Un technicien électricien dispose de deux aimants droits.
Combien de pôles possède chaque aimant ? Comment les nomme-t-on ?
Que se passe-t-il lorsque l'on approche deux pôles Nord l'un de l'autre ?
Que se passe-t-il lorsque l'on approche un pôle Nord et un pôle Sud ?
Cite deux objets du quotidien contenant des aimants permanents.
Chaque aimant possède 2 pôles : un pôle Nord (N) et un pôle Sud (S).
Deux pôles Nord se repoussent.
Un pôle Nord et un pôle Sud s'attirent.
Par exemple : un haut-parleur, un moteur à courant continu, un aimant de réfrigérateur.
SocleExercice 2 — Matériaux et aimants
Un installateur électrique trie des pièces métalliques dans un atelier. Il utilise un aimant pour séparer certains matériaux.
Coche la bonne réponse : parmi les matériaux suivants, lesquels sont attirés par un aimant ?
[ ] Aluminium
[ ] Fer
[ ] Cuivre
[ ] Acier
[ ] Plastique
[ ] Nickel
Sont attirés par un aimant : Fer, Acier, Nickel (matériaux ferromagnétiques).
L'aluminium, le cuivre et le plastique ne sont pas attirés par un aimant.
SocleExercice 3 — Lignes de champ
Le schéma ci-dessous représente un aimant droit avec ses lignes de champ magnétique. Complète les phrases suivantes :
Les lignes de champ sortent du pôle ________ (N / S) de l'aimant.
Les lignes de champ entrent dans le pôle ________ (N / S).
Le champ magnétique est plus intense là où les lignes sont ________ (espacées / resserrées).
L'unité du champ magnétique est le ________ (symbole : ________)
Les lignes de champ sortent du pôle Nord.
Les lignes de champ entrent dans le pôle Sud.
Le champ est plus intense là où les lignes sont resserrées.
L'unité est le tesla (symbole : T).
SocleExercice 4 — Électroaimant
Un technicien chauffagiste utilise un électroaimant pour soulever des pièces en fer. L'électroaimant est constitué d'une bobine traversée par un courant de 2 A.
Qu'est-ce qui crée le champ magnétique dans un électroaimant ?
Quelle est la différence principale entre un aimant permanent et un électroaimant ?
Que se passe-t-il si on augmente le courant dans la bobine de 2 A à 4 A ?
Que se passe-t-il si on coupe le courant ?
C'est le courant électrique circulant dans la bobine qui crée le champ magnétique.
L'aimant permanent crée un champ sans alimentation électrique ; l'électroaimant a besoin d'un courant.
Le champ magnétique double car \(B\) est proportionnel à \(I\).
Le champ magnétique disparaît : la pièce en fer est relâchée.
SocleExercice 5 — Ordres de grandeur
Relie chaque source au champ magnétique correspondant :
Source
Champ \(B\)
Champ magnétique terrestre
1 à 3 T
Aimant de réfrigérateur
10 mT à 100 mT
IRM médical
50 µT
Champ magnétique terrestre → 50 µT
Aimant de réfrigérateur → 10 mT à 100 mT
IRM médical → 1 à 3 T
Niveau Standard
StandardExercice 6 — Règle de la main droite
Une bobine est parcourue par un courant \(I\) circulant dans le sens indiqué sur le schéma. Applique la règle de la main droite pour déterminer :
Le sens du champ magnétique à l'intérieur de la bobine.
Quel côté de la bobine se comporte comme un pôle Nord, et lequel comme un pôle Sud.
Si on inverse le sens du courant, que se passe-t-il pour les pôles ?
On enroule les doigts de la main droite dans le sens du courant : le pouce indique le sens du champ à l'intérieur, qui va de la face Sud vers la face Nord.
La face où le champ sort est le pôle Nord ; la face où le champ entre est le pôle Sud.
En inversant le courant, les pôles s'inversent également.
StandardExercice 7 — Proportionnalité \(B\) et \(I\)
Un électroaimant utilisé dans un système de fermeture automatique de portail crée un champ \(B = 0{,}12\) T quand il est parcouru par un courant \(I = 3\) A.
Calcule le coefficient de proportionnalité \(k\) tel que \(B = k \times I\).
Quelle sera la valeur de \(B\) pour \(I = 5\) A ?
Quelle valeur de courant faut-il pour obtenir \(B = 0{,}20\) T ?
Que se passerait-il si on ajoutait un noyau de fer à la bobine ?
\(I = \dfrac{B}{k} = \dfrac{0{,}20}{0{,}04} = 5\) A
Un noyau en fer (ferromagnétique) amplifie considérablement le champ magnétique ; la relation \(B \propto I\) n'est alors plus strictement linéaire.
StandardExercice 8 — Boussole et champ magnétique
Un technicien en génie électrique place une boussole à différents endroits autour d'un câble parcouru par un courant.
Rappelle la définition du champ magnétique terrestre et son orientation en France.
Comment réagit l'aiguille d'une boussole placée près d'un câble parcouru par un courant intense ?
Un câble est orienté Nord-Sud et parcouru par un courant allant vers le Nord. Décris qualitativement l'orientation du champ magnétique créé par ce câble autour de lui.
Le champ magnétique terrestre est environ \(B_T \approx 50\) µT. En France, il est orienté vers le Nord géographique avec une inclinaison vers le bas.
L'aiguille de la boussole dévie : elle s'oriente dans la résultante du champ terrestre et du champ créé par le câble.
Le champ créé par un fil rectiligne est en cercles concentriques autour du fil. Au-dessus du fil, il est dirigé vers l'Ouest ; en dessous, vers l'Est.
