TP champ magnétique - Académie d'Orléans-Tours
Mots clés de recherche : champs, champ scalaire, vectoriel, lignes de champ,
pôles, aimant, aiguille aimantée, champ magnétique, champ magnétique
terrestre, ...
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Fiche professeur
THEME du programme : Comprendre Sous-thème : Champs et forces
Le champ magnétique
Type dactivité : - Une activité documentaire et expérimentale (découverte), suivie dune activité expérimentale (type « TP tournants »)
Conditions de mise en uvre :
activité de découverte des champs : durée denviron 1h. Prévoir un vidéoprojecteur, des aimants, de grandes boussoles.
activité expérimentale : TP « tournant » comportant 5 postes denviron 15 minutes, dont 1 poste équipé dun ordinateur connecté à internet, et 1 poste équipé dun ordinateur pouvant lire un diaporama (diapositives en annexe). Prévoir chaque poste en double exemplaire.
Pré- requis : - Interaction gravitationnelle (seconde) pour la première activité
NOTIONS ET CONTENUSCOMPETENCES ATTENDUESExemples de champs scalaires et vectoriels : pression, température, vitesse dans un fluide.
Champ magnétique : sources de champ magnétique (Terre, aimant, courant).Recueillir et exploiter des informations (météorologie, téléphone portable, etc.) sur un phénomène pour avoir une première approche de la notion de champ.
Décrire le champ associé à des propriétés physiques qui se manifestent en un point de lespace. Pratiquer une démarche expérimentale pour cartographier un champ magnétique
Comprendre comment la notion de champ a émergé historiquement dobservations expérimentales..
Connaître les caractéristiques :
- des lignes de champ vectoriel ;
- du champ magnétique terrestre ;
Compétences transversales : (préambule du programme et socle commun)
mobiliser ses connaissances
rechercher, extraire, organiser des informations utiles
raisonner, argumenter, démontrer
formuler des hypothèses
raisonner, argumenter, démontrer
Mots clés de recherche : champs, champ scalaire, vectoriel, lignes de champ, pôles, aimant, aiguille aimantée, champ magnétique, champ magnétique terrestre, interaction gravitationnelle
Provenance : Académie dOrléans-Tours
Adresse du site académique : HYPERLINK "http://physique.ac-orleans-tours.fr/php5/site/" http://physique.ac-orleans-tours.fr/php5/site/
Activité 1 : Découverte de la notion de champ magnétique
Le feu de camp !
Il s'agit ici d'un champ thermique mais tout se passe de la même façon pour les champs de pression, de vitesse dans un fluide, pour les champs électrique, magnétique, gravitationnel. Un champ est une propriété de lespace, cest-à-dire une grandeur physique définie en tout point dune région de lespace.
Sa présence modifie les propriétés de lespace qui lentoure et l'intensité du champ est grande à proximité de la source et diminue rapidement lorsqu'on s'en écarte.
( Document n°1 : mise en évidence dun champ
« En 1861 Maxwell créa le concept fondamental du "champ". Un champ, disait-il, crée une toile à travers tout le ciel. Son effet peut être gravitationnel lorsque cette force est liée à la Terre, électrique autour d'une charge ou magnétique autour d'un courant électrique ou dun aimant.
Ces champs évoluent dans le temps et sont à lorigine de lexistence des ondes. En dehors des champs, il ny a pas de force. C'est la raison pour laquelle en dehors du champ électromagnétique d'une station de radiodiffusion, on ne capte plus du tout ses émissions.
Maxwell donne une fonction à l'espace. Comme le disait Einstein, "Cette théorie était fascinante. Désormais, à l'idée classique de force qui fait jouer un rôle muet à l'espace, le concept de champ consiste en un processus dans lequel les corps en interaction baignent dans l'espace. Cet espace a la propriété d'interagir avec les corps".
Le champ sert à retrouver les forces qui agissent sur une particule. »
Extraits du livre : Un siècle de Physique: 1 - La Physique Quantique de Thierry Lombry
Questions concernant le texte :
1°- Daprès le texte, un champ se manifeste par ses effets. Proposer une expérience permettant de montrer lexistence dun champ magnétique créé par un aimant. Proposer une deuxième expérience permettant de montrer que la valeur du champ est grande à proximité de la source et diminue lorsqu'on s'en écarte.
2°- Daprès le texte : les corps en interaction baignent dans l'espace et cet espace a la propriété d'interagir avec les corps.
