A. Ondes radio - DSFM
Applications : Électroaimants utilisés : a) pour soulever des ... seule d'entre elles?
Force exercée par un champ magnétique sur un courant ? principe du moteur.
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Unité X: LÉlectromagnétisme et les ondes électromagnétiques
Champ magnétique dun courant électrique
Charges électriques en mouvement créent un champ magnétique entourant ces dernières.
Oersted le premier à en faire la découverte en trouvant que laiguille dune boussole était déviée de son orientation naturelle par un courant électrique dans un fil.
Symbole utilisé pour le champ magnétique : B
Voir diagrammes à la page suivante pour lorientation du champ magnétique :
autour dun long fil rectiligne;
autour dune spire ou dun solénoïde.
Relation entre le sens du champ et le sens du courant dans un conducteur est donnée par la règle de la main droite :
Pour un long fil rectiligne, si on saisit le conducteur de la main gauche (droite) de sorte que le pouce indique le sens du courant électronique (conventionnel), les doigts enroulés autour du fil seront orientés dans le sens du champ.
Pour une spire ou un solénoïde, si on le saisit de la main gauche (droite) avec les doigts enroulés dans la direction du courant électronique (conventionnel), le pouce donnera la direction du champ magnétique à lintérieur de la boucle.
Applications : Électroaimants utilisés :
pour soulever des matériaux ferromagnétiques lourds;
dans une sonnette électrique;
dans un disjoncteur.
Vérification de la nature vectorielle du champ magnétique
Nommer :
BT - champ magnétique terrestre et
BI - champ magnétique induit par courant électrique circulant dans boucle de fil électrique.
Hypothèse 1 :
Si un courant traversant une boucle de fil est ajusté pour que le champ magnétique induit (BI) ait la même grandeur que le champ magnétique terrestre (BT) et que ces deux champs magnétiques terrestres sont placés perpendiculaires lun à lautre, la résultante BR devrait être à 45° de chacun si BI et BT sont des grandeurs vectorielles.
Manipulations :
Pour obtenir la grandeur de BI = la grandeur de BT :
Avec I dans la boucle = 0, placer laxe de la boucle parallèle à la direction N-S de laiguille aimantée de la boussole.
Choisir le sens du courant dans la boucle de telle sorte que BI est opposé à BT.
Augmenter I jusquà ce que laiguille oscille librement (BI = -BT).
Pour vérifier que BI et BT sadditionnent vectoriellement, placer laxe perpendiculaire à la direction de laiguille aimantée utilisant le même I que dans (iii) ci-dessus.
Résultat : Le même que prévu.
Conclusion : Les champs magnétiques sadditionnent vectoriellement.
Hypothèse 2 :
Si on double lintensité du courant dans la boucle, on devrait doubler la grandeur du champ magnétique induit (BI) et laiguille de laimant devrait maintenant se trouver à 63° de la direction N-S (BT). Voir calcul ci-dessous.
Manipulation : Lintensité du courant de lactivité précédente est doublée.
Résultat : La direction de laiguille est environ 63° de la direction N-S.
Conclusion : Lintensité du champ magnétique est directement proportionnelle à lintensité du courant créant le champ. (BI ± I).
Exercice :
1. Un champ magnétique horizontal uniforme B est dirigé vers l est et est, de plus, perpendiculaire à la composante horizontale BT du champ magnétique terrestre.
a) Si le rapport B/BT est égale à "3 dans quelle direction une aiguille aimantée placée dans le champ sorientera-t-elle?
b) Si laiguille aimantée soriente vers le nord-est, quelle est alors la grandeur de B?
2. Deux spires circulaires identiques parcourues par des courants égaux ont un centre commun et sont perpendiculaires lune à lautre. Comment la grandeur du champ résultant quelles créent se compare-t-elle à la grandeur du champ crée par une seule dentre elles?
Force exercée par un champ magnétique sur un courant principe du moteur
Le champ magnétique peut servir dintermédiaire pour la transformation de lénergie électrique dans un fil électrique en énergie mécanique tant que ce dernier soit à un angle et préférablement perpendiculaire au champ magnétique. Voici les caractéristiques décrivant la force exercée par un champ magnétique sur un courant électrique :
La force (FB) est perpendiculaire, à la fois, au champ magnétique (B) et au courant (I). Tu peux utiliser ce quon appelle la 2e règle de la main gauche (pour courant électronique) ou de la main droite (pour courant conventionnel) pour figurer lorientation de FB étant donné lorientation de B et I si tu laisses :
le pouce représenté lorientation de I,
les doigts représentés lorientation du champ magnétique externe, et
la paume de la main représentée la force exercée sur le courant.
