Electrodynamique01

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Sujets traités dans cette page	Lien local
Que recouvre l'électrodynamique ?
Mise en évidence expérimentale de l'interaction entre courants.
Exploitations pratiques du phénomène

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Produit vectoriel
Bases vectorielles directes
Forces
Electrostatique

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ACTUELLEMENT
EN
RECONSTRUCTION

Pas celle-ci !
Les suivantes !

Sens conventionnel du courant
Les charges en mouvement qui constituent le courant électrique
peuvent être positives ( p. ex. certains ions - les cations - dans les électrolytes)
ou négatives (p. ex. les électrons dans les métaux conducteurs).

Or, l'expérience montre, qu'un courant de charges positives se déplaçant dans un sens,
a les mêmes effets, en électrocinétique ou en électrodynamique,
qu'un courant de la même quantité de charges négatives (même intensité)
se déplaçant en sens inverse.

On nomme "sens conventionnel"
le sens d'un courant supposé constitué de charges positives.

Si les charges en mouvement sont positives (rarement)
le sens réel du courant coïncide avec le sens conventionnel.
Si les charges en mouvement sont négatives (cas des conducteurs métalliques : le plus fréquent)
le sens réel du courant se trouve être l'opposé du sens conventionnel.

Dans les schémas, les flèches d'orientation des courants
sont supposées orientées dans le sens conventionnel.

Le symbole i (ou I, ou autre...) près de la flèche représente :

un nombre positif si le sens conventionnel du courant est celui de la flèche
un nombre négatif si le sens conventionnel du courant esi l'inverse de celui de la flèche

Exemple, dans le schéma :

Si toutes les intensités I sont positives et les conducteurs sont métalliques
les électrons s'y déplacent en sens inverse des flèches d'orientation.

Aimants permanents
Il s'agit, soit de roches naturellement aimantées,
soit de matériaux artificiellement aimantés,
certaines céramiques par exemple,
qui attirent des objets ferreux.

L'usage actuel le plus populaire : ces pièces rondes multicolores
qui permettent de maintenir "collés" sur un tableau métallique,
p.ex. un réfrigérateur, des papiers mis ainsi en évidence
et qui peuvent être facilement retirés.

De nombreux autres usages industriels sont moins célèbres.

On les appelle "aimants permanents" par opposition aux "électro-aimants"
Les seconds, comprenant une ou des bobines de fils conducteurs,
cessent d'être aimantés dès que ces bobines ne sont plus alimentées en courant.

Rappels et averstissement

La quantité de charge électrique se mesure en Coulomb.
Symbole de l'unité : C

Les charges électriques peuvent être de deux sortes,
positives ou négatives.

Indépendamment de tout mouvement,
les forces dites "électrostatiques" font qu'elles se :

Repoussent si elles sont de même signe.
S'attirent si elles sont de signes contraires.

Voir cours électrostatique ici :

Mais les forces entre charges
dont nous allons parler ici en électrodynamique
sont d'une nature totalement différente.
Ces nouvelles forces sont dûes au mouvement relatif des charges,
et s'annullent si ce mouvement relatif est nul.
Elles viennent s'ajouter aux forces électrostatiques.

On cite souvent le Mont Magnétos ("Grande Montagne"), situé en Grèce,
comme étant à l'origine du nom donné au "magnétisme".
Dans l'Antiquité, on y extrayait du fer à l'état de divers oxydes
dont ce que nous nommons ajourd'hui l'oxyde dit "magnétique" O₄Fe₃
On remarqua que des morceaux de cet oxyde s'attiraient ou se repoussaient mutuellement
suivant les positions sous lesquelles on les présentait les uns aux autres.

Bref, on dirait aujourd'hui que c'étaient des aimants.
En électricité, l'étude des interactions entre aimants se nomme "Magnétisme".

Ce qui est aujourd'hui une banalité, fut perçu pendant longtemps
comme un phénomène mystérieux relevant de la magie.
Imaginez de quelles manières on pouvait exploiter une telle action à distance
en l'amplifiant : saisir ou être saisi à distance de manière invisible... brrr...
On parle encore aujourd'hui de "magnétisme" pour qualifier
certaines pratiques inexpliquées...qui n'ont en fait rien à voir avec les aimants.
N'ayez crainte, nous allons "désocculter" le magnétisme !

