MAROC ZAIN ACADEMY Learn • Train • Succeed

Magnétostatique CPGE.

“`html
COURS 08 • PHYSIQUE CPGE

Courants.
Champs. Trajectoires.

La magnétostatique décrit les champs créés par des courants stationnaires. Force de Lorentz, Biot-Savart, Ampère, solénoïdes et moments magnétiques forment un ensemble central de l’électromagnétisme CPGE.

1. CHAMP MAGNÉTIQUE

Une grandeur vectorielle créée notamment par les courants.

Notation

B

Le champ magnétique est un vecteur.

Unité SI

tesla (T)

Lignes de champ

Elles sont tangentes au vecteur B en chaque point.

Propriété

Les lignes de champ magnétique sont fermées : on ne rencontre pas de monopôle magnétique dans le cadre classique usuel.

2. FORCE DE LORENTZ

Action d’un champ magnétique sur une charge en mouvement.

F = q(E + v × B)

Dans un champ purement magnétique :

F = q v × B

Sa norme vaut :

F = |q|vB sin θ
La force magnétique est toujours perpendiculaire à la vitesse instantanée. Elle ne travaille donc pas.
3. MOUVEMENT DANS UN CHAMP UNIFORME

Le champ change la direction, pas la norme de la vitesse.

Si v ⟂ B

Le mouvement est circulaire uniforme.

R = mv / (|q|B)

Pulsation cyclotron

ωc = |q|B/m

Période

T = 2πm/(|q|B)

Si v possède une composante parallèle

La trajectoire devient hélicoïdale.

MZA MAGNETIC ENGINE

La méthode avant tout calcul de champ.

01SOURCE
02SYMÉTRIES
03DIRECTION
04SENS
05BIOT / AMPÈRE
06LIMITES
4. LOI DE BIOT-SAVART

Construire le champ à partir d’un élément de courant.

Pour un élément de courant I dl :

dB = (μ₀ / 4π) · I (dl × ur) / r²

Le champ total s’obtient par intégration :

B = ∫ dB
5. FIL RECTILIGNE INFINI

Un grand classique de symétrie cylindrique.

À une distance r d’un fil infini parcouru par un courant I :

B(r) = μ₀I / (2πr)

Le champ est tangent aux cercles centrés sur le fil.

Le sens se détermine avec la règle de la main droite.
6. THÉORÈME D’AMPÈRE

L’équivalent magnétique de Gauss pour certaines symétries.

∮ B · dl = μ₀ Ienlacé

Le théorème d’Ampère devient très efficace pour :

  • fil rectiligne infini ;
  • solénoïde long ;
  • tore idéal ;
  • distributions présentant une forte symétrie.
7. SOLÉNOÏDE LONG

Créer un champ presque uniforme.

Pour un solénoïde long comportant n spires par unité de longueur :

B ≈ μ₀ n I

à l’intérieur, loin des extrémités.

Le champ extérieur est beaucoup plus faible dans le modèle idéal.

8. TORE

Champ confiné par symétrie.

Pour un tore idéal de N spires parcourues par un courant I :

B(r) = μ₀NI / (2πr)

dans la région magnétique interne du tore.

9. FORCE SUR UN CONDUCTEUR

Du mouvement des charges à la force de Laplace.

Pour un élément de conducteur :

dF = I dl × B

Pour une portion rectiligne de longueur L plongée dans un champ uniforme :

F = I L × B
10. COUPLE SUR UNE SPIRE

Transformer un champ magnétique en rotation.

Une spire plane de surface S parcourue par un courant I possède un moment magnétique :

m = I S n

Le couple exercé par un champ B vaut :

Γ = m × B
11. ÉNERGIE D’UN DIPÔLE MAGNÉTIQUE

Orientation privilégiée dans le champ.

Ep = -m · B

L’énergie est minimale lorsque m est aligné avec B.

12. SYMÉTRIES MAGNÉTIQUES

Analyser la géométrie avant l’intégrale.

Fil infini

Invariance par translation le long du fil et rotation autour de son axe.

Solénoïde long

Approximation d’invariance par translation loin des extrémités.

Tore

Symétrie circulaire autour de l’axe du tore.

13. RÈGLE DE LA MAIN DROITE

Déterminer rapidement le sens du champ.

Fil rectiligne

Pouce dans le sens du courant, doigts enroulés dans le sens du champ.

Spire

Doigts dans le sens du courant, pouce dans le sens du moment magnétique.

14. EXERCICES PROGRESSIFS

Direction, norme, mouvement.

NIVEAU 1

Exercice 1 — Charge dans un champ

Une particule de charge q pénètre avec une vitesse v perpendiculaire à un champ magnétique uniforme B. Identifier la nature de la trajectoire.

La force magnétique est toujours perpendiculaire à la vitesse et sa norme reste constante.
NIVEAU 2

Exercice 2 — Rayon cyclotron

Déterminer le rayon de courbure d’une particule de masse m et de charge q se déplaçant à vitesse v perpendiculairement à B.

Identifiez la force magnétique à la résultante centripète.
NIVEAU 3

Exercice 3 — Champ d’un fil

Un fil rectiligne infini est parcouru par un courant I. Déterminer B à une distance r.

Choisissez comme contour d’Ampère un cercle centré sur le fil.
NIVEAU PRÉPA

Exercice 4 — Solénoïde

Un solénoïde long possède N spires sur une longueur L et est parcouru par un courant I. Retrouver le champ intérieur.

Introduisez la densité de spires n=N/L puis utilisez le théorème d’Ampère.
15. PROBLEM LAB

Mission : spectromètre magnétique.

Situation

Des ions de même charge q mais de masses différentes pénètrent avec la même vitesse v dans une région où règne un champ magnétique uniforme B perpendiculaire à leur vitesse.

Votre mission :

  1. faire le bilan des forces ;
  2. justifier que la norme de la vitesse reste constante ;
  3. montrer que la trajectoire est circulaire ;
  4. exprimer le rayon en fonction de m, q, v et B ;
  5. comparer les rayons de deux isotopes de masses différentes ;
  6. expliquer comment le dispositif permet de séparer les ions ;
  7. étudier l’effet d’une augmentation de B ;
  8. étudier l’effet du signe de q sur le sens de courbure ;
  9. vérifier l’homogénéité de l’expression du rayon.
La force magnétique possède la bonne direction pour jouer le rôle de force centripète.
Écrivez |q|vB = mv²/R. Le reste devient une analyse comparative entre masse, charge, vitesse, champ et rayon.
MZA MAGNETIC CHECK

Les six réflexes magnétostatiques.

ACOURANT
BSYMÉTRIE
CDIRECTION
DSENS
EAMPÈRE
FLORENTZ
16. QCM DE VALIDATION

Diagnostic Magnétostatique CPGE.

Le score est affiché sans révéler les réponses correctes.

1. La force magnétique sur une charge q vaut :
2. Une force magnétique pure :
3. Le champ créé par un fil rectiligne infini varie comme :
4. Le théorème d’Ampère s’écrit :
5. Dans un solénoïde long idéal :
6. Si v est perpendiculaire à B dans un champ uniforme :
∮ B·dl = μ₀I

En magnétostatique, géométrie et symétrie font gagner l’essentiel du temps.

Courants, direction du champ, règle de la main droite, Ampère, force de Lorentz et moment magnétique constituent la base de tout le bloc électromagnétisme à venir.

“`