L’électromagnétisme et les ondes électromagnétiques

Champ magnétique d’un courant électrique

• Charges électriques en mouvement créent un champ magnétique entourant ces dernières.
• Oersted – le premier à en faire la découverte en trouvant que l’aiguille d’une boussole était déviée de son orientation naturelle par un courant électrique dans un fil.
• Symbole utilisé pour le champ magnétique : B
• Voir diagrammes à la page suivante pour l’orientation du champ magnétique :
a) autour d’un long fil rectiligne;
b) autour d’une spire ou d’un solénoïde.

• Relation entre le sens du champ et le sens du courant dans un conducteur est donnée par la règle de la main droite 
a) Pour un long fil rectiligne, si on saisit le conducteur de la main gauche (droite) de sorte que le pouce indique le sens du courant électronique (conventionnel), les doigts enroulés autour du fil seront orientés dans le sens du champ.
b) Pour une spire ou un solénoïde, si on le saisit de la main gauche (droite) avec les doigts enroulés dans la direction du courant électronique (conventionnel), le pouce donnera la direction du champ magnétique à l’intérieur de la boucle.

• Applications : Électroaimants utilisés 
a) pour soulever des matériaux ferromagnétiques lourds;
b) dans une sonnette électrique;
c) dans un disjoncteur.

Vérification de la nature vectorielle du champ magnétique

Nommer :
BT – champ magnétique terrestre et
BI – champ magnétique induit par courant électrique circulant dans boucle de fil électrique.
a) Hypothèse 1 :
Si un courant traversant une boucle de fil est ajusté pour que le champ magnétique induit (BI) ait la même grandeur que le champ magnétique terrestre (BT) et que ces deux champs magnétiques terrestres sont placés perpendiculaires l’un à l’autre, la résultante BR devrait être à 45° de chacun si BI et BT sont des grandeurs vectorielles.

Manipulations
Pour obtenir la grandeur de BI = la grandeur de BT :
(i) Avec I dans la boucle = 0, placer l’axe de la boucle parallèle à la direction N-S de l’aiguille aimantée de la boussole.
(ii) Choisir le sens du courant dans la boucle de telle sorte que BI est opposé à BT.
(iii) Augmenter I jusqu’à ce que l’aiguille oscille librement (BI = -BT).
Pour vérifier que BI et BT s’additionnent vectoriellement, placer l’axe perpendiculaire à la direction de l’aiguille aimantée utilisant le même I que dans (iii) ci-dessus.
Résultat : Le même que prévu.
Conclusion : Les champs magnétiques s’additionnent vectoriellement.
b) Hypothèse 2 :
Si on double l’intensité du courant dans la boucle, on devrait doubler la grandeur du champ magnétique induit (BI) et l’aiguille de l’aimant devrait maintenant se trouver à 63° de la direction N-S (BT). Voir calcul ci-dessous.

Exercice 

1. Un champ magnétique horizontal uniforme B est dirigé vers l’est et est, de plus, perpendiculaire à la composante horizontale B_T du champ magnétique terrestre.
2. a) Si le rapport B/B_T est égale à √3 dans quelle direction une aiguille aimantée placée dans le champ s’orientera-t-elle?
3. b) Si l’aiguille aimantée s’oriente vers le nord-est, quelle est alors la grandeur de B?
4. Deux spires circulaires identiques parcourues par des courants égaux ont un centre commun et sont perpendiculaires l’une à l’autre. Comment la grandeur du champ résultant qu’elles créent se compare-t-elle à la grandeur du champ crée par une seule d’entre elles

Force exercée par un champ magnétique sur un courant – principe du moteur

Le champ magnétique peut servir d’intermédiaire pour la transformation de l’énergie électrique dans un fil électrique en énergie mécanique tant que ce dernier soit à un angle et préférablement perpendiculaire au champ magnétique. Voici les caractéristiques décrivant la force exercée par un champ magnétique sur un courant électrique :

1. La force (F_B) est perpendiculaire, à la fois, au champ magnétique (B) et au courant (I). Tu peux utiliser ce qu’on appelle la 2^e règle de la main gauche (pour courant électronique) ou de la main droite (pour courant conventionnel) pour figurer l’orientation de F_B étant donné l’orientation de B et I si tu laisses :
   1. le pouce représenté l’orientation de I,
   2. les doigts représentés l’orientation du champ magnétique externe, et
   3. la paume de la main représentée la force exercée sur le courant.
2. F α B_┴, la grandeur de la composante de B _┴  à la force et au courant;
3. F α I, l’intensité du courant dans le fil;
4. F α l, la longueur du fil traversé par le champ magnétique.

Combinant les relations b, c et d, on obtient :

F α B_┴Il

et donc       F = kB_┴Il    où la constante ne dépend que du choix des unités. Puisque les unités de B n’étaient pas encore connues quand cette relation fut découverte, on choisit une unité de B de telle sorte que la constante, k, = 1 pour simplifier l’équation ci-dessus. Alors,

                   F = B_┴Il

Et               B_┴ = F/ Il

Ce qui donne des unités de N/A·m pour B. Comme pour bien d’autres combinaisons d’unités déjà rencontrées en physique, on propose le tesla (T) pour remplacer N/A·m. Le tesla est tout simplement le champ magnétique qui exerce une force de 1 N sur un courant de 1 A circulant perpendiculairement au champ sur une distance de 1 m.