Magnétisme et induction électromagnétique

T'es-tu déjà demandé comment les disques durs pouvaient stocker plusieurs téraoctets de données dans une boîte métallique apparemment petite ? Le plus gros disque dur disponible à la vente au détail fait aujourd'hui environ 20 téraoctets, ce qui représente près de 20 000 films ! Le secret de ces énormes systèmes de stockage réside dans le magnétisme et l'induction électromagnétique; ce domaine étudie comment les champs magnétiques et les champs électriques sont intrinsèquement liés les uns aux autres. Il en résulte une induction électromagnétique, c'est-à-dire la production d'une force électromotrice ou CEM lorsqu'un champ magnétique alternatif interagit avec un conducteur.

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    magnétisme et induction électromagnétique hard drive studysmarterFig. 1 - Les disques durs commerciaux modernes peuvent contenir jusqu'à 20 téraoctets de données.

    L'électromagnétisme est utilisé pour stocker les données sur les disques durs dans un format binaire de 1 et de 0. Comme les aimants ont deux pôles opposés, on peut utiliser des machines pour induire un pôle nord ou un pôle sud sur un matériau magnétique afin de représenter soit un, soit un zéro. Ce qui est important, c'est que nous pouvons représenter deux états distincts pour former un "bit", qui est la plus petite unité d'information. Par conséquent, lorsque les données doivent être relues, ton ordinateur peut lire ces pôles et les interpréter en code binaire ! Continue à lire cet article pour en savoir plus sur les applications du magnétisme et de l'induction électromagnétique dans la vie réelle.

    Définition du magnétisme

    Tu as très certainement rencontré le magnétisme dans ta vie quotidienne. Lorsque tu places deux aimants l'un à côté de l'autre, tu auras remarqué que, s'ils sont placés dans la bonne orientation, ils subissent une force d'attraction ou de répulsion l'un sur l'autre. Nous pouvons donc définir le magnétisme comme suit .

    Lemagnétisme est défini comme les forces d'attraction et de répulsion que subissent les particules chargées et certains types de matériaux en raison du mouvement des charges électriques.

    Tous les matériaux ne présentent pas d'effets magnétiques perceptibles car les forces magnétiques dépendent fortement de la structure interne d'un matériau. Nous pouvons classer les matériaux en trois catégories en ce qui concerne le magnétisme :

    1. Diamagnétisme - Matériaux qui subissent des forces magnétiques dans un champ magnétique, générant un champ dans la direction opposée au champ externe.

    2. Paramagnétisme - Matériaux qui subissent des forces magnétiques en présence d'un champ magnétique, générant un champ dans la même direction que le champ externe.

    3. Ferromagnétisme - Matériaux qui restent magnétiques lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué puis retiré.

    Tu connais peut-être un aimant en forme de barre, comme celui que l'on voit sur l'image ci-dessous. Ces aimants sont généralement composés de fer ou d'acier, qui sont tous deux des matériaux ferromagnétiques,

    ce qui leur permet de conserver leurs qualités magnétiques même lorsqu'ils ne sont pas soumis à un champ magnétique. Cela permet de réaliser des expériences scientifiques amusantes à la maison et au laboratoire pour apprendre les qualités du magnétisme ! En outre, les aimants sont également utilisés dans diverses applications industrielles telles que les générateurs, les moteurs, les solénoïdes, etc. Le terme ferromagnétisme vient du terme latin "ferrum", qui signifie fer. Comme l'acier est un alliage de fer, le terme ferromagnétique décrit les matériaux qui ont les mêmes propriétés magnétiques que le fer.

    magnétisme et induction électromagnétique bar magnet studysmarterFig. 2 - Un barreau aimanté en fer ou en acier est un exemple de matériau ferromagnétique.