F ± B4%, la grandeur de la composante de B 4% à la force et au courant;
F ± I, l intensité du courant dans le fil;
F ± l, la longueur du fil traversé par le champ magnétique.
Combinant les relations b, c et d, on obtient :
F ± B4%Il
et donc F = kB4%Il où la constante ne dépend que du choix des unités. Puisque les unités de B n étaient pas encore connues quand cette relation fut découverte, on choisit une unité de B de telle sorte que la constante, k, = 1 pour simplifier l équation ci-dessus. Alors,
F = B4%Il
Et B4% = F/ Il
Ce qui donne des unités de N/A·m pour B. Comme pour bien d autres combinaisons d unités déjà rencontrées en physique, on propose le tesla (T) pour remplacer N/A·m.
Le tesla est tout simplement le champ magnétique qui exerce une force de 1 N sur un courant de 1 A circulant perpendiculairement au champ sur une distance de 1 m.
Exercices :
1. Représente par un vecteur la donnée manquante : F, B ou I selon le cas. La présence des cubes na pour objet que de taider à visualiser le problème en trois dimensions.
2. Dans chaque cas ci-dessous, trouve le sens dans lequel la force sexerce sur le conducteur.
3. Trace le diagramme suivant dans ton cahier, puis :
a) trace les lignes de champ magnétique de laimant et du conducteur;
b) indique où les lignes sannulent;
c) indique le sens du mouvement du conducteur;
d) énonce une autre règle qui pourrait taider à déterminer la direction du mouvement du conducteur.
4. Supposons quun fil transporte un courant de gauche à droite à travers un champ magnétique dirigé horizontalement vers toi. Quel est le sens de la force magnétique exercée sur le fil?
5. Calcule lintensité du courant passant dans une barre de cuivre de 10,0 m de longueur, si la force exercée sur la barre est de 20,0 N lorsque lintensité du champ magnétique est de 10,0 T. (La barre est perpendiculaire au champ.)
6. Chaque mètre dune barre métallique parcourue par un courant de 25 ampères subit une force de 100 N quand le fil est perpendiculaire au champ magnétique. Calcule lintensité du champ magnétique.
7. Quelle est la force exercée sur un fil ayant une longueur de 4,00 m et qui est parcouru par un courant de 5,00 A sil est placé dans un champ magnétique uniforme de 8,0 T faisant un angle de 30,0° avec le courant.
8. Un fil 140 m de long étiré entre deux bâtiments et transportant un courant de 200 A subit une force, due au champ magnétique de la Terre, de 1,2 N. Quelle est la grandeur du champ magnétique de la Terre sil fait un angle de 60° avec le fil?
9. Le champ magnétique à lintérieur dun long solénoïde est uniforme et parallèle à laxe du solénoïde.
a) Quelle est la force longitudinale qui sexerce sur un fil parcouru par un courant placé selon laxe du solénoïde?
b) Quelle est la grandeur de la force exercée sur la portion CD du fil parcouru par un courant de 1,0 A, si le champ B dans le solénoïde est de 1,0 x 10 T et que la longueur CD est de 2,00 cm?
c) Quelle masse m faudrait-il placer à lautre extrémité de la balance pour lempêcher de basculer?
d) Explique de quelle façon ce montage pourrait être utilisé en guise dampèremètre.
Applications du principe du moteur
Ampèremètre et Voltmètre
Voir prochaine page pour diagramme et explications.
Moteur à courant continu
Voir page suivant voltmètre et ampèremètre pour diagrammes et explications.
Voir aussi le site web suivant pour une illustration du fonctionnement du moteur électrique : HYPERLINK "http://alain.delpech.chez.tiscali.fr/phy/motelec.htm" http://alain.delpech.chez.tiscali.fr/phy/motelec.htm
Exercice :
Le schéma suivant illustre une barre de fer montée sur un pivot entre les branches dun aimant en forme de fer à cheval.
Indique quel sens les électrons doivent se déplacer dans la bobine pour que lextrémité supérieure de la barre en soit le pôle nord. Dans quelle direction la barre tendra-t-elle à se déplacer?
Indique dans quel sens les électrons doivent se déplacer dans la bobine pour que la barre tende à tourner dans le sens antihoraire.
