OMM-CLIC
Bref historique
Depuis l’Antiquité, les aimants sont connus sous le nom de magnétite, pierre trouvée à proximité de la ville de Magnesia (Turquie), qui a la propriété d’attirer des morceaux de fer.
C’est de cette pierre que provient le nom actuel de champ magnétique.
Les chinois furent les premiers à utiliser les propriétés des aimants, il y a plus de 1000 ans, pour faire des boussoles. Ces boussoles étaient constituées d’une aiguille de magnétite posée sur de la paille flottant sur de l’eau contenue dans un récipient gradué.
Au XIXème,la théorie de l’électromagnétisme apparut. Tout commença avec l’expérience de Oersted en 1820. Il plaça un fil conducteur au-dessus d’une boussole et y fit passer un courant. En présence d’un courant l’aiguille de la boussole est effectivement déviée, prouvant sans ambiguïté un lien entre le courant électrique et le champ magnétique. Par ailleurs, il observa que :
-si on inverse le sens du courant, la déviation change de sens.
-la force qui dévie l’aiguille est non radiale.
L’étude quantitative des interactions entre aimants et courants fut faite par les physiciens Biot et Savart (1820). Ils mesurèrent la durée des oscillations d’une aiguille aimantée en fonction de sa distance par rapport à un courant rectiligne. Ils trouvèrent que la force agissant sur un pôle est dirigée perpendiculairement à la direction reliant ce pôle au conducteur et qu’elle varie en raison inverse de la distance. De ces expériences, Laplace déduisit ce qu’on appelle aujourd’hui la loi de Biot et Savart.
L’élaboration de la théorie électromagnétique mit en jeu un grand nombre de physiciens de renom : Oersted, Ampère, Arago, Faraday, Foucault, Henry, Lenz, Maxwell, Weber, Helmholtz, Hertz, Lorentz et bien d’autres.
Si elle débuta en 1820 avec Oersted, elle ne fut mise en équations par Maxwell qu’en 1873 et ne trouva d’explication satisfaisante qu’en 1905, dans le cadre de la théorie de la relativité d’Einstein.
LES SOURCES DE CHAMP MAGNETIQUE
Les sources de champs magnétiques existent à l’état naturel (Terre, aimant naturel) ou peuvent être crées artificiellement (aimant, électro-aimant).
INTERACTION MAGNETIQUE
L’interaction magnétique c’est l’interaction entre les charges en mouvement.
L’électromagnétique c’est l’interaction électrique et magnétique.
Interaction aimant-aimant
Un aimant comporte toujours deux pôles appelés le pôle nord (N) et le pôle sud (S) situés, en général, à ses deux extrémités.Un aimant exerce une action à distance sur un autre aimant.
Quand deux aimants se rapprochent, on observe une répulsion ou une attraction selon les faces mises en regard :
-Si on approche deux pôles de même polarité, les aimants se repoussent (figure 1-a).
Interactions aimant-courant
Expériences
Une bobine suspendue est placée au voisinage d’un aimant. Sur la figure 2-a,aucun courant ne parcourt la bobine. Sur les figures 2-b et 2-c, la bobine est parcourue par un courant continu de sens contraire
Interaction courant-courant
Expériences
Considérons deux fils rectilignes indéfinis et parallèle C et C’ parcourus respectivement par des courants d’intensités I et I’. Sur la figure 3-a, aucun courant ne parcourt les deux fils.Sur les figures 3-b et 3-c, ces fils sont parcourus des courants de même sens et de sens contraire
Observations
Il y a une attraction lorsque les courants ont le même sens et répulsion lorsque leurs sens sont contraires.
Conclusion
Les fils rectilignes de longueur infinie parcourus par un courant sont des sources de champs magnétiques. Si on place un fil parcouru par un courant électrique devant l’autre, des forces magnétiques s’exercent sur les deux fils
Mise en évidence du champ magnétique créé par un aimant
Des grains de limaille de fer, saupoudrés autour d’un aimant, vont s’orienter selon des lignes de champ (figure 6).
