobile. Et comme aucun courant ne la traverse pour le moment, l’aiguille indique le zéro. Comme nous l’avons mentionné précédemment, les bornes du galvanomètre sont ici et là. Admettons que cette borne soit connectée à l’électrode positive d’une pile, et cette borne soit connectée à l’électrode négative. Nous savons que le courant conventionnel fait référence au flux de charge du positif au négatif, ce qui signifie que le courant dans le galvanomètre va dans ce sens là. La charge circule le long de ce ressort de torsion le long de la barre conductrice puis autour de la boucle de fil dans ce sens. La charge circule le long de toutes les spires de la bobine avant de parcourir l’autre tige conductrice. Il sort ensuite du galvanomètre et retourne vers l’électrode négative de la batterie.

Afin de comprendre comment fonctionne un galvanomètre à bobine mobile, il suffit de se concentrer sur le courant dans la bobine de fil. Fondamentalement, un galvanomètre à bobine mobile fonctionne sur le même principe qu’un moteur électrique. Ce principe est connu sous le nom d’effet moteur. Rappelons que l’effet moteur, c’est où un fil conducteur de courant à un certain angle par rapport à un champ magnétique subira une force. En regardant notre schéma, nous pouvons voir que nous avons un courant dans une bobine de fil entre deux pôles d’un aimant permanent. Dans cette figure, nous pouvons voir que nous avons les deux pôles de l’aimant à gauche et à droite et que le courant est dirigé vers et hors de l’écran. Ainsi il nous semble que notre fil conducteur de courant est en effet incliné par rapport au champ magnétique.

En outre, les champs magnétiques vont du pôle nord vers le pôle sud. Mais dans un galvanomètre à bobine mobile, nous constatons que le champ magnétique agit plus ou moins radialement comme le montrent ces flèches bleues. Cela est dû aux effets du noyau de fer. Le fer est facilement magnétisé, ce qui signifie que le champ magnétique passera préférentiellement à travers le noyau plutôt que par l’air. Ceci est important car cela signifie que les deux côtés les plus longs de la bobine de fil subissent essentiellement un champ magnétique uniforme lors de leur rotation.

Nous pouvons voir que le courant dans ces longs côtés de la bobine de fil pénétrant et sortant de l’écran est perpendiculaire au champ magnétique à ce point. Lorsque c’est le cas, nous pouvons déterminer l’intensité de la force produite par l’effet moteur en utilisant l’équation 𝐹 égale 𝐵𝐼𝑙, où 𝐹 est l’intensité de la force produite. 𝐵 est l’intensité du champ magnétique, 𝐼 est l’intensité du courant et 𝑙 est la longueur du fil passant à travers le champ magnétique.

Il est également possible de calculer le sens de la force. Et cette information nous aidera à comprendre le fonctionnement d’un galvanomètre à bobine mobile. L’une des façons de le calculer le sens de la force est d’utiliser la règle de la main gauche. Celle-ci s’appelle aussi la règle de la main gauche des moteurs. Si nous étendons le pouce, l’index et le majeur de la main gauche de telle sorte qu’ils soient tous perpendiculaires, cela peut nous aider à nous souvenir du sens de la force résultante lorsqu’un courant est à angle droit par rapport à un champ magnétique.

Plus précisément, si notre index pointe selon le sens du champ magnétique, qui est généralement représenté par le symbole 𝐵, et notre majeur pointe selon le sens du courant conventionnel, représenté par le symbole 𝐼, alors notre pouce va maintenant pointer selon le sens de la force résultante sur le fil porteur de courant.

Pour déterminer le comportement de la bobine de notre galvanomètre, considérons l’une des longueurs de fil pénétrant dans l’écran sur le côté droit du schéma. En regardant notre schéma, nous pouvons voir que les lignes de champ magnétique coupant ce fil vont horizontalement de gauche à droite. Et nous avons également déterminé que le courant conventionnel dans cette section de fil suit le sens qui pénètre dans l’écran. Donc, en utilisant la règle de la main gauche, si nous pointons notre majeur vers l’écran et notre index de gauche à droite, alors nous constatons que notre pouce pointe vers le bas. Cela signifie qu’une force descendante agit sur cette partie du fil.

Si nous regardons la longueur du fil de l’autre côté du schéma, nous pouvons voir que le champ magnétique agit également horizontalement de gauche à droite. Mais cette fois, le courant sort de l’écran. Donc, en utilisant à nouveau la règle de la main gauche, si nous positionnons notre majeur de sorte qu’il pointe en sortant de l’écran et que nous plaçons notre index de sorte qu’il pointe de gauche à droite, nous constatons que maintenant notre pouce pointe vers le haut, ce qui signifie que cette partie du fil subit une force vers le haut. Donc, puisque nous avons une force vers le haut agissant sur le côté gauche de la boucle et une force vers le bas agissant sur le côté droit de la boucle, nous constatons que le noyau, la bobine et les tiges conductrices tournent dans le sens horaire. Et cette rotation provoque la déviation de l’aiguille vers la droite.