Le magnétisme se rattache à l'électrodynamique par le fait de la forte ressemblance
entre les interactions entre aimants et celles entre aimants et courants électriques,
ou celles de conducteurs parcourrus par des courants électriques entre-eux.
Ce que mit en évidence André-Marie Ampère au début du 19° siècle.
Il eut même l'intuition, avec Auguste de la Rive, que les aimants eux-mêmes
étaient constitués de courants internes.
La physique atomique a confirmé au XX° siècle que que le magnétisme des aimants
est essentiellement dû aux orbites électroniques, assimilables à des courants,
des atomes du matériau qui les constituent lorsqu'elles sont orientées dans le même sens.

La quantité de charge électrique se mesure en Coulomb. Symbole de l'unité : C

Les charges électriques peuvent être de deux sortes,
positives ou négatives.Les forces dites "électrostatiques" font qu'elles :

Se repoussent si elles sont de même signe.
S'attirent si elles sont de signes contraires.

et ce indépendamment du fait
qu'elles soient immobiles ou en mouvement l'une par rapport à l'autre

Ce qu'exprime la Loi de Coulomb

Constante universelle : e₀ = 8,854×10^-12 (unité SI : F×m^-1)
Formule valable dans l'espace vide.
Voir si nécessaire le cours d'électrostatique ici :

Le Système International d'unités (SI)
Distingue les unités de base des unités dérivées.
Les premières procèdent d'une définition relative à un étalon,
les secondes dérivent des premières.

Unités de base

Grandeur physique	Nom de l'unité	Abréviation
Longueur	mètre	m
Masse	kilogramme	kg
Temps	seconde	s
Intensité de courant életrique	Ampère	A
Température (absolue)	degré Kelvin	K
Quantité de matière	la mole	mol
Intensité lumineuse	la candela	cd

Unité de champ électrique

Par définition : || = || × q
entraîne || = || / q
L'équation de dimension de E est donc : Force/Charge électrique

E pourrait donc se mesurer en Newton par Coulomb ( N / C )
Mais l'unité de force (le Newton : N) et l'unité de charge électrique (le Coulomb C)
sont des unités dérivées dans le système international d'unités SI.

L'unité de champ exprimée en fonction d'unités fondamentales SI
est le Volt par mètre ( V / m )
Se reporter à l'étude du potentiel faite en électrostatique.

Infinitésimal
Au sens commun, cela signifie "infiniment petit". Mais le sens mathématique est plus précis.

Prenons un exemple.
La vitesse moyenne V_moy est le rapport de la distance "L" parcourue, au temps de parcours "T".
V_moy = L / T
Mais un déplacement ne se fait pas toujours à vitesse constante,
la vitesse varie généralement au cours du temps. T

Mais...plus l'intervalle de temps T pour lequel on prend la moyenne est petit,
plus on réduira l'écart des vitesses au cours de cet intervalle
et plus on se rapprochera de la vitesse instantanée
indiquée par exemple par un tachymètre (compteur de vitesse).

Les mathématiciens s'en tirent ainsi :

La vitesse instantanée v à l'instant t est la limite de la vitesse moyenne
lorsque l'on diminue idéfiniment l'intervalle de mesure jusqu'à zéro.

La relation : v = dl / dt, v étant la vitesse à l'instant t est vraie à la limite,
lorsqu'on fait tendre dt, donc dl, vers zéro.
"dl" et "dt" sont des variations infinitésimales.

Le qualificatif d'infinitésimal doit se comprendre avec l'idée quel les relations écrites
avec ces valeurs dites infinitésimales dt, dl, etc. ne sont vraies qu'à la limite,
quand in les faire tendre vers zéro.

Les mathématiciens on développé des outils parfaitement rigoureux pour définir
dans quelle mesure les relations faisant intervenir des quantités infinitésimales
peuvent être calculées et utilisées en toute rigueur.
C'est le CALCUL INFINITÉSIMAL
Les premières notions remontent à Archimède ( An -287),
il fut perfectionné par Leibniz (1646-1716) et Newton (1643-1727).

Somme vectorielle
Exemple de somme de deux vecteurs.
Deux méthodes :

A gauche :
Par la diagonale du parallèlogramme construit sur deux vecteurs.
Au milieu et à droite :
Par la mise bout à bout des vecteurs à additionner.

Champs de vecteurs
(notion méthématique)

On dit que l'on a affaire à un "champ de vecteurs"
dans un espace à 1, 2 ou 3 dimensions,
lorsqu'à chaque point de coordonnées (x,y,z) de cet espace
correspond un vecteur dont les caractéristiques (norme, direction,sens)
sont fonctions de (x,y,z).

