【Édition du Peuple】Physique du lycée, spécialité - Volume 2 : L'effet du champ magnétique sur le courant et les charges : Du macroscopique au microscopique

Du barrage des Trois Gorges au tube à rayons cathodiques : Un dialogue à travers les échelles de force

Dans cette leçon, nous allons entreprendre un voyage mental dumécanique macroscopiqueàdynamique microscopiquele processus de pensée. Imaginez le flux puissant du barrage des Trois Gorges actionnant un grand générateur. Le processus physique fondamental est la production de courant électrique par le mouvement d'un conducteur dans un champ magnétique. La résistance que subit ce courant dans le champ magnétique est en réalité une accumulation macroscopique de forces de Lorentz agissant sur un grand nombre de particules microscopiques.force de Lorentzau niveau macroscopique. À l'inverse, dans les téléviseurs anciens,balayage (scanning)la technologie utilise un champ magnétique pour contrôler le faisceau d'électrons : chaque balayage du haut vers le bas du faisceau constitue une image.

Lois physiques fondamentales

Force d'Ampère (Ampere Force): $F = B I l$ Lorsque le courant est perpendiculaire au champ magnétique uniforme, la force atteint sa valeur maximale.
Force de Lorentz (Lorentz Force): $F = q v B$ Elle représente l'essence microscopique de la force d'Ampère. Dans un champ magnétique uniforme, si une charge décrit un mouvement circulaire, alors $q v B = m \frac{v^{2}}{r}$ .
Loi du mouvement: La période du mouvement circulaire uniforme d'une particule chargée dans un champ magnétique uniforme est $T = \frac{2 π m}{q B}$ , ce qui est surprenant, car elle est indépendante du rayon de l'orbite et de la vitesse du mouvement.

Pensée et perspective

电厂的发电机如何实现能量守恒？实验初步结论表明：感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化，即loi de Lenz.

Les gigantesques groupes électrogènes du barrage des Trois Gorges transforment l'énergie mécanique en énergie électrique grâce à l'action du champ magnétique sur le courant. La source de cette force macroscopique réside dans l'accumulation des forces agissant sur les particules microscopiques.

QUESTION 1

Dans le champ magnétique de la figure 1.1-9, un conducteur parcouru par un courant est orienté perpendiculairement au champ. Si on connaît le courant

I

vers la droite, et l'intensité du champ magnétique

B

perpendiculaire au plan de la page, vers l'intérieur, quelle est la direction de la force d'Ampère selon la règle de la main gauche ?

vers le haut

vers le bas

vers l'intérieur

vers l'extérieur

QUESTION 2

Concernant la formule de définition de l'intensité du champ magnétique

B = F / I l

et la formule de calcul de la force,

F = I l B

laquelle des affirmations suivantes est correcte ?

F = 0

, alors l'intensité du champ magnétique à cet endroit

B

est certainement nulle

B

dépend de

F

I

l

ensemble

B = F / I l

est une méthode de définition par rapport, donc

B

les propriétés sont déterminées par le champ magnétique lui-même

Lorsque la direction du courant est parallèle à celle du champ magnétique, la formule

F = I l B

reste applicable

❌ Incorrect

Notez que

F = 0

peut être due à une orientation parallèle du courant et du champ magnétique, et que

B

sa définition repose sur une méthode de rapport, indépendante de l'intensité de la force.

QUESTION 3

Dans l'expérience illustrée à la figure 1.1-12, l'extrémité inférieure d'un ressort souple touche exactement le mercure. Que se passe-t-il lorsque le courant est appliqué ?

reste au repos

se contracte continuellement et quitte la surface du mercure

vibre verticalement

se déplace constamment vers la gauche

QUESTION 4

Dans la figure 1.1-10, si la tige conductrice

a b

est posée sur un plan incliné d'un angle de

θ

sur un plan lisse, le champ magnétique

B

est vertical vers le haut, et le courant va de

a

vers

b

La direction de la force d'Ampère exercée sur la tige conductrice est-elle ?

vers le haut du plan incliné

perpendiculaire au plan incliné vers le haut

horizontalement vers la droite

horizontalement vers la gauche

✅ Correct !

Correct. Selon la règle de la main gauche, les lignes de champ magnétique passent vers le haut à travers la paume, les quatre doigts pointent vers l'intérieur de la page (ou selon la direction de

a

b

du courant), le pouce pointe horizontalement vers la droite.

QUESTION 5

Comme illustré à la figure 1-1, un conducteur rigide parcouru par un courant est placé dans un champ magnétique en forme d'arc

a b

. Si le courant va de

a

b

vers quelle direction le conducteur va-t-il se déplacer ?

se déplace uniquement vers le haut

tourne tout en descendant

reste au repos

effectue un mouvement circulaire uniforme

Expérience : Mesure de l'intensité du champ magnétique avec une balance à courant

Utilisation de l'équilibre des forces macroscopiques pour mesurer l'intensité du champ microscopique

Comme illustré à la figure 1.1-11, le bras droit d'une balance à courant porte une bobine rectangulaire de n spires

n

, de longueur de base de

l

et située dans un champ magnétique uniforme. Lorsque la bobine est parcourue par un courant

I

, la masse des poids sur le plateau gauche est ajustée

m

afin d'équilibrer la balance.

Veuillez dériver l'expression de l'intensité du champ magnétique

n

m

l

I

en fonction de

B

et calculez : lorsque

n = 9

l = 10,0 cm

I = 0,10 A

m = 8,78 g

alors (en prenant

g = 9,8 {m/s}^{2}

), quelle est l'intensité du champ magnétique ?

Réponse :
Selon les conditions d'équilibre, la force d'Ampère

F = n B I l

est équilibrée par la différence de poids

m g

. Ainsi,

B = \frac{m g}{n I l}

. En substituant les données :

B = \frac{0,00878 \times 9,8}{9 \times 0,10 \times 0,10} \approx 0,956 T

Réflexion approfondie : Si nous doublons le courant dans la bobine tout en maintenant l'intensité du champ magnétique constante, la balance peut-elle rester en équilibre ? Si non, comment devrions-nous ajuster les masses ?

Réponse :
Non, l'équilibre ne peut pas être maintenu. Après avoir doublé le courant, la force d'Ampère

F

devient deux fois plus grande. À ce moment, la force agissant sur le bras droit augmente, nécessitant une augmentation de la masse des poids sur le plateau gauche. La masse ajoutée doit être égale à la masse initiale des poids

m

(supposant que les poids étaient utilisés uniquement pour compenser la force d'Ampère à l'équilibre initial).