Exercice n°4

On réalise une expérience afin d’étudier la force de Laplace. Une bobine de fil est placée dans un champ magnétique, généré par un aimant de manière à ce que seule sa portion supérieure soit dans ce champ magnétique. Elle est posée sur une balance de précision dont on a fait la tare. La balance indique donc m=0 g en début d’expérience.

On admettra que la valeur de l’intensité de la force exercée par la balance sur le système, ou réaction, notée, est R = m.g. avec m étant la masse indiquée par la balance.

La bobine comporte 50 tours de fils.

Elle est carrée et fait 5 cm d’arête.

 

A l’aide d’un générateur et d’un rhéostat, on fait varier l’intensité électrique qui circule dans la bobine, cette dernière est mesurée à l’aide d’un ampèremètre.

1.  Faire un schéma du circuit électrique employé dans cette expérience.

2.  On prend comme système mécanique l’ensemble, support + bobine. Représenter et nommer les forces qui s’appliquent sur ce système. Vérifier la direction et le sens de la force de Laplace (notée  pour Force de Laplace totale : celle exercée par la totalité des 50 fils).

3.  Pourquoi a-t-on fait la tare en début d’expérience ? Quelle relation peut-on établir, une fois la tare faite, entre R et FT (FT : intensité de la force de Laplace exercée sur la totalité des 50 portions de fil). En conclure une écriture de FT en fonction de m.

On a effectué les mesures suivantes :

I (A)

0.5

1.0

1.2

1.5

2.0

m (g)

2.5

5.0

6.0

7.5

10

FT (N)

 

 

 

 

 

F1 (N)

 

 

 

 

 

4.  La force de Laplace est une force de quel type ?

5.  Compléter le tableau en déterminant les valeurs de FT puis de F1 qui représente la force de Laplace exercée sur un seul fil.

6.  Tracer la courbe F1 = f(I). Déterminer l’équation de cette courbe.

7.  Quel type de relation relie F et I ?

8.  Quelle est la valeur de l’angle a ? préciser entre quels vecteurs il est pris.

9.  A l’aide de l’équation établie à la question 6, déterminer la valeur de l’intensité du champ magnétique, B.

Corrigé

1.  Schéma électrique :

2.   Les forces qui s’exercent sur le système sont : son poids, , la force de Laplace, , et la réaction du support,   (force exercée par la balance sur le système). On obtient le sens de la force de Laplace à l’aide de la règle des trois doigts.

3.  On a fait la tare afin que la balance ne tienne pas compte de la masse du système, par ce biais la balance ne réagit qu’à la force de Laplace et on peut en conclure que R = FT. Remarque, du point de vue mécanique, R ne représente qu’une portion de la force exercée par la balance sur le système, celle qui compense FT.

On en déduit que FT = m.g, m étant la masse indiquée par la balance.

4.  La force de Laplace est une force électromagnétique.

5.  Tableau : La masse doit être exprimée en Kg puisque g = 10 N.kg-1. On déduit que pour 1 fil la force est 50 fois plus faible donc F1 =  .

I (A)

0.5

1.0

1.2

1.5

2.0

m (g)

2.5

5.0

6.0

7.5

10

FT (N)

2.5 10-2

5.0 10-2

6.0 10-2

7.5 10-2

1.0 10-1

F1 (N)

5.0 10-4

1.0 10-3

1.2 10-3

1.5 10-3

2.0 10-3

6.  On obtient la droite suivante :

Il s’agit d’une droite passant par 0 d’équation y = ax soit ici F = a.I.

Le coefficient directeur est  a =  = 1.0 10-3 N.A-1.

7.   On en déduit que F est proportionnelle à I.

8.  L’angle a se situe entre les vecteurs  il est donc égal à 90°.  est dans le plan du schéma puisqu’il est dans l’axe du fil alors que  est perpendiculaire au plan du schéma.

9.  On a F = I.l.B.sin a et d’après la question 6, F = 0.001 I donc l.B.sin a = 0.001 soit B =  =  = 2.0 10-1 T.