Force exercée par un champ magnétique sur des particules chargées individuelles en mouvement
Puisque la force qui sexerce sur un conducteur parcouru par un courant électrique à lintérieur dun champ magnétique est vraiment la somme des forces qui sexercent sur chacune des particules individuelles, nous allons maintenant dériver une équation pour la force qui s exerce sur une de ces particules.
Partons avec l équation FB = B4%Il.
Substituons pour I et l avec des valeurs plus utiles si on est pour parler de la force sur une particule. Puisque FB s exerce sur une particule ayant une charge q et une vitesse vectorielle v, on substitut I = q/"t et l = v"t dans
FB = B4%Il
Et donc FB = B4%( q/"t)( v"t)
Les "t s annulent et FB = qv B4% où v, B4% et FB sont 4%
l un à l autre.
Si la particule chargée est constamment sous l influence de B4%, alors un cercle sera décrit par la particule (puisque FB est 4% à v) et FB sera une force centripète sur cette particule. Mathématiquement,
Fc = mac (Particule poursuit un mouvement circulaire.)
FB = mac (FB = Fc et substitus l équation appropriée pour ac.)
qv B4% = mac (FB = qv B4%)
Exercices :
1. Trouve la force exercée sur un proton qui entre dans un champ magnétique de 1,5 T avec une vitesse de 2,0 x 107 m/s.
2. Un proton circule perpendiculairement à un champ magnétique de 1,0 T. Si la force exercée sur le proton est de 6,4 x 10-12 N, trouve la vitesse du proton.
3. Calcule la force exercée sur un avion ayant acquis une charge de 130 C et se déplaçant à une vitesse de 250 m/s perpendiculaire au champ magnétique de la Terre. (BT = 5,0 x 10-5 T)
4. Un électron se déplace à une vitesse de 4,0 x 107 m/s dans un champ magnétique dont lintensité est de 1,0 T. Calcule le temps mis par lélectron pour décrire un cercle complet dans ce champ magnétique.
5. Un champ magnétique de 1,0 x 10-3 T est perpendiculaire au déplacement dun électron. La trajectoire décrite par lélectron est un cercle de 10,0 cm de rayon. Calcule la vitesse de lélectron.
6. Un électron est accéléré par une différence de potentiel de 5,0 kV. Que sera le rayon de sa trajectoire dans un champ magnétique de 3,0 x 10-5 T?
7. Un faisceau dions portant une seule charge se déplace dans une région de lespace où il y a un champ électrique uniforme, E = 1,0 x 103 N/C et un champ magnétique uniforme, B = 2,0 x 10-2 T. Les champs électrique et magnétique sont perpendiculaires lun à lautre, et chacun deux est également perpendiculaire au faisceau de sorte que la force électrique et la force magnétique sexerçant sur un ion sopposent. Quelle est la vitesse des ions qui, sans être déviés traversent ces champs électrique et magnétique perpendiculaires?
6. Spectromètre de masse de Bainbridge
Utilisé pour mesurer la masse dions positifs +1 (venant de particules ayant étant brisées en fragments et ionisées par bombardement délectrons et ayant donc essentiellement la même masse que lion formé).
Peut donc être utile pour déterminer les masses atomiques des éléments, labondance de ses isotopes et pour lidentification chimique dun composé inconnu à partir des fragments qui le compose.
Fonctionnement :
7. La lumière comme rayonnement électromagnétique
Réintroduisons un terme que nous avons déjà vu dans notre étude de la physique nucléaire, un qui nous avère utile dans létude de la lumière : le rayonnement ou la radiation. Cest tout simplement de lénergie émise par un corps quelconque. Elle peut prendre plusieurs formes. Elle peut être:
acoustique où le son se propage sous forme dondes;
corpusculaire comme lorsquune substance radioactive émet des particules ( (alpha) consistant de noyaux dhélium et/ou des particules ( (béta) consistant délectrons;
électromagnétique, cest-à-dire une forme de lumière.
Cest cette dernière qui nous intéresse particulièrement ici. Le rayonnement (la lumière) est initié lorsque :
une charge oscille ou est accélérée ou
des molécules, atomes ou noyaux nucléaires font des transitions à des plus bas niveaux dénergie.