Il est important de noter que, contrairement à un moteur électrique, ces ressorts de torsion s’opposent au mouvement du noyau. Dans sa position actuelle, il ne bouge pas, mais il subit toujours un moment de force dû à l’effet moteur. Et ce moment de force est exactement de la même grandeur qu’au moment où la bobine s’est mise en mouvement. Cependant, lorsque la bobine commence à tourner, les ressorts de torsion commencent à produire un moment de force agissant dans le sens opposé. Ce moment de force devient de plus en plus grand à mesure que la bobine tourne davantage jusqu’à ce qu’elle atteigne finalement la même grandeur que le moment de force dû à l’effet moteur. Le stade où ces deux moments de force opposés trouvent l’équilibre est le stade auquel l’aiguille cesse finalement de bouger.

Maintenant, si nous augmentions l’intensité du courant, la force électromagnétique agissant sur la bobine augmenterait, ce qui signifie que l’aiguille pourrait être davantage déviée avant que les ressorts de torsion ne puissent fournir une force suffisante pour l’empêcher de tourner. Ou, exprimé plus simplement, plus le courant dans le galvanomètre est important, plus l’aiguille est déviée. Et si nous inversions le sens du courant, nous trouverions que l’aiguille serait déviée dans le sens opposé. En fait, les galvanomètres à bobines mobiles sont construits de telle sorte que l’angle de déviation de l’aiguille soit exactement proportionnel au courant qui traverse le galvanomètre.

Donc, si nous disons que ce courant a une amplitude 𝐼 et que nous appelons l’angle de déviation de l’aiguille 𝜃, alors nous pouvons dire que 𝜃 est proportionnel à 𝐼. Nous pouvons transformer cette affirmation de proportionnalité en une équation en introduisant une constante de proportionnalité, que nous appellerons 𝑘. Cela nous donne l’expression 𝜃 est égal à 𝐼𝑘. Or, dans cette équation, 𝑘 est une constante qui, lorsque nous la multiplions par le courant, nous indique la déviation de l’aiguille de notre galvanomètre. Donc, si 𝑘 était très grande, cela signifierait qu’une petite valeur de 𝐼 entraînerait une grande valeur de 𝜃. Inversement, si 𝑘 était très petite, même une grande valeur de 𝐼 donnerait une petite valeur de 𝜃.

Nous pouvons donc penser à cette constante de proportionnalité comme étant la sensibilité de notre galvanomètre. Plus la valeur de cette constante est grande, plus la déviation de l’aiguille pour un courant donné est grande. Cela dit, nous pouvons remplacer le symbole 𝑘 par un grand 𝑆 pour la sensibilité. Si nous divisons maintenant les deux côtés de cette équation par 𝐼, il nous reste l’expression 𝑆 égale 𝜃 divisée par 𝐼. En d’autres mots, si nous avons un courant d’intensité 𝐼 qui parcourt notre galvanomètre et que cela provoque une déviation de l’aiguille d’un angle de 𝜃, alors la sensibilité de notre galvanomètre est simplement l’angle divisé par le courant. En fait, la sensibilité de notre galvanomètre peut être définie par la variation de l’angle de déviation de l’aiguille, Δ𝜃, divisée par la variation du courant passant à travers le galvanomètre, Δ𝐼.

Puisque la sensibilité est donnée en divisant un angle par un courant, nous pouvons l’exprimer en unités de degrés par ampère ou en radians par ampère, mais vu qu’un ampère représente un courant relativement important, nous pourrions plutôt utiliser des milliampères ou même des microampères pour nos unités. Nous avons donc vu comment un galvanomètre à bobine mobile est construit. Nous avons décrit les principes physiques derrière son fonctionnement. Et nous avons examiné comment nous pouvons décrire mathématiquement la déviation de l’aiguille par rapport à la sensibilité du galvanomètre et à l’intensité du courant qu’elle contient.

Récapitulons maintenant les points clés que nous avons examinés dans cette vidéo. Tout d’abord, nous avons vu qu’un galvanomètre à bobine mobile est un dispositif électromécanique qui sert à détecter et indiquer un courant électrique. Nous avons vu les éléments qui composent un galvanomètre à bobine mobile, y compris une bobine de fil dans un champ magnétique. Le courant circulant dans la bobine provoque sa rotation en raison de l’effet moteur, ce qui entraîne une déviation de l’aiguille sur un cadran, ce qui indique le courant. Les galvanomètres avec un zéro au centre du cadran, comme ceux que nous avons vus dans cette vidéo, sont capables d’indiquer le sens du courant. Et enfin, nous avons vu que la sensibilité d’un galvanomètre est donnée par 𝑆 égal Δ𝜃 sur Δ𝐼. Voilà est un résumé du galvanomètre à bobine mobile.