La force de Laplace
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• mettre en évidence expérimentalement la force de Laplace ;
• déterminer ses caractéristiques : direction, sens (règle des trois doigts), valeur F = I.l.B.sin α ;
• expliquer le fonctionnement d'un moteur à courant continu.
Situation
Ventilateurs, perceuses, jouets, voitures électriques : tous tournent grâce à un moteur électrique. Comment un courant électrique peut-il produire un mouvement ?
I. La force de Laplace
1. Mise en évidence
Un barreau de cuivre repose sur deux rails horizontaux reliés à un générateur, à travers un interrupteur, un rhéostat et un ampèremètre. Le barreau est placé dans le champ magnétique vertical d'un aimant en U.
Observations
- Sans courant, le barreau reste immobile. Sans aimant, aussi.
- Avec le courant et l'aimant, le barreau se déplace, perpendiculairement aux rails.
- Si l'on inverse le sens du courant, ou le sens du champ, le barreau part dans l'autre sens.
Un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique subit une force : la force de Laplace.
C'est une force répartie sur tout le conducteur ; dans un champ uniforme, elle équivaut à une force unique appliquée au milieu de la portion de conducteur plongée dans le champ.
Un vecteur perpendiculaire à la page est représenté par un point cerclé s'il sort de la page, par une croix cerclée s'il y entre.
2. Direction et sens
- Direction : la force de Laplace est perpendiculaire au plan formé par le conducteur et le vecteur B→.
- Sens : il dépend du sens du courant et du sens de B→. On le trouve avec la règle des trois doigts de la main droite.
La règle des trois doigts (main droite)
| Doigt | Indique |
|---|---|
| Pouce | le sens du courant I |
| Index | le sens de B→ |
| Majeur | le sens de F→ |
Les trois doigts sont tendus à angle droit les uns des autres.
Une autre expérience le confirme : un fil vertical, suspendu à un axe, plonge par son extrémité dans une solution conductrice. Quand le courant passe dans le champ d'un aimant en U, le fil s'écarte de la verticale, d'un côté ou de l'autre selon le sens du courant, comme le prévoit la règle des trois doigts.
3. La valeur de la force
Avec le fil suspendu, on observe que la déviation, donc la force, augmente quand :
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