Caractéristiques d'un vecteur :

son module (ou norme) ||
sa direction (doite parallèle à ce vecteur)
son sens.

Attention ! En pratique, le mot "champ" signifie :

tantôt l'ensemble des vecteurs du champ
tantôt le vecteur particulier en tel point du champ.

Par comparaison à la fig. du cours.
Divisons le cercle en éléments infinitésimaus dl égaux.
La somme des dl sera 2R

Tous ces éléments de longueur dl sont dans le plan du cercle.
M' de la fig. du cours (point où l'on calcule le champ)
n'est autre ici que le centre O du cercle.
MM' = R
MM' toujours permendiculaire à MM' donc sin() = sin(/2) = 1

dl remplacé par 2 ; sin() par 1 ; MM'² = R²

|_o | = µ₀ i / 2R

Historiquement, ces chercheurs, principalement A-M Ampère (1775 – 1836),
se penchèrent d'abord sur les interactions entre conducteurs parcourus par des courants
et des aimants, puis seulement entre conducteurs parcourus par des courants.
Constatant que les deux types d'attraction avaient de profondes similitudes.
Aimants & Courants deux aspects du magnétisme.
Ampère mit en lumière le premier les principes mathématiques et physiques
permettant de calculer ces interactions.

Le même Ampère et le suisse Auguste de la Rive eurent l'intuition vers 1820
qu'il n'y aurait qu'un seul phénomène à la base des interactions magnétiques.
et que les aimants eux-mêmes seraient constitués de courants microscopiques internes.

Ce qui fut confirmé beaucoup plus tard après la découverte de l'électron
(J.J. Thomson 1897) et des orbites électroniques autour des noyaux atomiques
lesquelles constituent des déplacements de charges électriques
assimilables à des courants plus ou moins circulaires.

Au sein des aimants,
ces orbites sont disposées majoritairelent orientées dans le même sensde telle manière
si bien que les effets magnétiques des courants s'ajoutent.
Alors qu'au sein de la matière non aimantée, orientés en toous sens, ils se neutralisent.

L'électrodynamique est bien à la base du magnétisme produit par les aimants.
Nous l'étudierons donc en premier.

Il est évident qu'un courant ne peut circuler sur une telle portion dl de circuit
que si elle fait partie d'un circuit fermé.

La loi de Biot et Savard décrit le champ élémentaire d
produit individuellement par chacune des portions dl de circuit.
Le champ total sera la somme vectorielle de tous ces champs élémentaires.
étendue à l'ensemble du circuit.
Et, événtuellemment par d'autres circuits présents.

Loi de Coulomb

Charles-Augustin Coulomb prouve expérimentalement en 1785
que les forces d'attraction ou de répulsion de deux corps électriquement chargés
sont inversement proportionnelles au carré de leurs distances,
et proportionnelles à chacune de leurs quantités de charge q et q'.

Cette loi s'apparente la loi de l'attraction universelle de Newton de 1686

les charges q q' remplacent les masses m m'.

Une différence toutefois :
les forces d'attraction universelle sont toujours attractives,
alors quel les forces électrostatiques sont répulsives si les charges sont de même signe
et attractives si les charges sont de signes contraires.

Qu'entend-on par "Interaction" ?
C'est l'influence réciproque de deux entités
(ici deux fils parcourus chacun par un courant de charges électriques).

D'après le principe des actions réciproques énoncé par Newton (en 1687)
« L'action (force appliquée par un corps sur un autre)
est toujours égale, de même direction et de sens contraire à la réaction
(Réaction : force que cet autre corps applique automatiquement au premier en contrant l'action ).

On nomme interaction l'ensemble des deux forces symétriques
qu'exercent mutuellement l'un sur l'autre des objets.

Exemples :

Loi de de Coulomb (interaction entre deux charges électriques) :

Deux charges électriques q et q'
placées à une distance "d" l'une de l'autre
s'attrirent (charges de signe contraire)
ou se repoussent (charges de même signe)
par des forces parallèles de même module " f "
même direction, mais de sens opposés.

La loi de Coulomb décrit l'interaction électrique.
Cte est une constante universelle (c.à.d. valable en tout lieu et en tout temps) connue.