La pomme se décroche de larbre.
a- pourquoi tombe-t-elle ?
b- quels sont les corps qui interagissent ?
c- donner lexpression de la force dinteraction en indiquant le nom des grandeurs intervenant dans cette expression.
Schématiser la situation.
La pomme est soumise à un champ de gravitation généré par la Terre dont la manifestation est la force dinteraction gravitationnelle.
Jusquici, à la surface de la Terre, vous lavez rencontré sous un autre nom, lequel ?
3°- « Un champ crée une toile à travers tout le ciel ». Comment imaginez-vous cette toile en ce qui concerne le champ gravitationnel ?
( Document n°2 : Représentations dun champ, dun champ scalaire et dun champ vectoriel
On distingue les champs scalaires et les champs vectoriels par leurs représentations :
(La représentation dun champ scalaire se fait par des courbes de niveaux, elles indiquent le lieu de points où le champ a la même valeur. Il est également possible de représenter des points de taille proportionnelle à la valeur du champ.
(Le champ vectoriel est orienté ! On le modélise alors par un vecteur de longueur proportionnelle à sa valeur. On peut dessiner des lignes de champ : courbes tangentes en chacun de leurs points au vecteur champ et elles sont orientées par le sens du champ.
Classer les images proposées ci-dessous en « champ scalaire » et « champ vectoriel »
Associer un nom de champ aux images de 1 à 10 : champ de population, de pression atmosphérique, daltitude, électrique, vectoriel tournant, de température, de pression de contrainte, gravitationnel, magnétique.
Dessiner une ligne de champ sur la figure n°9.
( Document n°3 : Laiguille aimantée : détecteur de champ magnétique
Des aiguilles aimantées ont été disposées un peu partout dans la salle de classe:
1- Que constatez-vous ?
Ecartez légèrement les aiguilles de leur position déquilibre puis lâchez.
Observez leur comportement.
2- Le pôle nord des aiguilles aimantées est repéré par une couleur. Vers où pointe le pôle nord des aiguilles ?
Schématisez la situation sur le plan de classe.
3- Approchez un aimant de laiguille aimantée la plus proche de vous. Que se passe-t-il ?
4- Les aiguilles aimantées détectent les champs magnétiques. Quel champ magnétique est mis en évidence lorsquil ny a pas daimant ?
Et quand il y a un aimant ?
( Document n°4 : Testez votre force
Prenez deux aimants droits.
Approchez un pôle sud et un pôle nord. Que constatez-vous ?
Approchez deux pôles sud ou deux pôles nord. Que constatez-vous ?
Conclure.
Reproduire la même expérience avec les deux petits aimants néodyme ( (en respectant les consignes de sécurité) . Quen est-il de lintensité du champ créé par un tel aimant par rapport à celle dun aimant droit ?
( Document n°5 : Le champ magnétique terrestre
Voici des représentations du champ magnétique terrestre que lon rencontre fréquemment.
« Le champ magnétique terrestre (ou champ géomagnétique) ressemble à celui produit par un aimant droit (un barreau aimanté).
À cause de la présence, à chaque bout de l'aimant, de deux pôles où l'intensité du champ magnétique est maximale, on dit de ce champ qu'il est dipolaire. On visualise souvent le champ magnétique sous la forme de lignes - les lignes de force - qui jaillissent d'un bout de l'aimant, le pôle Nord, s'infléchissent dans l'espace pour pénétrer à l'autre extrémité de l'aimant, au pôle Sud. »
Extrait dun rapport de la commission géologique du Canada traitant du géomagnétisme terrestre.
Champ magnétique créé par un aimant droit :
1- En vous rappelant le comportement dune aiguille aimantée en présence dun champ magnétique, commenter lanalogie Terre-aimant droit.
2- Observez-vous des incohérences, dans le texte ? Entre les deux représentations proposées ? Si besoin rectifiez les termes employés.
3- Allons plus loin :
Plaçons une aiguille aimantée (montée sur un pivot fin) loin de toutes autres sources de champ. Elle nest sensible quau champ magnétique terrestre. Regardez-la attentivement. Elle semble « piquer » vers le sol.
Pourquoi daprès vous ?