– Les lignes de champs montrent l’orientation du champ magnétique.
– La densité de lignes de champ informe sur l’intensité du champ magnétique.
– La figure formée par la limaille de fer s’appelle un spectre magnétique
Vecteur champ magnétique 𝑩⃗ ⃗ ⃗ et ses caractéristiques
Le champ magnétique 𝐵⃗ ⃗ est une grandeur vectorielle (figure 8). On appelle ligne de champ magnétique, une courbe tangente en chacun des points P de l’espace à la direction du vecteur champ magnétique. L’ensemble des lignes de champ magnétique est appelé spectre magnétique. (Ranaivoson,Z., 2013)
En un point P, le vecteur champ magnétique a :
-une direction : tangente aux lignes de champ magnétique
-un sens : dans la direction sud-nord d’une aiguille aimanté qui détecte le champ magnétique.
– un intensité : qui dépend de la position du point P, exprimé en tesla [T] et mesurée en utilisant un appareil appelé teslamètre à sonde à effet Hall
CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE
De nombreuses expériences ont montré l’existence d’un champ magnétique à la surface et au voisinage de la terre. En première approximation et selon les conclusions du physicien Gauss, un champ magnétique terrestre est équivalent à celui créé par un aimant droit situé au centre de la terre ; l’axe de cet aimant est oblique par rapport à la ligne des pôles géographiques (figure 9). (Bramand, P., 1984)
Les points où l’axe rencontre la surface du globe s’appellent pôles géomagnétiques Nord et Sud. Actuellement, le pôle Nord est caractérisé par sa latitude (𝜃 0 = 11.5°) et salongitude (𝜑 0= 69°) ; il est situé vers l’extrémité Nord-Ouest du Groenland. Le grand cercle, normal à l’axe des pôles géomagnétiques, est appelé équateur géomagnétique . (Bramand, P., 1984)
Le champ magnétique terrestre B ⃗ ⃗ ⃗ est la résultante d’une composante horizontale BH et d’une verticale B V ⃗ (figure 10). Les caractéristiques du vecteur champ magnétique terrestre varient à la surface de laTerre et, en un lieu donné, avec le temps. L’angle D ̂ que fait le Nord magnétique avec le Nord géographique est appelé déclinaison magnétique du lieu considéré. En un lieu donné, la déclinaison et l’inclinaison varient avec le temps.L’inclinaison magnétique d’un lieu est l’angle I ̂ que fait le vecteur champ magnétique B V avec sa composante horizontale.Le tableau 1 donne les variations séculaires connues à Paris, pour la moyenne de la déclinaison faite sur un an. Cette variation correspond à une diminution d’environ 0,1° par an.
Représentation et caractéristique du vecteur champ magnétique 𝐵 créé par unsolénoïde infini à N spires
L’équation (19) nous donne l’expression du champ magnétique créé par un solénoïde à N spires.
Le vecteur B est caractérisé par :
-son origine : le point considéré.
-sa direction : parallèle à l’axe du solénoïde
-son sens : le sens du champ B est donné par la règle de la main droite : on placer la main droite sur la bobine pour l’entourer dans le sens de la circulation du courant. Le pouce nous indique le sens du champ magnétique.(figure 17).
SUPERPOSITION DE CHAMPS MAGNETIQUES
Le champ magnétique est une grandeur vectorielle donc on peut faire l’addition vectorielle de deux ou plusieurs champs magnétiques comme pour tous les vecteurs.
Superposition de champs magnétiques créés par deux aimants
Expérience
On dispose de deux aimants droits identiques et d’une petite aiguille aimantée. L’aiguille est placée en un point P d’une feuille de papier. On relève l’orientation de l’aiguille en présence du 1 er aimant (figure 18. a), du 2 e aimant (figure 18. b) et des deux aimants (figure 18. c).