Attraction gravitationnelle (interaction entre masses)
Loi d''attraction universelle énoncée par Newton

Deux masses m et m' placées à une distance "d" l'une de l'autre s'attirent par des forces
de module égal "f", parallèles (même direction) et de sens opposés.
Les constantes universelles des feux formules "Cte" et "G" sont, bien sûr, différentes.
La physique ne connaît à ce jour que 4 formes d'interaction.
- Interaction gravitationnelle
- Interacton électromagnétique (dont font partie l'interaction électrostatique mentionnée ci-dessus et l'électrodynamique que nous étudfions ici )
- Interaction forte et Interaction faible interactions au niveau atomique assurant entre autre la cohésion dans les noyaux atomiques.

Divisons le cercle en une infinité d'arcs de longueurs dl égales.
En tout point M, chaque arc est associé à un vecteur de module i × dl
tangent au cercle donc perpendiculaire à MM', le rayon R du cercle.

D'après la loi de Biot & Savart,
Rappel :

Le module : ||d|| du champ partiel produit par chaque arc est
||d|| = (1/4) × |i.dl × sin(90°)|/MM'²
Or, MM'=R ; et sin(90°) = 1 Donc : ||d|| = (1/4) × |i.dl×1|/R² = i.dl / 4R²

Tous ces vecteurs d partiels sont perpendiculaires au plan du cercle.
Leur sens est vertical descendant (translation liée à la rotation)
donc ces modules s'additionnent.
Or, lorsque la longueur dl tend vers zéro
la somme des longueurs dl tend vers la longueur du cercle : 2R
||||= (2 R i) /4 R²

|||| = i /2R

f.e.m.

On considère en électrocinétique
que le mouvement des charges électriques dans un circuit
est provoqué par un ou plusieurs éléments nommés "générateur(s)".

Un générateur idéal maintient à ses bornes
(par divers phénomènes physiques ou chimiques)
une tension constante nommée f.e.m. (force électro motrice).

Ce n'est pas une "force" au sens habituel de la physique,
(laquelle se mesurerait en Newton),
mais une tension électrique évaluée en Volt.

Cette tension impulse dans le circuit un courant
d'autant plus important qu'elle est élevée.

Pour plus de précisions,
voir, sur ce même site, le cours d'électrocinétique.

Induction par variation d'intensité

Toute variation du débit des charges électriques dans l'un des circuits modifie la vitesse relative des charges qu'il transporte
et par conséquence la vitesse relative de ses charges
par rapport à celles de l'autre conducteur.

Il y a donc modification de la force d'interaction
entre les charges mobiles des deux circuits.

La vitesse et le débit des charges de l'autre circuit seront modifiés,
ce qui changera l'intensité du courant qui y circule.

Induction mutuelle par variation des positions relatives

Soient deux circuits parcourus par des courants.
Si on les déplace l'un par rapport à l'autre,
les vitesses relatives des charges de l'un
par rapport à celles de l'autre
vont être modifiées.

Ce qui modifiera (Biot & Savart) les forces d'interaction dynamique
entre les charges parcourant chacun des deux circuits.

L'écoulement des charges, donc l'intensité
va donc être modifiée dans chacun des circuits.

Pour des raisons de simplicité de calcul,
on imagine que les variations d'intensité dans chaque circuit,
sont dûes à un générateur fictif
de f.e.m. hypothétique (mais dont l'effet est réel)
produisant ces changements d'intensité.

Elle est appelée f.e.m. d'induction ou f.e.m. induite.
La suite du cours montrera comment la calculer.

La constante de la loi de Coulomb

Si q et q' sont exprimées en Coulomb (C)
et d en mètres (m) la Cte s'exprime par :
est appelé la "Permittivité du vide"
la permittivité relative du milieu ambiant
Dans le vide = 1

En chiffres (dans le vide) :
Unités : f(Newton) ; d(m) ; q et q' en Coulomb(C)

Robert Hooke

En mécanique céleste, il tentera d'expliquer le mouvement des planètes, et en 1672, de prouver que la Terre se déplace sur une orbite elliptique autour du Soleil. En 1678, il suggère la loi de proportionnalité inverse du carré pour expliquer les mouvements planétaires. Robert Hooke correspondra à ce sujet avec Newton, le 6 janvier 1679 et lui demandera son opinion sur l’hypothèse suivante : la composition des mouvements célestes en un mouvement direct selon la tangente (mouvement inertiel) et un mouvement d’attraction vers le centre du corps « [...] mon hypothèse est que l’attraction est toujours en proportion inverse du carré de la distance entre les centres [...] »23.