4- En 2007, lhypothèse que le champ magnétique terrestre est engendré par « effet dynamo », cest-à-dire par les mouvements dun fluide conducteur de lélectricité, a été confirmée expérimentalement par une équipe de chercheurs du CNRS, du CEA et des ENS. Leffet dynamo consiste en lauto- engendrement dun champ magnétique par un corps conducteur se déplaçant dans un champ magnétique initial faible (et même nul !). Cette confirmation explique la génération de champs magnétiques par les corps célestes. Elle explique également le phénomène de linversion des pôles magnétiques terrestres étudié dans le paléomagnétisme.
Questions :
( De quel fluide conducteur sagit-il ? Lanalogie avec laimant droit est-elle la plus adéquate pour décrire ce qui se passe ? Que proposez-vous ?
( Les pôles magnétiques « dérivent » et ils se sont même inversés plusieurs fois au cours des âges.
Pourriez-vous proposer une explication ?
Activité 2 : Vers la description du champ magnétique
Poste n°1 : Les lignes de champ magnétique
Objectifs : Matérialiser des lignes de champ magnétique, obtenir le spectre magnétique
Matériel :
Un aimant droit
Un aimant en U
Un solénoïde sur un support de plexiglas avec son alimentation.
Limaille de fer
2 plaques de verre
La limaille de fer :
En présence dun champ magnétique, les grains de la limaille de fer se comportent comme de très petits aimants.
Saupoudrons
Placez une plaque de verre sur laimant droit. Saupoudrez légèrement la plaque de limaille de fer autour de laimant et tapotez la plaque jusquà ce que des lignes se dessinent.
Procédez de façon identique pour laimant en U mais privilégiez le saupoudrage de la limaille de fer dans lentrefer de laimant.
Concernant le solénoïde (bobine), saupoudrez très légèrement la plaque de plexiglas à lintérieur du solénoïde puis mettez en marche le générateur qui alimente le circuit électrique. Tapotez la plaque jusquà ce que des lignes se dessinent.
Appelez le professeur pour lui montrer vos spectres magnétiques.
Vous devez maintenant renseigner la fiche de réponses.
Lorsque votre travail est terminé, éteignez le générateur, récupérez la limaille de fer. Le poste doit se trouver dans son état dorigine.
Poste n°2 : Le vecteur champ magnétique B
Objectifs : Orienter les lignes de champ, tracer le vecteur champ magnétique
Matériel :
Un aimant droit - spectre magnétique réalisé
Un aimant en U - spectre magnétique réalisé
Un solénoïde sur un support de plexiglas avec son alimentation spectre réalisé
Limaille de fer
Trois grandes aiguilles aimantées sur pivot et trois petites (une pince est prévue pour les manipuler)
Remarque :
Ce poste doit être réalisé après le poste 1. Les schémas du poste 1 consignés sur la fiche de réponses seront complétés.
Les spectres:
Veillez à ce que les spectres soient de bonne qualité avant de commencer les manipulations. Les rectifier le cas échéant.
Les aiguilles aimantées :
Une aiguille aimantée mobile autour dun axe fixe placée dans un champ magnétique subit laction de ce champ magnétique et prend une direction particulière ainsi quun sens particulier.
En un point M, le vecteur champ magnétique EMBED Equation.3 a : pour direction la droite sud-nord de laiguille aimantée et pour sens du sud vers le nord : sud ( nord.
Et maintenant, à vous de jouer
Vous disposez de trois grandes aiguilles aimantées et trois petites.
Placez ces aiguilles sur des lignes de champ des différents dispositifs mis à votre disposition (les petites aiguilles sont à utiliser avec le solénoïde).
( Un dispositif après lautre et noubliez pas de mettre en marche lalimentation du solénoïde !
Observez dans chaque cas ce qui se passe et répondez aux questions de la fiche de réponses.
Lorsque votre travail est terminé, refaire les spectres magnétiques : le poste doit se trouver dans son état dorigine. Noubliez pas déteindre le générateur.
Poste n°3 : Des créateurs de champ magnétique
Objectifs : Comprendre lorigine microscopique dun champ magnétique, voir deux dispositifs créateurs de champ magnétique
Matériel :
Film ou diaporama : « La matière et le magnétisme » (voir annexe)
Expérience dOersted (générateur, spire carré sur plaquette en plexiglas, une aiguille aimantée sur pivot)
Zoom dans la matière
Lancez la présentation : « La matière et le magnétisme »
Une expérience historique.
En avril 1820, le physicien danois Hans Christian Oersted, plaça une boussole (aiguille aimantée) à proximité dun fil parcouru par un courant.
Et maintenant, à vous
Placez laiguille aimantée sous le fil. Observez son orientation.