    En outre, les matériaux magnétisés rayonnent un champ magnétique autour d'eux, représenté dans les diagrammes à l'aide de lignes de champ. Comme le montre la figure ci-dessous, ces lignes de champ sont orientées, ce qui est représenté par des pointes de flèches, et pointent toujours hors du pôle nord et vers le pôle sud correspondant de l'aimant. Plus la densité des lignes de champ magnétique est élevée dans l'espace, plus le champ magnétique est fort dans cette région. Par conséquent, nous pouvons constater que l'intensité du champ magnétique est maximale dans la zone située autour des pôles.

    Nous pouvons également définir une autre quantité qui est couramment utilisée pour décrire les champs électromagnétiques - le flux magnétique.

    Le flux magnétique traversant une surface est égal à la magnitude de la composante normale de l'intensité du champ magnétique traversant cette surface multipliée par l'aire de cette surface.

    Ceci peut être représenté par l'équation suivante

    \[ \NPhi = BA \Ncos(\Ntheta) ,\N]

    où \(\Phi\) est le flux magnétique mesuré en Webers \(\mathrm{Wb}\), \(B\) est l'intensité du champ magnétique mesurée en teslas \(\mathrm{T}\), \(A\) est la surface traversée par le champ magnétique mesurée en \(\mathrm{m^2}\), et \(\theta\) est l'angle entre les lignes du champ magnétique et la surface qu'elles traversent. Comme le montre l'équation, nous ne considérons que la composante du champ magnétique perpendiculaire à la zone qu'il traverse.

    Définition de l'induction électromagnétique

    En revanche, nous la définissons plutôt comme suit .

    L'inductionélectromagnétique est définie comme l'induction d'une force électromotrice, ou d'un courant, due à un champ magnétique alternatif coïncidant avec un matériau conducteur.

    Ici, une force électromotrice est similaire à la différence de potentiel à travers un circuit, cependant, elle est utilisée pour décrire la tension lorsqu'il n'y a pas de courant qui circule dans un circuit. Lorsque nous parlons d'une force électromotrice, nous faisons référence à la tension induite due à l'induction.

    Pour quantifier la quantité de force électromotrice induite dans le conducteur, nous la représentons par une équation

    \[ \epsilon = - \frac{\Delta \Phi_{\text{B}}}{\Delta t} ,\]

    où \(\epsilon\) est la force électromotrice induite mesurée en volts \(\mathrm{V}\), \(\Delta \Phi_{\text{B}}\) est le changement de flux magnétique mesuré en Webers \(\mathrm{Wb}\), et \(\Delta t\) est le temps nécessaire pour le changement mesuré en secondes \(\mathrm{s}\). Cette équation révèle un certain nombre de choses ; tout d'abord, c'est la combinaison de la loi de Faraday et de laloi de Lenz , qui sont définies comme suit.

    Laloi de Faraday stipule que la force électromotrice induite est proportionnelle à la vitesse de variation du flux magnétique.

    Et la loi de Lenz est la suivante.

    Laloi de Lenz stipule que la direction du courant induit est telle qu'elle s'oppose au changement qui la provoque.

    Ces deux lois régissent le phénomène de l'induction électromagnétique. Parlons d'abord de la loi de Faraday ; nous pouvons voir dans l'équation ci-dessus que la constante de proportionnalité est donnée par \(N\), le nombre de tours dans le solénoïde. Nous pouvons voir que cette équation s'applique spécifiquement à un solénoïde soumis à l'induction, mais elle peut varier en fonction du type de conducteur que nous examinons.

    D'autre part, la loi de Lenz est représentée dans l'équation par le signe négatif du côté droit, montrant que la direction de la force électromotrice doit être opposée à celle du taux de variation du flux magnétique. Cette loi découle de la conservation de l'énergie, qui stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Pour mieux comprendre cette loi, considère un barreau aimanté tombant dans une bobine de fil ; le courant induit dans le fil crée un champ magnétique autour de lui. Ce champ interagit avec l'aimant qui tombe, en exerçant une force sur lui. En vertu de la loi de Lenz, la direction de la force doit être telle qu'elle s'oppose au mouvement de l'aimant, c'est-à-dire dans le sens de la montée. L'aimant ralentit alors et le courant induit dans la bobine diminue. Sinon, une force dirigée vers le bas et entraînant l'accélération de l'aimant aurait pour effet d'induire un courant plus important dans la bobine, ce qui créerait une boucle d'énergie sans fin, ce qui n'est pas permis en physique !