Hooke semblait incapable de démontrer mathématiquement sa conjecture. Cependant, il réclama la priorité sur la loi du carré inverse lorsque les travaux de Newton furent connus en 1687. Cette prétention engendrera une amère dispute avec Newton qui éliminera toutes références à Hooke dans son œuvre maitresse, les Principia. Hooke lui reprochera de s'être inspiré de ses travaux, sans le citer, pour sa découverte de la loi de l'attraction universelle24.

L'un des contrastes entre les deux hommes était que Newton était avant tout, un pionnier dans l'analyse mathématique et ses applications, tandis que Hooke était un expérimentateur, et qu'il n'est pas surprenant de constater qu'il ait laissé quelques-unes de ses idées, comme celles sur la gravitation, peu développées. Cela rend compréhensible la manière dont, en 1759, Alexis Clairaut, le mathématicien et éminent astronome français dans le domaine des études gravitationnelles, a fait sa propre évaluation, des travaux de Hooke en ce domaine : « Il ne faut pas penser que cette idée [...] de Hooke diminue la gloire de Newton », Clairaut écrit : « L'exemple de Hooke sert à faire voir quelle est la distance entre une vérité qui est entrevue, et une vérité qui est démontréeNote 10,25 ».

Manifestations de l'électrostatique

Après un voyage en automobile sur des routes sèches vous mettez pied à terre et, soudainement, une décharge électrique claque douloureusement entre votre corps et la carrosserie.
Mêmes décharges électriques désagréables en touchant un meuble en matière plastique après avoir marché sur des sols recouverts de certains revêtements plastiques ou moquettes dans des locaux secs surchauffés.
Vous déroulez du ruban adhésif fin : si vous lâchez la partie dégagée, elle est repoussée par vos doigts, se dérobant à eux, vient irrésistiblement se coller de nouveau au rouleau. Situation fréquente et très irritante !
Dans l'obscurité, par une nuit d'été ou en hiver dans une pièce sèche très chauffée, d'étranges lueurs violettes apparaissent lorsque vous froissez des vêtements en nylon, par exemple.
La foudre éclate, un éclair luit, quelle en est l'origine ?
Les artificiers déclenchant des avalanches préventives savent qu'il faut manipuler les explosifs avec un soin particulier dans les zones très froides en montagne. Les charges explosent spontanément.
C'est que par temps très froid, toute humidité est figée en glace. Or l'humidité est conductrice et permet à l'électricité de de s'écouler au sol. En son absence, par temps sec, des frottements des pains d'explosif avec leurs emballages lors du transport peuvent produire de l'électricité statique et une décharge électrique peut se produire entre deux pains provoquant l'explosion de tout le paquet.
Votre chat n'aime pas du tout qu'on le toilette avec un peigne en plastique. Les claquements secs que vous entendez parfois (si le temps est très sec) en le passant sur le pelage sont des décharges électriques qui irritent douloureusement les nerfs à la base des poils.
On les évite avec un peigne métallique : du fait qu'il est très conducteur, l'électricité générée par frottement s'écoule progressivement par le peigne, à travers votre corps, puis à la terre.

Grand froid ou forte chaleur
favorisent l'apparition de phénomènes électrostatiques,
(comme des décharges électriques)
car ils font disparaître l'huminité de l'air
qui imprègne ordinairement tous objets.

L'humidité, même faible, rend les corps conducteurs
offrant un passage aux charges électriques vers le sol.
L'électricité ne peut s'accumuler nulle part :

Sans accumulation d'électricité :
pas de phénomènes électrostatiques,
pas de décharges ni d'attractions ou répulsions à distance...

Nano technologies
Ce mot vient de " nano " : suffixe pour 10^-91 nanomètre = 1 nm = 10^-9 m = 1/1000 de micron

"Nanotechnologies" est un néologisme se rapportant
aux techniques de construction d'objets de très petites dimensions,
de l'ordre du nanomètre.

Aptes à innover dans l'élaboration de matériaux à propriétes spéciales,
des applications en biologie, chirurgie, électronique, stockage de l'énergie,
etc...

Applications de l'électrostatique

peinture électrostatique
L'attraction électrostatique concentre la peinture sur les surfaces à peindre occasionnant moins de pertes.
photocopie par xérographie
pièges à fumées - dépoussiérage industriel (cheminées).
accélérateurs de particules

Applications futures
(Ecrit en 2007)

(Ecrit en 2007)
Les nanotechnologies permettront vraisemblablement de fabriquer
des nano moteurs électrostatiques
comparables aux muscles des animaux.