Mettez en marche le générateur.
Observez le comportement de laiguille.
Vous devez maintenant renseigner la fiche de réponses.
Complétons lexpérience
Le générateur étant éteint, inversez les fils de connexion aux bornes du générateur de façon à faire circuler un courant en sens inverse de lexpérience précédente. Mettez en marche le générateur et observez lorientation de laiguille.
Lorsque votre travail est terminé, le poste doit se trouver dans son état dorigine. Noubliez pas déteindre le générateur.
Poste n°4 : Comment obtenir un champ magnétique plus intense ?
Objectifs : Lien entre la valeur du champ magnétique et lintensité I
Matériel :
Une bobine plate sur un support de plexiglas avec son alimentation
Un teslamètre avec la sonde de hall sur un support (+ notice)
Une aiguille aimantée sur pivot
Courant I et champ magnétique B
Un fil parcouru par un courant dintensité I crée autour de lui un champ magnétique B.
Le dispositif dont vous disposez est le suivant :
Le teslamètre à sonde de Hall :
On place le bout de la sonde au point où lon désire connaître la valeur du champ magnétique.
Cette valeur est notée B.
Expérience
Vous devez, ici, réfléchir à la façon de montrer que :
La valeur de B dépend de la valeur de lintensité I
La valeur de B dépend de la distance au circuit
Appelez le professeur pour lui montrer vos expériences.
Vous devez maintenant renseigner la fiche de réponses.
Lorsque votre travail est terminé, le poste doit se trouver dans son état dorigine. Noubliez pas de replacer le potentiomètre du générateur dans sa position initiale et déteindre le générateur.
Poste n°5 : Quelques propriétés du magnétisme
Objectifs : Visualiser et mettre en évidence quelques phénomènes magnétiques
Matériel :
Montage mise en évidence de la température de Curie.
Fiole avec le ferrofluide (+ fiche sécurité aimants néodyme)
Kit lévitation
Aimant tournant devant une bobine + oscilloscope ou bobine, aimant et galvanomètre ; montage bobine alimentée + teslamètre avec sonde de Hall (+notice)
Je taimante
moi non plus !
Le ferromagnétisme est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique extérieur (et pour certains de garder une aimantation même après la disparition du champ extérieur). Le fer et ses oxydes sont des matériaux ferromagnétiques. Tout matériau ferromagnétique aimanté est caractérisé par un certain ordre des « petits aimants atomiques ». La température de Curie (de Pierre Curie, prix Nobel de physique) est la température au dessus de laquelle les matériaux ferromagnétiques perdent leur aimantation. En effet, chauffer cest perturber lordre et la matière se retrouve alors dans un état désordonné dit paramagnétique. Cet effet de température est réversible.
Et maintenant, à vous
Vous devez, ici, réfléchir à la façon de montrer ce phénomène.
Appelez le professeur pour lui montrer votre expérience.
Lévitation magnétique:
On pense souvent que les aimants ne savent qu'attirer les objets. C'est vrai pour les matériaux ferromagnétiques, comme le fer, le nickel ou le cobalt. Mais d'autres sont diamagnétiques, et peuvent être repoussés par les aimants. Plus précisément, ils ont tendance à fuir vers les zones où le champ magnétique est le plus faible.
Dans le cas de la supraconductivité, le matériau, à très basse température, devient alors parfaitement diamagnétique.
HYPERLINK "http://www.dailymotion.com/video/x9mklb_levitation-magnetique_tech" http://www.dailymotion.com/video/x9mklb_levitation-magnetique_tech
Poste n°5 : Quelques propriétés du magnétisme- suite
Un fluide magnétique
Les ferrofluides sont des solutions colloïdales de nanoparticules ferromagnétiques dune taille de l'ordre de 10 nanomètres dans un solvant ou de l'eau. Ces liquides deviennent magnétiques lors de l'application d'un champ magnétique extérieur et si le champ magnétique est suffisamment intense, le fluide se hérisse de pointes peu rigides dont la topologie varie selon les paramètres du champ.
Et maintenant, à vous de jouer
avec délicatesse et attention aux consignes de sécurité !
1- Placez laimant dans lemplacement prévu de la plaque de polystyrène. Placez le récipient scellé contenant le ferrofluide au dessus de laimant et observez.
2- Promenez laimant autour du tube scellé contenant le ferrofluide et observez
Couplage électromagnétique
Un fil parcouru par un courant crée un champ magnétique :
Mettez en marche le générateur, placez la sonde dans la bobine. Un champ magnétique est créé.