BOUSSOLE MAGNETIQUE
Bref historique de la boussole
Les Chinois auraient remarqué les premiers que l’aimant était attiré par une masse de fer magnétique qui se situe aux environs du Nord de la terre. Le dictionnaire Chone Wey, vers l’an 120 de notre ère, le mentionne, et aux VIIème et VIIIème siècles, les navigateurs chinois utilisaient l’aiguille aimantée. Les Arabes apprirent d’eux à se servir de la boussole, et la révélèrent aux Européens.
On ignore l’origine précise de la véritable boussole: cependant l’inventaire de bord du Saint Nicolas en 1284 porte: « calamita cum apparatibus suis et unabussula de ligno », ce qui fixe l’origine sicilienne du mot. Le premier compas complet avec rose des vents semble dû au portugais Ferrande en 1483. Christophe Colomb reconnut le premier, semble-t-il, qu’une aiguille aimantée mobile dans un plan horizontal ne prend pas exactement la direction NordSud.
Description de la boussole
La boussole magnétique ordinaire est une boîte ronde dans laquelle oscille une aiguille aimantée, montée sur un pivot de métal et dominant un cadran avec la rose des vents. Ce cadran est en outre divisé, dans le sens des aiguilles de la montre, en 360 degrés, marqués par un trait tous les 5 degrés (figure 20).
Le bouton extérieur bloque l’aiguille lorsqu’on n’utilise pas la boussole, ceci afin d’éviter une usure trop rapide. Pour se servir de l’instrument, on débloque l’aiguille et l’on attend qu’elle s’immobilise. Elle indique alors, avec sa moitié de couleur sombre, non pas le
Nord géographique, mais bien le Nord magnétique, à quelques degrés plus à l’Ouest. Cette légère déviation ou déclinaison est marquée sur la boussole: en effet, lorsque le Nord géographique est exactement sur zéro (lettre N) l’aiguille s’immobilise à l’endroit indiqué par un trait, un point ou une petite flèche.
Il existe plusieurs types de boussole comme la boussole de visée (figure 21), l a boussole perfectionnée, …
Langage utilisé pour la conception du didacticiel
Ce didacticiel est élaboré à partir du logiciel JOOMLA utilisant les langages PHP,MySQL,HTML5.On a choisi ce logiciel pour le design et l’interactivité qu’il offre. L’utilisateur peut naviguer à travers toutes les pages du didacticiel à l’aide des boutons : « lire la suite » ou « retour » ou en cliquant sur les boutons qui se trouvent dans les différentes fenêtres du didacticiel.
Organigramme des séquences d’enseignement et apprentissage
L’organigramme suivant montre les grandes lignes qui caractérisent le didacticiel. Il comporte deux sections différentes :
Une section de mise en situation ou préambule.
Une section de construction du savoir.
Aptitudes à développer chez l’apprenant(e)
Esprit scientifique
En général, le didacticiel est destiné aux élèves du lycée dans les classes de terminales C et D. Ainsi, sa conception est basée sur l’idée que l’apprenant(e) peut construire par luimême ses propres connaissances en suivant une démarche scientifique : observer et analyser, choisir ou élaborer un modèle physique, organiser les étapes de la résolution et éventuellement porter un jugement critique.
Ce thème ne figure pas encore dans les programmes scolaires actuels à Madagascar mais nous pensons qu’il serait intéressant de présenter aux élèves les notions de bases concernant la boussole magnétique « Séduire » et « Former » tel est l’objet assigné. Conçu avec le souci d’ancrer l’enseignement sur l’environnement quotidien des élèves et des technologies modernes, le didacticiel invite à développer une approche autonome de l’élève et élargit le champ de leurs connaissances. En effet, l’exploitation de ce document peut être l’occasion d’un exposé sur un sujet de recherche plus élaboré.