    Différence entre l'induction magnétique et l'induction électromagnétique

    Tu as peut-être déjà entendu parler de l'induction magnétique avant de tomber sur cet article, et tu te demandes si l'induction magnétique et l'induction électromagnétique sont la même chose. Ces deux phénomènes sont en fait des choses très différentes, alors définissons d'abord ce qu'est l'induction magnétique.

    L'induction magnétique se définit comme l'aimantation de matériaux magnétiques, tels que les matériaux ferromagnétiques ou paramagnétiques, sous l'influence d'un champ magnétique externe.

    Comme nous l'avons mentionné dans la section précédente, nous avons établi que tous les matériaux peuvent être classés en trois catégories magnétiques. Pour que ces matériaux soient magnétisés par un champ magnétique externe, ils doivent être soit ferromagnétiques, soit paramagnétiques. Pour comprendre la structure des matériaux magnétiques, nous zoomons sur la structure interne de la substance et examinons ses éléments constitutifs, les atomes. Ces atomes individuels résident dans des domaines magnétiques où l'atome lui-même devient un dipôle magnétique.

    Un dipôle magnétique est une structure composée d'un pôle nord magnétique et d'un pôle sud magnétique.

    En fait, on peut considérer que les matériaux magnétiques sont constitués de nombreux barreaux aimantés ! Ces barres aimantées sont sensibles à l'influence d'un champ magnétique externe et tournent d'avant en arrière en fonction de l'orientation du champ. Examinons la figure ci-dessous pour avoir une idée plus claire de la structure.

    magnétisme et induction électromagnétique matériau non magnétisé studysmarterFig. 4 - Les matériaux magnétiques sont constitués de dipôles magnétiques individuels. Ici, le matériau n'est pas magnétisé car tous les dipôles sont orientés différemment.

    Dans la figure ci-dessus, le matériau magnétique est représenté en bleu, tandis que les dipôles magnétiques sont représentés par les flèches roses. Dans ce cas, la direction des flèches indique le pôle magnétique nord. Ici, nous pouvons voir que toutes les flèches pointent dans des directions différentes, ce qui montre que les dipôles ne sont pas soumis à un champ magnétique pour organiser leurs orientations. Nous savons donc que ce matériau n'est pas magnétisé.

    magnétisme et induction électromagnétique matériaux magnétiques studysmarterFig. 5 - Les dipôles magnétiques sont alignés, ce qui montre que le matériau présente maintenant des propriétés magnétiques en raison de son aimantation nette.

    Dans la figure ci-dessus, nous avons le même matériau, sauf que les dipôles magnétiques sont tous orientés dans la même direction. Dans ce cas, un champ magnétique externe a été appliqué au matériau, provoquant la rotation des dipôles. L'alignement des champs magnétiques qui en résulte est à l'origine des propriétés magnétiques du matériau.

    Par conséquent, nous avons maintenant une distinction claire entre l'induction magnétique, qui est le processus de magnétisation des matériaux, et l'induction électromagnétique, qui est la procédure de génération d'une force électromotrice dans un conducteur. Deux phénomènes aux noms très similaires mais aux résultats très différents !

    Exemple de magnétisme

    Pour mieux comprendre le magnétisme, prenons un exemple numérique de calcul du flux magnétique.

    Considérons un champ magnétique d'une intensité de 2,5 \Nmathrm{mT}\Nqui traverse une surface carrée d'un côté de 15 \Nmathrm{cm}\N. Si les lignes de champ forment un angle de \(30^{\circ}\) par rapport à la normale de la surface, quel est le flux magnétique du champ traversant ?