Cette perturbation se transforme en une forme dénergie transmise à travers de lespace (vide ou pas) par ondes sinusoïdales transversales avec deux composantes perpendiculaires lune à lautre. Les deux composantes consistent de champs électriques et magnétiques variables (quand lun est fort, lautre est faible). Cette perturbation sappelle une onde électromagnétique. Voir diagramme ci-dessous.
Toutes lumières, quelle soient visibles ou invisibles ont une nature électromagnétique comme illustré ci-dessus. En plus, elles ont toutes la même vitesse dans le vide, soit 3,00 x 108 ms-1. Ce qui distingue les différents types de lumière est leur fréquence et donc leur longueur donde comme nous le verrons à la prochaine section.
8. Le spectre électromagnétique
Le spectre électromagnétique consiste de lensemble complet dondes électromagnétiques (duquel la lumière visible forme une petite partie) dune variété de longueurs dondes et de fréquence. Ces deux derniers paramètres peuvent être déterminés connaissant lautre en utilisant léquation donde étudiée à la dernière unité, soit v = (f. Cependant, puisque la vitesse de la lumière est une constante, quimporte le type de lumière, on remplace le v dans léquation donde par c, une constante universelle pour la vitesse de la lumière, soit 3,00 x 108 ms-1. Donc léquation donde pour la lumière devient c = (f.
Le spectre électromagnétique est une échelle continue de rayonnement sétendant depuis les ondes de radio jusquaux rayons gamma. Les différentes parties du spectre sont illustrées ci-dessous. Noter que les différentes régions du spectre ci-dessous sont déterminées à partir de la façon que la radiation (lumière) est produite.
En plus, leurs effets et leurs utilités varient beaucoup. Voici donc une brève description de chaque région du spectre.
Ondes radio :
( de quelques mètres à des milliers de km
attribuables aux oscillations délectrons dans des conducteurs ou dans des tubes électroniques
peuvent parcourir de longues distances à travers de latmosphère, sans absorption, en zigzaguant autour du globe par réflexion de lionosphère, zone de latmosphère composée de gaz ionisée
diffractent (contournent) autour des coins facilement
surtout utilisées dans les télécommunications (radio et télévision)
Micro-ondes ou ondes à ultra-haute fréquence (UHF)
( denviron ¼ de centimètre à 1/3 de mètre
attribuables aux transitions dune molécule dun niveau dénergie de mouvement, soit de rotation de la molécule ou vibrationnel des atomes à lintérieur dune liaison, à un autre plus bas
peuvent parcourir de longues distances à travers de latmosphère, sans absorption, :
en les relayant par de grandes tours distantes de 50 km, soit la distance étant baptisée « ligne de visibilité directe » ou
en les transmettant à un satellite de communication qui les rediffusera vers des émetteurs situés sur la Terre puisquelles peuvent traverser lionosphère
émises par les quasars, les galaxies en explosion ou des nuages de gaz interstellaires et détectées par de grands radiotélescopes
utilisé pour déterminer la position et/ou la vitesse dun objet solide (cette petite région du spectre sappelle le radar)
utilisé dans les fours micro-ondes où, une certaine fréquence, bien absorbée par leau surtout sert à faire vibrer ces molécules plus rapidement et donc réchauffer la nourriture
Rayons infrarouges
( denviron 0,000 025 cm à 0,25 cm
proviennent dobjets chauds
ont leur origine dans la vibration datomes dans les molécules
sont facilement absorbés par les gaz à effet de serre dans latmosphère comme le dioxyde de carbone et le méthane
Lumière visible
la plus étroite région du spectre ayant une longueur donde entre 380 et 720 nanomètres (nm)
produite par la transition délectrons dans des atomes ou des molécules dun niveau dénergie extérieur à un autre moins élevé
comprend les couleurs et peut être détecté par la rétine de lil humain
Radiation ultraviolette
( denviron 1 nm à 380 nm
produite en excitant les atomes et/ou molécules de la matière en les échauffant ou en les bombardant avec des électrons dénergie appropriée
produite, comme pour la lumière, par la transition délectrons dans des atomes ou des molécules dun niveau dénergie extérieur à un autre moins élevé
est partiellement absorbé par la couche dozone dans la stratosphère
a une énergie suffisamment élevée pour pénétrer la peau et être dangereuse (par exemple, U.V. du Soleil peut causer le cancer de la peau)
ne peut traverser le verre mais le quartz y est transparent
Rayons X
( entre 10-11 et 10-8 m
produites par labsorption et donc la décélération délectrons à haute énergie dans la matière ou résultent de transitions électroniques entre un niveau externe et un niveau interne datomes déléments plus lourds
peuvent traverser la matière solide jusquà un certain degré
utiles en médecine et en industrie pour linvestigation des structures internes
Rayon gamma (()
( ( 10-11 m
résultent de transitions de noyaux faisant des transitions à des niveaux dénergie moins élevés
étant donné la longueur donde plus petite que le diamètre dun atome, ces rayons peuvent traverser la plupart des solides facilement
produits par les étoiles et certaines réactions nucléaires
9. Propriétés des ondes électromagnétiques
Dispersion : Phénomène où les différentes longueurs donde constituant un faisceau de lumière seront réfractées à différents angles en passant au travers dune matière transparente plus dense. Les différentes longueurs donde de la lumière ont donc des légèrement différents indices de réfraction pour une matière transparente donnée. Lindice de réfraction, n, diminue légèrement à mesure que la longueur donde augmente. Ceci est dû au fait que les différentes longueurs donde ont des légèrement différentes vitesses dans le même milieu.