StandardExercice 9 — Système de tri industriel
Un électroaimant utilisé sur une chaîne de tri peut fonctionner en deux modes selon les réglages du courant :
Mode faible : \(I_1 = 1{,}5\) A → \(B_1 = 60\) mT
Mode fort : \(I_2 = 4{,}5\) A → \(B_2\) à déterminer
Vérifie que le champ est proportionnel au courant en calculant \(k = B_1 / I_1\).
Calcule \(B_2\).
En mode fort, quelle est la force exercée sur une pièce en fer, sachant qu'elle est 3 fois plus grande qu'en mode faible ?
L'électroaimant doit dévier des petites plaques d'aluminium. Va-t-il y parvenir ? Justifie.
\(k = \dfrac{60 \times 10^{-3}}{1{,}5} = 0{,}04\) T/A. La proportionnalité est bien vérifiée.
\(B_2 = k \times I_2 = 0{,}04 \times 4{,}5 = 0{,}18\) T = 180 mT
La force en mode fort est \(3 \times F_{\text{faible}}\).
Non. L'aluminium n'est pas ferromagnétique : un aimant n'exerce aucune force sur ce matériau.
StandardExercice 10 — Champ magnétique d'une bobine
Une bobine sans noyau possède 200 spires et est parcourue par un courant \(I = 0{,}5\) A. Le champ mesuré en son centre vaut \(B = 0{,}025\) T.
On double le nombre de spires (à courant égal). Que vaut le nouveau champ \(B'\) ?
On revient à 200 spires mais on double le courant. Que vaut le champ ?
Lors d'une panne, le courant tombe à 0. Décris l'état du champ magnétique.
Propose un moyen d'augmenter \(B\) sans changer le courant.
\(B' = 2 \times 0{,}025 = 0{,}050\) T (le champ est proportionnel au nombre de spires).
\(B = 2 \times 0{,}025 = 0{,}050\) T (proportionnel à \(I\) aussi).
Si \(I = 0\), le champ est nul (contrairement à un aimant permanent).
On peut insérer un noyau de fer doux dans la bobine pour amplifier fortement le champ.
StandardExercice 11 — Applications industrielles
Dans un atelier d'usinage, un technicien en systèmes automatisés identifie plusieurs utilisations du champ magnétique :
Un capteur de position magnétique sur un vérin
Un relais électromagnétique pour commander un circuit de puissance
Un moteur pas à pas piloté par des bobines
Pour chacun, explique brièvement quel est le rôle du champ magnétique.
Capteur magnétique : le champ magnétique d'un aimant fixé sur le piston est détecté par un capteur à effet Hall ; cela renseigne sur la position du vérin.
Relais électromagnétique : un faible courant dans la bobine crée un champ qui attire un contact mécanique et ferme le circuit de puissance.
Moteur pas à pas : les bobines alimentées successivement créent des champs magnétiques tournants qui entraînent le rotor de façon précise.
Le champ terrestre vaut 50 µT et celui d'un IRM vaut 1,5 T. Calcule le rapport \(B_{\text{IRM}} / B_{\text{Terre}}\).
\(5 \times 10^{-4}\) T = 0,5 mT = 500 µT
1,2 T = 1200 mT
350 µT = 3,5 × 10⁻⁴ T
Rapport = \(\dfrac{1{,}5}{50 \times 10^{-6}} = 30\,000\). L'IRM est 30 000 fois plus intense que le champ terrestre.
Niveau Approfondissement
ApprofondissementExercice 13 — Analyse d'un électroaimant industriel
Un électroaimant de levage possède une bobine de 500 spires. Les mesures suivantes ont été réalisées :
\(I\) (A)
\(B\) (mT)
0,5
12,5
1,0
25,0
2,0
50,0
4,0
100,0
Vérifie la proportionnalité entre \(B\) et \(I\). Détermine le coefficient \(k\).
Pour soulever une pièce de 50 kg, on estime qu'il faut \(B = 200\) mT. Calcule le courant nécessaire.
La bobine a une résistance de 4 Ω. Calcule la tension d'alimentation et la puissance électrique consommée pour ce courant.
Justifie pourquoi on préfère un électroaimant à un aimant permanent pour une chaîne de tri automatisée.
Le rapport \(B/I\) est constant : \(k = 25\) mT/A = 0,025 T/A. La proportionnalité est vérifiée.
\(I = \dfrac{B}{k} = \dfrac{0{,}200}{0{,}025} = 8\) A
Tension : \(U = R \times I = 4 \times 8 = 32\) V. Puissance : \(P = U \times I = 32 \times 8 = 256\) W.
L'électroaimant peut être activé ou désactivé électriquement, ce qui permet d'attraper puis de relâcher automatiquement les pièces sur la chaîne.
ApprofondissementExercice 14 — Capteur à effet Hall
Un technicien en systèmes automatisés utilise un capteur à effet Hall pour mesurer un champ magnétique. Ce capteur délivre une tension \(U_H\) proportionnelle au champ : \(U_H = S_H \times B\), où \(S_H = 50\) mV/T est la sensibilité du capteur.
Pour \(B = 0{,}04\) T, calcule \(U_H\).
Un signal de \(U_H = 2\) mV est mesuré. Calcule le champ correspondant.
Le champ terrestre vaut 50 µT. Le capteur peut-il le détecter si sa tension minimale mesurable est 1 µV ?
Cite une application industrielle d'un tel capteur dans un système automatisé.
L'aimant en néodyme donne 1,2 T mais ne peut pas être désactivé. L'électroaimant B donne 1,5 T et peut être piloté électriquement. La solution retenue est l'électroaimant B, malgré un coût énergétique plus élevé.