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Electrodynamique
Electromagnétisme

1° Principes

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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 :

  1. Tous courants coupés, on rapproche manuellement un des segments verticaux
    du cadre mobile de l'un de ceux du portique.
  2. 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.
  3. 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

  1. On éloigne manuellement les segments verticaux du cadre mobile de ceux du portique de quelques cm.
  2. 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.
  3. 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 :

  1. l'influence de l'un des circuits dans l'espace qui l'environne,
  2. la contribution de la nature de cet espace (le vide, l'air, tel autre corps)
  3. 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):

  1. 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.


  2. Le Vecteur Induction magnétique
    Tiendra compte de et de la "nature magnétique" du milieu environnant M.

  3. 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.

 

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