Un peu d'électromagnétisme

VI- Un peu d'électromagnétisme

1) Force appliquée à un électron en mouvement

Si l'on revient au paragraphe 5 du chapitre II sur les aimants au CP-CE1, on a vu le spectre d'un aimant qui caractérise l'état magnétique du vide au voisinage d'un aimant. Il est naturel de définir un vecteur champ magnétique B qui est tangent aux lignes de champ que l'on voit, d'autant plus intense que les lignes de champ sont resserrées, c'est à dire comme l'expérience le montre, que l'effet magnétique est fort (près de l'aimant et au voisinage des pôles) et par convention, s'échappant du pôle nord et rentrant dans le pôle sud.

Une fois cette définition faite, la video ci-contre à droite, montre la force subie par un électron en mouvement, en fonction du champ magnétique là où est la particule, et de sa vitesse. On peut montrer que l'intensité de cette force est proportionnelle au champ magnétique et proportionnelle à la vitesse.

2) Conséquences de cette loi de force

Les conséquences sont toutes mises en évidence dans l'animation ci-contre à droite. La première conséquence est que si il y a un courant électrique dans un fil, en présence d'un champ magnétique perpendiculaire au fil, c'est à dire si la vitesse des électrons est parallèle au fil, alors les électrons sont soumis à une force perpendiculaire au fil. Mais, comme ils ne peuvent pas s'échapper du fil, ils entraînent le fil avec eux. On a un moteur électrique. Le champ magnétique peut être créé par une bobine plutôt que par un aimant. On découvre que deux bobines parcourues par des courants en sens inverses se repoussent.

Si au contraire, on force la bobine à se diriger vers un aimant, les électrons sont soumis à une force parallèle au fil qui les fait circuler. On a créé un courant électrique par induction. C'est la génératrice. Mais, à cause de la relativité du mouvement, il revient au même d'amener l'aimant vers une bobine fixe. Dans ce cas, la mise en mouvement est effectuée concrètement par l'apparition d'un champ électrique associé à la variation du champ magnétique. On peut remplacer l'aimant qu'on approche par une bobine fixe dans laquelle on augmente le courant. Un courant variable crée donc un courant variable dans une bobine voisine. On constate que les courants sont opposés et donc que les deux bobines se repoussent. Si on approche un aimant d'un supraconducteur, le courant induit dure indéfiniment, avec la répulsion associée. On peut donc faire léviter un aimant sur un supraconducteur (ou l'inverse, voir vidéo ci-contre à droite). Un courant alternatif dans une bobine induit un courant alternatif dans une bobine voisine. Si le nombre de spires est différent, la tension est multipliée par le rapport du nombre de spires entre l'entrée et la sortie. On a un transformateur.
La répulsion des deux bobines permer de réaliser la lévitation d'une bobine sur l'autre (voir vidéo ci-dessous à droite.

Si les deux bobines sont très loin l'une de l'autre, il faut attendre un certain temps avant que le courant oscillant qu'on établit dans la première induise un courant oscillant dans l'autre. En effet, l'influence d'une bobine sur l'autre se propage à la vitesse de la lumière. Plutôt qu'une bobine, on prend l'exemple d'un plan parcouru par une nappe surfacique de courant alternatif. L'influence se propage sous la forme d'une onde électromagnétique plane constituée d'une oscillation en phase en chaque point d'un champ électrique et d'un champ magnétique qui lui est perpendiculaire. Cette onde avance à la vitesse de la lumière (qui est une onde électromagnétique). On considère le courant électrique induit dans un fil rectiligne (bobine de rayon infini). Concrètement, le champ électrique met en mouvement les électrons. La force que leur applique alors le champ magnétique assure la répulsion. Là, on a pris un fil avec une résistance électrique (frottement visqueux appliqué aux électrons), ce qui fait que le mouvement des électrons est en opposition de phase avec le champ électrique qui les met en mouvement. Par contre, le champ électrique de l'onde émise est en phase avec la vitesse des électrons du plan émetteur, ce qui fait qu'il les ralentit. Ainsi quel que soit le procédé employé pour mettre en mouvement les électrons, l'émission de l'onde provoque une résistance à ce mouvement. C'est la résistance de rayonnement qui fait que les électrons de l'antenne émettrice perdent bien l'énergie qui part par l'onde.

Un objet chaud émet ainsi un rayonnement d'autant plus intense qu'il est chaud, et d'une longueur d'onde d'autant plus petite qu'il est chaud (vidéo ci-dessous). Suite : le magnétisme des étoiles