Electrodynamique
Electromagnétisme

1° Principes

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Menu général électricité

Après :
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Induction magnétique

L'électrodynamique - Présentation globale -

Si vous maîtrisez bien la différence entre :
"Électrostatique" - "Életrocinétique" - "Électrodynamique"
passez directement à la suite en cliquant ici :

Distinguons bien : Électrostatique - Électrodynamique - Électrocinétique

I° - L' Électrostatique

Fait l'hypothèse de l'existence de "charges électriques"
pouvant s'accumuler sur la matière.

Ces charges peuvent être positives ou négatives

Observe que deux charges électriques s'attirent ou se repoussent.
(suivant qu'elles sont, respectivement, de signes contraires ou de de même signe).

La "Loi de Coulomb" permet de calculer les forces que les charges électriques
exercent entre-elles (interactions ) et qui sont fonction :

de leurs quantités de charge (q et q' ; unité le Coulomb (C) ),
de leur plus ou moins grande distance (d),
des propriétés physiques du milieu qui les entoure
(par la Cte oude la formule de Coulomb : rappel ici ).

Manifestations courantes de phénomènes relevant de l'électrostatique ?
Pointez ici :

Applications de l'électrostatique ? Pointez ici :

Les forces d'origine électrostatique, dites de Coulomb,
ne dépendent pas de la vitesse relative des charges.

Elles s'exercent de la même manière et avec la même intensité
que les charges se déplacent ou non l'une par rapport à l'autre.

Étude plus approfondie de l'Électrostatique
en suivant ce lien :

II° - L' Électrocinétique

Lois régissant concernant l'écoulement de l'électricité dans des circuits conducteurs.
Considérations d'énergie et de puissance.

Cirduit électrique - conducteirs isolants - dipôles -
Tension, Potentiel, différence de potentiel d.d.p.
Intensité d'un courant
Générateurs, force électromotrice : f.e.m.
Récepteurs, force contre-électromotrice : f.c.e.m.
Résistance. Lois d'Ohm, de Kirchhoff,
Effets thermiques ; Loi de Joule
Dipôles équivalents : Thévenin & Norton.

Bien distinguer l ' "Électrocinétique" de l ' "Électrodynamique" .

Étude de
l' Électrocinétique
ici :

III - L' Électrodynamique

1° Fondamentalement.
On a observé que des charges électriques
en mouvement les unes par rapport aux autres
exercent entre-elles, en plus des forces de Coulomb étudiées en électrostatique,
des forces mutuelles dûes uniquement à leur vitesse relative.

Ainsi, l'Électrodynamique traite des interactions entre charges électriques
du seul fait du mouvement des unes par rapport aux autres.

2° Interactions entre courants.

Étant donné que les déplacements de charges constituent des courants,
on peut considérer l'électrodynamique comme l'étude des interactions entre courants.

Comme généralement (mais pas toujours) les charges circulent dans des conducteurs,
elles communiquent ces forces d'interaction à la matière qui constitue ces derniers.
Ces forces tendent à les déplacer ces conducteurs s'ils sont libres de le faire.

Vue sous cet angle, l'électrodynamique,
permet de calculer les interactions entre conducteurs parcourus par des courants.
Ce phénomène est mis à profit dans les moteurs électriques et les électro-aimants.

3° Phénomènes d'Induction

Si deux conducteurs parcourus par des courants sont fixes l'un par rapport à l'autre,
on a observé que toute variation de l'intensité du courant dans l'un
provoque, à distance, une variation de courant dans l'autre.
Ce phénomène est mis à profit dans les transformateurs.

S'ils se déplacent l'un par rapport à l'autre,
tout se passe comme si un générateur de f.e.m. variable
avait été introduit dans les circuits.
On parle de f.e.m. induites.
Ce phénomène est mis à profit dans les générateurs de courant électrique
tels que les dynamos ou les alternateurs.

Ces phénomènes ont été observés et théorisés par Michael Faraday en 1831
et par Heinrich Lentz en 1834

Les phénomènes d'induction sont également à la base
de la propagation des ondes électromagnétiques (radio, lumière, etc.).
Le rapport entre l'électrodynamique et la radioélectricité est expliqué ici :
La Radioélectricité est étudiée dans ce même site ici :

Sujets développés
dans cette page
et suivantes.

