【Édition Pédagogique Chinoise】Physique du Lycée, Première Année, Volume 3 : La découverte d’Oersted et la détermination du sens du champ magnétique

Le moment « fortuit » qui a ouvert l’ère de l’électromagnétisme

En avril 1820, Oersted, lors d’un exposé, place accidentellement un fil au-dessus d’une boussole et fait passer un courant. À cet instant précis,l’aiguille aimantée subit une déviation notablece qui correspondait exactement à ce qu’Oersted attendait. Avant cela, on pensait généralement que l’électricité et le magnétisme étaient des phénomènes totalement indépendants. Cette découverte prouve que le courant électrique peut produire un champ magnétique, révélant ainsi un lien intime entre électricité et magnétisme, tout en remettant en question les préjugés établis dans le monde scientifique.

Réalité physique fondamentale : Champ magnétique et lignes de champ

Champ magnétique (Magnetic Field): Champ physique généré par un courant dans son environnement immédiat. Ce n’est pas une abstraction, mais une forme concrète de matière qui exerce une force sur tout corps aimanté placé à l’intérieur.
Lignes de champ magnétique (Magnetic Induction Line): Pour décrire visuellement le champ magnétique, noustraçons des courbes en suivant les petits morceaux de fer dispersés dans le champLa densité des lignes indique l’intensité du champ ; la direction tangente à une ligne donne la direction du champ au point considéré.
Détermination topologique spatiale: Le rapport entre le sens du courant dans un fil droit et celui des lignes de champ peut être déterminé parRègle d’Ampèrela règle d’Ampère.

💡 Perspective historique

L’expérience d’Oersted n’était pas seulement la découverte de la production de magnétisme par un courant électrique, elle a également ouvert la voie à l’unification électromagnétique. C’est précisément sous l’influence de cette idée que Faraday, dix ans plus tard, découvrit l’induction électromagnétique, accomplissant ainsi une symétrie fondamentale entre « magnétisme produisant électricité ».

QUESTION 1

[Visuel : Figure 13.1-13] Une petite aiguille aimantée proche d’un fil rectiligne parcouru par un courant est orientée comme indiqué sur la figure 13.1-13, avec son pôle N pointant vers le nord-est. Indiquez le sens du courant dans le fil.

Sortant du plan de la page

Du bas vers le haut

Du haut vers le bas

Horizontalement vers la gauche

QUESTION 2

[Visuel : Figure 13.1-14] Sur la figure 13.1-14, lorsqu’un courant circule dans un anneau conducteur dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, quelle est la direction finale du pôle N de l’aiguille aimantée placée au centre de l’anneau ?

Pointe vers l’intérieur de la page

Pointe vers l’extérieur de la page

Dans la direction radiale extérieure

Dans la direction tangentielle horaire

QUESTION 3

Concernant le champ magnétique d’un solénoïde parcouru par un courant, laquelle des affirmations suivantes est correcte ?

Le champ est plus intense à l’extrémité du tube qu’à l’intérieur

Le champ à l’intérieur est plus fort qu’à l’extérieur de l’extrémité, car les lignes de champ sont les plus denses à l’intérieur

Il n’y a pas de champ magnétique à l’intérieur du solénoïde

Les lignes de champ à l’intérieur du solénoïde vont du pôle N au pôle S

QUESTION 4

Dans l’expérience d’Oersted, quand le fil est placé horizontalement dans la direction nord-sud juste au-dessus de l’aiguille aimantée et qu’un courant y passe, pourquoi l’aiguille tourne-t-elle ?

Les charges dans le fil exercent une force statique sur l’aiguille

Le champ magnétique produit autour du fil chargé exerce une force magnétique sur l’aiguille

Le chauffage du fil modifie la densité de l’air

Le champ magnétique terrestre a soudainement disparu

QUESTION 5

D’après l’hypothèse d’Ampère concernant la magnétisation de la Terre, le champ magnétique terrestre est causé par un courant circulaire passant autour d’un axe passant par le centre de la Terre. Si le pôle S du champ se situe près du pôle géographique Nord, dans quel sens circule ce courant ?

D’ouest en est

D’est en ouest

Du sud au nord

Du nord au sud

Application intégrée : Quantification du champ et conversion d’énergie

Analyse approfondie combinant la définition du champ magnétique et les systèmes dynamiques à énergie renouvelable

Ce cas traite de la compréhension fondamentale de l’intensité du champ magnétique, de la détection du courant dans l’induction électromagnétique, ainsi que du calcul quantitatif de la transformation de l’énergie éolienne en électricité. Ces questions constituent une chaîne technologique allant de la magnétostatique élémentaire jusqu’aux applications énergétiques macroscopiques.

1. Dans une région donnée, la vitesse du vent est de $14 \text{ m/s}$, la densité de l'air est $\rho = 1.3 \text{ kg/m}^3$. Si la section efficace d'une éolienne est $A = 400 \text{ m}^2$, et que $20\%$ de l'énergie éolienne peut être convertie en électricité, calculez sa puissance générée.

Réponse :
D’après la formule de puissance éolienne : $P_{total} = \frac{1}{2} \rho A v^3$. En remplaçant les valeurs : $P_{total} = 0.5 \times 1.3 \times 400 \times 14^3 = 713\,440 \text{ W}$. La puissance électrique finale est $P = P_{total} \times 20\% \approx 1.43 \times 10^5 \text{ W}$ (soit environ $143 \text{ kW}$).

2. Analyse de l'affirmation : Certaines personnes pensent que l'intensité du champ magnétique $B$ est proportionnelle à la force magnétique $F$ et inversement proportionnelle au produit $Il$. Cette opinion est-elle correcte ? Pourquoi ?

Réponse :
Cette affirmation est fausse. L'intensité du champ magnétique $B$ est une propriété intrinsèque du champ, déterminée par sa source (par exemple un aimant permanent ou une source de courant), indépendamment du courant test ($I, l$) ou de la force $F$ mesurée. Cette formule n'est qu'une définition, non une relation de détermination.

3. Comme indiqué sur la figure 13.3-12, les bobines A et B sont enroulées autour d’un noyau ferromagnétique P. Si le courant $i$ dans la bobine A varie avec le temps $t$. Pendant la période $t_1 \sim t_2$, si le courant $i$ reste constant (comme sur la figure C), y aura-t-il un courant induit dans la bobine B ? Et si le courant augmente linéairement (comme sur la figure A) ?

Réponse :
若电流恒定（图丙），磁通量不发生变化，B 线圈中无感应电流。若电流随时间变化（如图甲线性增加、图乙减少或图丁非线性变化），产生的磁场随之变化，穿过 B 的磁通量改变，从而在 B 中观察到感应电流。

4. Calcul du flux magnétique : La surface de la bobine est $S$, perpendiculaire à un champ magnétique uniforme $B$. Calculez le flux magnétique dans les positions initiale, après rotation de $60^{\circ}$ autour de $OO'$, et après rotation de $90^{\circ}$.

Réponse :
Au position initiale, le flux est $\Phi_1 = BS$. Après une rotation de $60^{\circ}$, l’aire projetée effective est divisée par deux, donc $\Phi_2 = BS \cos 60^{\circ} = 0.5 BS$. Après une rotation de $90^{\circ}$, la bobine est parallèle au champ, aucune ligne de champ ne la traverse, donc $\Phi_3 = 0$.