Ce phénomène peut être utilisé pour produire le spectre de couleurs de la lumière blanche traversant un prisme comme illustré.
Diffusion du rayonnement par la matière est un phénomène impliquant linteraction entre le rayonnement et les molécules de la matière résultant en une redirection du rayonnement sans aucune altération.
Pourquoi le ciel est bleu?
Les molécules d'air ont la bonne dimension pour diffuser les plus courtes longueurs d'ondes de la lumière, les violet, indigo et bleu; les longueurs d'ondes plus longues, telles que les rouges, ne sont à peu près pas diffusées par ces molécules d'air. C'est donc un mélange de violet, d'indigo, de bleu, de vert et une petite fraction des autres couleurs qui étant diffusés dans tout le ciel, lui conférant ce bleu que l'on connaît bien.
Pourquoi le coucher de Soleil rouge?
A cause de l'angle qu'il fait avec la terre, le soleil doit, au lever et au coucher, voyager plus longtemps dans l'atmosphère avant d'atteindre la terre. Autrement dit, il parcourt une plus grande distance dans l'atmosphère. Un long voyage signifie que les longueurs d'onde les plus courtes (du côté bleu) du spectre sont de plus en plus diffusées, laissant ainsi les longueurs d'onde du rouge, orange ou jaune nous atteindre ou se réfléchir sur les nuages.
Absorption a lieu lorsque lénergie des photons de lumière correspond à la différence dénergie entre les niveaux dénergie=h &
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Exemples : (i) Absorption de linfra rouge du rayonnement terrestre par les gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone et le méthane.
(ii) Absorption du rayonnement ultra violet par lozone de la stratosphère avant darriver à la surface terrestre.
Transmission : Phénomène où la lumière passe dun milieu à un autre, normalement transparent à cette lumière. Noter que cette transmission devient une réfraction.
10. Lumière laser
Définitions
La lumière laser est une source de lumière monochromatique, cohérente et très intense et directionnelle. Monochromatique veut dire dune seule couleur où le rayonnement électromagnétique est dune variété extrêmement étroite de longueurs donde. Cohérente implique la production dondes en phase où les crêtes des différentes ondes sont ensemble ainsi que les creux. Très intense implique une forte concentration de photons transportant donc beaucoup dénergie. Directionnelle veut dire que les ondes se déplacent dans la même direction et parallèle lune à lautre.
b) Mécanisme pour production de lumière laser
Une source dénergie excite les particules actives à un plus haut niveau dénergie W2 duquel il revienne à un niveau dénergie métastable (état dexcitation où les électrons restent pour une relativement longue période de temps comparé aux autres états dexcitation) W1 au dessus du niveau dénergie fondamental W0. Voir le diagramme ci-dessous. Les électrons saccumulent dans cet état formant une inversion de population (avoir plus datomes dans un état dexcitation que fondamental).
Passer des photons dénergie W1 W0 stimule les atomes à létat W1 démettre des photons de lumière monochromatique, cohérente et directionnelle.
c) Applications du laser
En technologie : lecteurs de codes à barres, disques laser, communication de conversations téléphoniques au travers de fibres optiques
En industrie : inspection, soudage et usinage des métaux, perçage de trous minuscules dans les métaux.
En médecine : Destruction localisée de tumeurs, recollement de la rétine, correction de la cornée, cautérisation des vaisseaux lymphatiques et des capillaires.