Bases expérimentales de l'électrodynamique

Constatation expérimentale

Deux conducteurs parcourus par des courants
exercent l'un sur l'autre des forces, soit d'attraction, soit de répulsion,
suivant le sens des courants qui les parcourent.

Ces forces sont d'autant plus intenses que les conducteurs sont proches.

Expérience (historique) mettant en évidence ces forces (disons plutôt : interactions )

ACTION d'un COURANT sur un COURANT

Expérience historique de André-Marie Ampère
visible à la Maison d'Ampère de Poléymieux-au-Mont-d'Or :
Un portique fixe en cuivre (cuivre foncé sur la photo).
Un cadre mobile (cuivre clair sur la photo)

Ce dernier peut tourner librement autour de son axe de symétrie vertical.
Ses deux extrémités inférieures baignent dans deux rigoles circulaires
remplies de mercure (liquide conducteur)
afin de pouvoir les relier sans frottement,
aux bornes d'un générateur de courant situé sous la table.

Attention !
Le mercure est dangereux du fait qu'il émet des vapeurs très nocives.
L'expérience de la Maison d'Ampère
est herémétiquement enfermée dans une cage en verre.

Ces rigoles sont électriquement reliées au générateur de courant continu
à travers un interrupteur-inverseur
permettant de faire passer, interrompre ou inverser
le sens du courant parcourant le cadre.

En absence de courant, ce cadre peut tourner librement.
On peut l'arrêter ùanuellement sur n'importe quelle position.

Le portique fixe (en cuivre foncé sur la photo)
est également relié à un générateur sous la table
moyennant un interrupteur inverseur..

En quoi consiste l'expérience ?

Première expérience :

Tous courants coupés, on rapproche manuellement un des segments verticaux
du cadre mobile de l'un de ceux du portique.
On branche portique et cadre mobile sur le générateur
de telle manière que les courants parcourant les segments proches cadre-portique
circulent en sens inverse.
On constate que le cadre mobile tourne en s'écartant du portique.

Seconde expérience :

Avant tout on coupe le courant parcourant cadre mobile et portique fixe

On éloigne manuellement les segments verticaux du cadre mobile de ceux du portique de quelques cm.
On branche portique et cadre mobile sur le générateur
de telle manière que les courants parcourant les segments proches cadre-portique
circulent dans le même sens.
On constate que le cadre mobile tourne : le conducteur vertical du cadre,
prend la position la plus proche possible de celui du portique.

Constatation :

Si le courant est coupé dans l'un ou l'autre du cadre ou du portique
(a fortiori si le courant est coupé dans les deux)
aucun déplacement ni attraction, ni répulsion n'est constaté.
C'est bien la présence des courants qui est à l'origine
de l'attraction ou de la répulsion entre conducteurs.

Conclusions

Deux conducteurs parcourus chacun par un courant
exercent entre-eux des forces soit d'attraction soit de répulsion
suivant les sens relatifs des courants qui les parcourent
.

D'après le principe des actions réciproques énoncé par Newton,
des conducteurs parcourus par des courants exercent mutuellement des forces l'un sur l'autre.
C'est ce qu'en physique on nomme une interaction.

C'est même l'une des quatre interactions connues en physique.
Elle est inséparable de l'interaction électrostatique
elles font partie toutes deux de ce que l'on nomme l'interaction électromagnétique.

En résumé :
Deux fils conducteurs placés parallèlement et parcourus par des courants
s'attirent ou se repoussent suivant le sens du courant dans chacun des fils.
Courants de sens contraires : les conducteurs se repoussent
Courants de même sens : les conducteurs s'attirent.

Ce principe aura pour applications pratiques
les moteurs électriques, les életro-aimants ( de levage p.ex.)
les haut-parleurs, etc...

Des applications à l'origine de l'évolution vers la civilisation industrielle
à partir de fin XXI° au XX° siècles.

La découverte puis la théorisation de ce phénomène eurent lieu vers les années 1820.
Principaux acteurs :

Hans Christian Øersted, découverte fortuite en 1820 d'une interaction entre aimants et fils parcourus par des courants.
Michael Faraday 1821
Riches et féconds échanges épistolaires avec A-M. Ampère sur ce sujet.
Nous le retrouverons plus tard dans la découverte des phénomènes d'induction.
André-Marie Ampère : Le premier à publier ces observations ainsi que la mise ne forme mathématique du phénomène dans son ouvrage fondateur :
«Théorie mathématique des phénomènes électro-dynamiques, uniquement déduite de l'expérience» publié en 1827.