Un champ magnétique variable crée un courant :
Faites tourner laimant. Une tension électrique (et par conséquent un courant électrique si le circuit est fermé) est créé dans la bobine : principe de la dynamo.
Lorsque votre travail est terminé, le poste doit se trouver dans son état dorigine. Noubliez pas déteindre le générateur.
Fiche de réponses : TP champ magnétique
Objectifs :
Matérialiser des lignes de champ magnétique, obtenir un spectre magnétique, tracer le vecteur EMBED Equation.3
Comprendre lorigine microscopique dun champ magnétique
Etudier des dispositifs créateurs de champ magnétique
Visualiser quelques phénomènes magnétiques
Poste n°1 : Les lignes de champ magnétique
Spectres magnétiques : Complétez les dessins ci-dessous en indiquant les pôles des aimants, le sens de I et les lignes de champ.
Lorsque les lignes de champ se resserrent le champ magnétique est plus intense. Dans laimant en U, où le champ magnétique est-il le plus intense ?
Lorsque les lignes de champ sont parallèles, le champ magnétique est uniforme. Quel(s) dispositif(s) permet(tent) dobtenir un champ magnétique uniforme. Situez le lieu du dispositif où cela se produit.
Poste n°2 : le vecteur champ magnétique EMBED Equation.3
Dessinez schématiquement les aiguilles aimantées que vous avez placées lors de lexpérience sur les schémas du poste 1.
Faites apparaître en couleur les lignes de champ concernées.
Tracez les vecteurs champ magnétique.
Les lignes de champ et les vecteurs champ magnétique sont dans une disposition particulière. Laquelle ?
.
Les lignes de champ sont orientés dans le même sens que EMBED Equation.3 . Placez des flèches montrant leur orientation.
Les lignes de champ sortent dun pôle de laimant pour entrer dans lautre. Faîtes une phrase complète en indiquant clairement les pôles.
En ce qui concerne le solénoïde, on parle de faces nord et sud. Indiquez sur le schéma les faces du solénoïde.
Poste n°3 : Des créateurs de champ magnétique
Zoom dans la matière
Le phosphore est le 15ème élément. Donnez sa configuration électronique. Possède-t-il un moment magnétique atomique ?
Si lon casse un aimant droit en deux, on obtient 2 nouveaux aimants. Pouvez-vous lexpliquer ?
.
Lorsque lon aimante un objet (clou, aiguille, trombone), il garde parfois une légère aimantation. Proposez une explication.
..
Une expérience historique
Lorsque lon met en marche le générateur, que fait laiguille aimantée ? Au final garde-t-elle son orientation initiale ?
Que détecte laiguille aimantée ?
.
Qui crée ce que détecte laiguille ?
.
Complément de lexpérience : sens de I inversé.
Quavez vous observé ?
Interprétez vos observations lorsque vous avez inversé le sens de lintensité du courant dans le fil :
..
Poste n°4: Comment obtenir un champ magnétique plus
intense ?
Résultats des expériences :
Décrire brièvement les expériences 1) et 2) que vous avez mené :
..
Quelles sont vos conclusions ?
..
Nous voudrions établir que la valeur du champ magnétique B crée au centre de la bobine est proportionnel à lintensité I du courant. Proposer un mode opératoire.
......................................................................
Annexe : Diapositives du diaporama : « matière et magnétisme »
PAGE \* MERGEFORMAT11
EMBED MSPhotoEd.3
Je ressens une sorte de chaleur bien que je ne puisse la voir
Bizarre :
Quelle est la source de cette chaleur ?
Qui de mes deux compagnons perçoit le plus de chaleur ?
Est-ce que cette modification des propriétés de température dans lespace dépend de notre présence autour du feu ?
EMBED PBrush
1
8
6
2
5
3
4
9
10
11
7
EMBED MSPhotoEd.3
12
EMBED MSPhotoEd.3
n
s
B
M
s
n
générateur
I
I
P : potentiomètre
I
générateur
I
p
0,50
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Sonde
Affichage de la valeur du champ magnétique
Coupelle en céramique protégeant laimant droit.
Placez délicatement le morceau de graphite pyrolitique au-dessus des 4 aimants
EMBED MSPhotoEd.3
EMBED PSP7.Image
EMBED PSP7.Image
bobine
générateur
I
p
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sonde
affichage de la valeur du champ magnétique
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