Les forces électromagnétiques

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Tests
Les forces électromagnétiques se manifestent lorsqu'un circuit parcouru par un courant se trouve dans un champ magnétique. Nous allons déterminer de quels paramètres elles dépendent, et comment on les utilise pour faire fonctionner un haut-parleur ou un moteur.
1. La force de Laplace
• Un circuit (ou une portion de circuit) parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique est soumis à une force électromagnétique appelée force de Laplace.
• Dans le cas d'un conducteur rectiligne de longueur \ell parcouru par un courant d'intensité I et placé dans un champ magnétique uniforme {\vec B} formant un angle α avec le conducteur, les caractéristiques de cette force sont :
  • direction : normale au plan formé par le conducteur et le vecteur {\vec B} ;
  • sens : tel que \left( {\overrightarrow i ,\;\overrightarrow B ,\;\overrightarrow F } \right) forme un trièdre direct ;
  • norme : F = B \cdot I \cdot \ell \cdot \sin \alpha (unités : F en N, B en T, I en A, \ell en m).
La force de Laplace est nulle quand le conducteur est parallèle au champ (sin α = 0).
• Le trièdre direct peut être déterminé par la règle des trois doigts de la main droite : en plaçant le pouce dans le sens de {\vec i} (vecteur parallèle au conducteur, orienté dans le sens du courant), l'index dans le sens du champ {\vec B}, alors le majeur donne la direction de la force {\vec F}.
Test n°1Test n°2Test n°3
2. Le haut-parleur électrodynamique
• Un haut-parleur électrodynamique est constitué d'une bobine cylindrique placée dans l'entrefer d'un aimant de même axe et mobile le long de cet axe.
Lorsque la bobine est parcourue par un courant, elle est soumise a une force de Laplace, dirigée selon son axe, dont le sens dépend du sens du courant.
• En imposant un courant alternatif de fréquence f dans la bobine, on provoque un mouvement vibratoire de fréquence f, la bobine se déplaçant le long de son axe en entraînant la membrane, qui met à son tour en mouvement l'air, créant une vibration sonore de fréquence f.
Test n°4
3. Le moteur à courant continu
• Dans un moteur à courant continu, une spire mobile autour d'un axe (rotor) parcourue par un courant est placée à l'intérieur d'un aimant ou électroaimant (stator) créant un champ magnétique uniforme et permanent.
• Les forces de Laplace qui s'exercent sur les deux parties latérales de la spire entraînent sa rotation. Le système de connecteurs et balais permet d'inverser le sens du courant à chaque demi-tour afin que la spire tourne toujours dans le même sens.
• La puissance des moteurs électriques varie de moins de 1 mW (montre) à plusieurs MW (motrice de TGV).
Test n°5
4. Le couplage électromécanique
Les forces de Laplace mises en jeu dans le fonctionnement du haut-parleur électrodynamique et du moteur à courant continu permettent de convertir l'énergie électrique en énergie mécanique.
Ces convertisseurs électromécaniques sont réversibles : un haut-parleur électrodynamique peut fonctionner en microphone, un moteur à courant continu peut fonctionner en génératrice, réalisant alors une conversion d'énergie mécanique en énergie électrique.
On dira donc que ces appareils réalisent un couplage électromécanique.
Test n°6
À retenir
• Un circuit parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique est soumis à une force électromagnétique appelée force de Laplace.
• Dans le cas d'un conducteur rectiligne de longueur \ell parcouru par un courant d'intensité I et placé dans un champ magnétique uniforme {\vec B} formant un angle α avec le conducteur, les caractéristiques de cette force sont :
  • direction : normale au plan formé par le conducteur et le vecteur {\vec B} ;
  • sens : tel que \left( {\overrightarrow i ,\;\overrightarrow B ,\;\overrightarrow F } \right) forme un trièdre direct ;
  • norme : F = B \cdot I \cdot \ell \cdot \sin \alpha (unités : F en N, B en T, I en A, \ell en m).
• Ces forces permettent d'expliquer le fonctionnement des convertisseurs électromécaniques comme le haut-parleur électrodynamique et le moteur à courant continu.
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