    Tout d'abord, nous calculons l'aire de la surface. Comme la surface est de forme carrée, nous trouvons que

    \N[ A = 15 \Nfois 10^{-2} \N, \Nmathrm{m} \N- fois 15 \N fois 10^{-2} \N,\Nmathrm{m} = 0,023 \N,\Nmathrm{m^2}.\N]

    Enfin, nous pouvons substituer tous les nombres restants dans notre équation du flux magnétique, \[ \NPhi = BA \Ncos(\Ntheta) ,\N] pour trouver

    \[ \NPhi_{\text{B}} = 2.5\Nfois 10^{-3} \N-, \Nmathrm{T} \Nfois 0.023\N,\Nmathrm{m^2} \time \cos(30^{\circ}) = 5.0\times 10^{-5}\\N,\Nmathrm{Wb},\N]

    où nous avons utilisé le fait que \( 1 \N, \Nmathrm{T} = 1 \N, \Nmathrm{\Nfrac{kg}{s^2 \N, A}}\N) et \N(1 \N, \Nmathrm{Wb} = 1 \N, \Nmathrm{\Nfrac{ kg \N, m^2}{s^2 \N, A}}\N).

    Considérons maintenant un autre exemple dans lequel nous appliquons plutôt notre équation d'induction électromagnétique.

    Considérons un électro-aimant qui tourne à côté d'une bobine de solénoïde reliée à un voltmètre. La rotation du solénoïde crée un changement dans le flux magnétique de \( 2,1 \N, \Nmathrm{m Wb}\N) en un temps de \N(1,5 \N, \Nmathrm{s}\N). Quelle serait la lecture moyenne sur le voltmètre due à l'induction électromagnétique résultante ?

    En utilisant notre équation de l'induction électromagnétique, nous pouvons substituer les nombres ci-dessus pour obtenir

    \[ \begin{align} \epsilon &= \frac{\Delta \Phi_{\text{B}}}{\Delta t} \\ \epsilon &= \frac{ 2.1 \times 10^{-3} \Nmathrm{Wb}}{ 1.5 \Nmathrm{s}} \\ \epsilon &= 1.4 \times 10^{-3} \N- \NMathrm{V} . \Nend{align} \]

    Induction électromagnétique Applications réelles

    Comme nous l'avons mentionné plus tôt dans l'article, l'induction électromagnétique est un élément clé de nombreux objets que nous utilisons au quotidien. L'un d'entre eux que tu as peut-être rencontré récemment se trouve couramment dans la cuisine et est essentiel à la préparation de tes aliments au quotidien. Peux-tu deviner de quoi il s'agit ?

    magnétisme et induction électromagnétique induction hob studysmarterFig. 6 - Une plaque à induction est un exemple d'utilisation de l'induction électromagnétique dans les objets que nous utilisons au quotidien.

    C'est bien cela ! C'est une plaque de cuisson à induction. Une plaque de cuisson à induction est un excellent exemple de la façon dont l'induction électromagnétique a permis d'améliorer et de développer la technologie avec des avantages supplémentaires en matière de sécurité. Dans le cas de la plaque de cuisson à induction, l'intérieur de l'élément chauffant est constitué de bobines composées d'un matériau conducteur, traversées par un courant alternatif. Le courant alternatif génère un champ magnétique oscillant sur la surface où tu places ta poêle. Tu as peut-être remarqué que seuls certains types de poêles fonctionnent avec les cuisinières à induction ; en effet, la poêle doit être faite d'un matériau conducteur pour que le champ magnétique changeant puisse induire un courant dans le fond de la poêle. En raison de la résistance interne de la casserole, les courants qui la traversent génèrent de la chaleur qui est ensuite utilisée pour préparer ton petit déjeuner du matin !

    magnétisme et induction électromagnétique graphiques tablette studysmarterFig. 7 - Les tablettes graphiques utilisent également l'induction électromagnétique pour détecter les entrées de l'utilisateur.

