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Matière et énergie
Électricité et magnétisme sont deux aspects d'un même phénomène, l'électromagnétisme.

Ce document a été en partie créé à partir d'un article rédigé sur le site du Palais de la découverte à Paris.

Thalès de Milet savait qu’il existait une pierre attirant le fer, la magnétite, dont le nom vient du grec « magnês », aimant. La première application du magnétisme fut la boussole, qui, paraît-il, a été inventée par les Chinois vers le Xème siècle.

1. Expérience d'Oersted

La relation entre l’électricité et le magnétisme a été clairement établie au XIXème siècle avec les travaux d’Oersted, Ampère et Faraday. Lorsque des charges électriques sont en mouvement, elles sont accompagnées non seulement de leur champ électrique mais aussi d’un champ magnétique.

C’est Hans Christian Oersted qui, en 1820, a constaté pour la première fois, la déviation d’une boussole lorsqu’elle est placée au voisinage d’un fil parcouru par un courant électrique.

Voir la vidéo : Expérience d'Oersted

2. Un courant électrique crée un champ magnétique

Lorsqu’il est parcouru par un courant électrique, un fil conducteur sous forme de boucle par exemple, crée autour de lui un champ magnétique analogue à celui qui accompagne un aimant permanent. La découverte est importante car dans ce cas, et contrairement à ce qui se passait jusqu’alors avec les aimants permanents, on peut augmenter ou diminuer, avec beaucoup de souplesse et à volonté, les intensités de ces champs, en faisant varier les intensités des courants dont ils dépendent. Cette découverte a également ouvert la voie au développement des recherches sur le magnétisme.

Dès qu’il est mis au courant de ce phénomène, André-Marie Ampère prend les choses en main en établissant les règles et les lois de l’électromagnétisme. Il invente de nouvelles expériences comme le fameux solénoïde, qu’il a perfectionné en y introduisant un noyau de fer.

Les schémas ci-dessous représentent :

  • les lignes de champ magnétique d'un aimant. Elles sont orientées du nord vers le sud.
  • les lignes de champ magnétique (représentées en 3d) d'un solénoïde parcouru par un courant électrique.
  • un solénoïde dans lequel on a introduit un noyau de fer (électroaimant).

Voir la vidéo : Aimants et courants, quelques expériences inspirées d'Ampère

L’électroaimant (Ensemble bobine et noyau) est ainsi adopté dans les laboratoires en lieu et place des aimants permanents.

Exemple d'application : la sonnette électrique (B)

Voir la vidéo : L'électroaimant : un aimant à volonté

3. Un champ magnétique variable crée un courant électrique : c'est l'induction électromagnétique

Si un courant électrique produit un champ magnétique, il en est de même pour un champ magnétique à condition que ce dernier soit changeant (variable). Un aimant permanent ou un électro-aimant en mouvement, produit un courant électrique (courant induit) dans n’importe quel circuit fermé (un fil conducteur en forme de boucle quelconque ou enroulé en bobine, une carcasse métallique…) et placé à son voisinage.

Exemple :

  • Si un aimant reste immobile à côté d'une bobine reliée à un ampèremètre, on n'observe aucun courant électrique dans la bobine (l'aiguille de l'ampèremètre ne bouge pas).
  • Si on approche ou éloigne un aimant d'une bobine reliée à un ampèremètre, on observe un courant induit dans la bobine (l'aiguille de l'ampèremètre se déplace à droite ou à gauche du cadran).
    Explication : en déplaçant l'aimant, on fait varier le champ magnétique de l'aimant à l'intérieur de la bobine.

Encore une nouvelle découverte et non des moindres. Désormais, on peut produire des courants électriques avec des aimants, pourvu qu’ils bougent. Tous les moyens de l’époque étaient bons pour les mettre au travail ! L’induction électromagnétique est là, on la doit à l’un des grands génies des physiciens expérimentateurs du XIXème siècle, Michael Faraday. Il a ainsi ouvert la voie à l’une des grandes révolutions industrielles, l’industrie électrique.

Voir la vidéo : Faraday : créer de l'électricité avec le magnétisme ?

4. Champ magnétique et courant électrique induisent un mouvement

L’épopée des physiciens de l’époque est abordée au moyen d’expériences spectaculaires. Des bobines parcourues par des courants intenses de 500 ampères et 1000 ampères permettent de montrer les effets du champ magnétique des courants électriques, leur interaction et le phénomène d’induction électrique mis à profit dans les centrales électriques, les cuisinières à induction, les systèmes de freinage à courants de Foucault, etc. Ces expériences permettent de dégager les trois notions fondamentales : courant, champ magnétique et mouvement ainsi que leurs relations :

  • Champ magnétique et mouvement induisent un courant électrique (induction).
  • Champ magnétique et courant induisent un mouvement (exemple : le moteur électrique).

Voir la vidéo : Produire du mouvement avec un courant électrique ?

Exemple : principe de fonctionnement d'un moteur électrique à courant continu

La force électromagnétique ou force de Laplace est la force F qui s’exerce sur un conducteur CD parcouru par un courant d’intensité I (sens du courant : de C vers D) lorsqu’il est entièrement plongé dans le champ magnétique uniforme B créé par l'aimant.

La direction et le sens de la force F sont obtenus en appliquant la règle des trois doigts de la main droite.

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Hans Christian Oersted (1777-1851)
Physicien et chimiste danois

André-Marie Ampère (1775-1836)
Mathématicien, physicien et chimiste français

Michael Faraday (1791-1867)
Physicien et chimiste britannique

Nikola Tesla (1856-1943)
Inventeur et ingénieur américain d'origine serbo-croate

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