Réalisation pratique :
Les connaissances acquises ne se limiteront pas seulement au savoir mais seront poussées jusqu’au savoir faire. Des applications diversifiées, rencontrées dans la vie quotidienne sur le thème présenté, sont proposées par le didacticiel. Dans ce cas, l’apprenant(e) traite chaque activité, en observant et en analysant les animations, en répondant aux exigences posées et en confrontant ses réponses aux solutions proposées par le didacticiel.
Séquences d’apprentissage :
Préambule :
Le didacticiel débute par une interface d’introduction du logiciel. Le titre « Ressource numérique pour l’étude du champ magnétique et de la boussole magnétique en classe de terminale scientifique » y est présenté. Toujours sur cette interface, le visiteur doit s’identifier s’il est déjà enregistré en tant que « professeur » ou « élève ». Si non, il doit s’inscrire. Dans ce cas, le super utilisateur accordera son inscription
Table des matières
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : REPERE THEORIQUE
I- Bref historique
II- LES SOURCES DE CHAMP MAGNETIQUE
II-1- INTERACTION MAGNETIQUE
II.1.1.Interaction aimant-aimant
II.1.2.Interactions aimant-courant
II.1.3.Interaction courant-courant
II.2. Champ magnétiques créé par un aimant
II.2.1. Notion de pôles
II.2.2. Visualisation du champ magnétique créé par un aimant
II.2.3. Vecteur champ magnétique et ses caractéristiques
II.3. CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE
II.4. CHAMP MAGNETIQUE CREE PAR UNE CHARGE EN MOUVEMENT
II.5.CHAMP CREE PAR UN CIRCUIT ELECTRIQUE
II.5.1.Loi de de Biot et Savart
Énoncé de la loi
Règles mnémotechniques
II.5.2.Champ magnétique crée par un courant rectiligne de longueur infinie
Expression du champ magnétique crée par un courant rectiligne de longueur infinie
Caractéristiques du champ magnétique crée par un courant rectiligne de longueur
II.5.3. Champ créé par un fil à spire circulaire (sur l’axe)
Expression du champ magnétique créé par un fil à spire circulaire
Caractéristiques du champ magnétique crée par un fil à spire circulaire
II.5.4.Champ magnétique créé par un solénoïde infini à N spires (sur l’axe)
Expression du champ magnétique créé par un solénoïde infini à N spires
Représentation et caractéristique du vecteur champ magnétique créé par un
II.6. SUPERPOSITION DE CHAMPS MAGNETIQUES
II.6.1. Superposition de champs magnétiques créés par deux aimants
II.6.2. Superposition des champs magnétiques de deux solénoïdes
II.6.3. Principe des superpositions
III. BOUSSOLE MAGNETIQUE
III.1.Bref historique de la boussole
III.2. Description de la boussole
III.3. Utilisation de la boussole
III.3.1. Boussole et orientation du champ magnétique généré par un aimant
III.3.2. Boussole et orientation de la carte
PARTIE II : MODULE D’APPRENTISSAGE
1 – Langage utilisé pour la conception du didacticiel
2 .1-Préambule
2.2- Section de construction du savoir
3- Aptitudes à développer chez l’apprenant(e)
3 .1-Esprit scientifique
3.2- Réalisation pratique
4- Séquences d’apprentissage
4-1 Préambule
4-1-1.Page d’accueil
4-1-2.Espace élève
4-1-3-Espace professeur
4-2 : Modules d’apprentissage
4-2-1 : Interaction magnétique
a- Interaction aimant-aimant
b- Interaction aimant-courant
c- Interaction courant-courant
4-2-2- Les différentes sourc es de champ magnétique et vecteur champ magnétique
a- Aimant
b- Courant
c- Terre
4-2-3- Etude de la boussole magnétique
4-2-4 Evaluations
a- Assimilation
b- Application directe
c- Approfondissement
ANNEXE
CONCLUSION