    La tablette graphique est un autre exemple d'utilisation de l'induction électromagnétique dans des applications réelles. Cet appareil est généralement utilisé par les artistes qui souhaitent créer des œuvres d'art numériques sans perdre l'expérience du stylo sur papier. Lorsque le stylo est déplacé sur la surface de la tablette, la pointe du stylo graphique dégage un champ électromagnétique qui interagit ensuite avec les conducteurs situés sous la surface de la tablette. Grâce à l'induction électromagnétique, l'ordinateur peut transformer ces signaux induits en lignes dessinées par les artistes, ce qui donne l'image que tu vois à l'écran !

    Magnétisme et induction électromagnétique - Points clés à retenir

    • Le magnétisme est défini comme les forces d'attraction et de répulsion qui s'exercent entre les matériaux magnétiques en raison du mouvement des charges électriques.
    • Les matériaux peuvent être classés en trois catégories : ferromagnétiques, diamagnétiques et paramagnétiques.
    • Leflux magnétique est définicomme la quantité de champ magnétique traversant une certaine zone et est donné par l'équation \( \NPhi = BA \Ncos(\Ntheta)\N) .
    • L'induction électromagnétique est définie comme l'induction d'une force électromotrice, ou d'un courant, due à un champ magnétique alternatif coïncidant avec un matériau conducteur, et est donnée par l'équation \(\epsilon = -Nfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}\).
    • L'induction électromagnétique est régie par la loi de Faraday et la loi de Lenz.

    Références

    1. Fig. 1 - Disque dur, flickr.com (https://flickr.com/photos/philipus/29711988683/in/photolist-MgxH5X-2mWucxQ-3mKAy8-8hahaE-2mJm7HY-2kHTYVX-2m4Z1az-2mUN4XJ-2nhVpo6-2mjsY3V-2mjwPed-2mjBQxE-2mjybYf-SyQdMo-2mjAGRZ-JJg4p6-2mXZLK5-2iyEqss-2j2riAF-Lgoj1U-2gcE71E-2iyEqpM-227cN6x-pRMmju-663UrM-2nkMGxP-EdqoHi-2mjBQd6-22GRnAQ-2mXZLja-2mjycJi-23hg9kX-2kLX2wo-2kHAKwa-ggGpw-24mwD2D-JBJELX-e8zs1D-oTAM7A-oWQ7LY-2cX8gg7-22QFeqe-6y1CMR-8VkTe-23hgGvt-Ecsgfu-7yY3rX-zMew7V-2jjueQr-4C1jRz) Licensed by CC BY-NC-ND 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/)
    2. Fig. 2 - Barre aimantée, Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bar_magnet_crop.jpg) Licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
    3. Fig. 3 - Lignes de champ magnétique, StudySmarter Originals.
    4. Fig. 4 - Dipôles atomiques non alignés, StudySmarter Originals.
    5. Fig. 5 - Dipôles atomiques alignés, StudySmarter Originals.
    6. Fig. 6 - Hobby à induction, Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kookplaat_inductie.JPG) Licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
    7. Fig. 7 - Tablette graphique, Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wacom_Pen-tablet_without_mouse.jpg) Licensed by CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)
    Questions fréquemment posées en Magnétisme et induction électromagnétique
    Qu'est-ce que le magnétisme?
    Le magnétisme est la force exercée par les aimants lorsqu'ils attirent ou repoussent d'autres matériaux. C'est une force invisible due au mouvement des charges électriques.
    Comment fonctionne l'induction électromagnétique?
    L'induction électromagnétique se produit lorsque le mouvement d'un conducteur dans un champ magnétique induit un courant électrique dans le conducteur.
    Qu'est-ce qu'un champ magnétique?
    Un champ magnétique est une zone autour d'un aimant où les forces magnétiques sont exercées. Il est représenté par des lignes de champ allant du pôle nord au pôle sud.
    Quelles sont les applications de l'induction électromagnétique?
    L'induction électromagnétique est utilisée dans les générateurs électriques, les transformateurs et les moteurs électriques pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique et vice versa.

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    Quel type de matériau ne subit des forces magnétiques qu'en présence d'un champ magnétique ?

    Quel type de matériaux magnétiques subit encore des forces magnétiques en l'absence de champ magnétique ?

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    • Temps de lecture: 17 minutes
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