Précision historique annexe :

Sont-ce les conducteurs ou les courants qui interagissent ?

Tout courant électrique étant un déplacement de charges électriques,
une étude approfondie a permis d'affirmer
que ce sont les charges en mouvement elles-mêmes qui interagissent entre-elles
(elles s'attirent ou se repoussent)
et ce de par leur vitesse relative,
entraînant la matière des conducteurs qui les acheminent.

On peut également définir l'électrodynamique comme l'étude des interactions entre charges électriques
du seul fait de leur mouvement relatif les unes par rapport aux autres.

Des charges électriques immobiles les unes par rapport aux autres
n'interagissent que par les forces électrostatiques étudiées en détail au chapitre correspondant.
En pratique, ces forces électrostatiques sont très faibles par rapport aux forces électrodynamiques.

Bien que nous les étudiions séparément, les forces électrostatiques et les forces électrodynamiques
agissent toutes en même temps lorsque des charges sont en mouvement les unes par rapport aux autres.

N'oublions pas que les charges électriques sont également soumises aux forces (interactions) gravitationnelles
dont l'intensité est très faible par rapport aux interactions électrostatiques et électrodynamiques.

Exploitations pratiques du phénomène

Bobinages

Afin d'amplifier la force d'attraction ou de répulsion,
on multiplie le nombre de conducteurs en présence, en constituant des bobinages.
Un fil conducteur (généralement du cuivre) est enroulé sur un cylindre creux.
Un très grand nombre de tours (spires) peuvent ainsi être facilement enroulées manuellement ou mécaniquement.

Bobinages vus en coupe.

Le sens du courant est indiqué sur les coupes conformément à la convention suivante :

Pour éviter le court-circuit entre spires,
le fil doit être couvert sur toute sa longueur d'une fine gaine isolante (généralement un vernis isolant)

Usages

On constitue ainsi des bobines permettant d'exercer des forces entre elles.

On peut exploiter ces forces, grâce à des mécaniques appropriées,
pour opérer électriquement divers type des tractions telles que le levage d'objets,
des verrous ou gâches électriques commandées à distance, des relais de commutation de circuits etc...

Voici une exploitation particulière de l'attration/répulsion de bobinages
pour constituer un moteur électrique tournant.

Un mécansisme nommé "collecteur" permet d'alimenter les bobinages tournants
par une source extérieure de courant sans enmêler les fils d'alimentation lors de la rotation.
Il s'agit des demi-bagues jaunes vues en coupe au centre solidaires des bobines centrales tournantes.
Des "balais" fixes, représentés en noir,
restent en contact glissant avec les demi-bagues tournantes du collecteur,
et lui apportent le courant destiné aux bobines tournantes.

Constatez sur la figure que le sens du courant est automatiquement inversé
lorsque les bobines ayant été attirées au plus près des bobinages fixes,
elles doivent alors être repoussées pour que le mouvement de rotation continue sans à-coup

Convention :

Ce montage donne une idée d'une constitution possible d'un moteur électrique
mais d'autres variantes s'avèrent industriellement plus adéquates.

Nous verrons cela plus loin.

La suite ?

Dans le but d'en arriver au calcul des forces développées par les interactions électromagnétiques,
on allège le problème en considérant séparément :

l'influence de l'un des circuits dans l'espace qui l'environne,
la contribution de la nature de cet espace (le vide, l'air, tel autre corps)
l'intensité et la forme du circuit subissant la force appliquée par le prem

C'est ainsi que nous décrirons séparément (en dissymétrisant l'interaction):

Le vecteur Champ Magnétique
décrit, l'influence magnétique produite en tout point M environnant,
par l'un des circuits parcourus par le courant.
Il ne dépendra que de la forme de ce circuit, de l'intensité du courant qui le parcourt,
et de la position du point M.
Le Vecteur Induction magnétique
Tiendra compte de et de la "nature magnétique" du milieu environnant M.
Le vecteur force
Que le premier circuit impose à un élément d'un second circuit placé en M.
dépendra de en M et de l'intensité du courant en M du second circuit.

Il est cependant conseillé de suivre le cours dans l'ordre.

Choix par Menu ou Parcours Séquentiel

Avant : Menu général électricité	Après : Champ Magnétique Induction magnétique

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