Annales gratuites Bac ST2S : Le champ magnétique

Les quatre parties peuvent être considérées dans une large mesure comme indépendantes.

On désire étudier le champ magnétique à l'intérieur d'un solénoïde. Cette étude comporte différentes parties.

I - ETUDE QUALITATIVE

Le champ magnétique est représenté en un point M situé à l'intérieur du solénoïde (voir schéma N°1). On place au point M la petite aiguille aimantée dessinée ci-dessous (schéma N°2). Reproduire rapidement le schéma du solénoïde sur la copie et dessiner l'aiguille aimantée au point M en précisant clairement son orientation et ses pôles Nord et Sud.



On place ensuite cette aiguille aimantée au point P. Son orientation va-t-elle changer ? Justifier.

II - ETUDE QUANTITATIVE

On place maintenant en un point intérieur au solénoïde une sonde permettant de mesurer l'intensité notée B du champ magnétique créé par un courant électrique continu d'intensité I qui parcourt le solénoïde.
On fait varier I et on mesure B pour diverses valeurs de I. On trace ensuite le graphe représentant les variations de B en fonction de I (voir schéma N°3).



2.1 Quelle est la nature du graphe ?
      En déduire le type de relation mathématique simple existant entre B et I.
      Quel est le nom de l'unité correspondant à la lettre T ?

2.2 On montre que la relation exprimant B en fonction de I est la suivante :



Dans cette expression, N est le nombre de spires du solénoïde et L sa longueur exprimée en mètres. Le nombre de spires N du solénoïde étant inconnu, on essaie de le déterminer.
Pour cela on fixe la valeur de l'intensité à I = 6 A et on pratique comme suit :

   2.2.1. A partir du graphique, préciser la valeur de B correspondant à cette valeur d'intensité
             I = 6 A (la méthode employée n'est pas à expliquer).

   2.2.2. En vous servant de la relation reliant B et I, déduire le nombre N de spires du
             solénoïde sachant que la longueur du solénoïde a pour valeur
             L = 0,3m.

 

III - CHAMP CREE ET CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE

3.1 Donner l'ordre de grandeur de la valeur B_T du champ magnétique terrestre.

3.2 Le graphe précédent montre que pour une intensité , la valeur B du champ
      magnétique crée est de l'ordre de 2.10^-2 T.
     Ce champ magnétique est-il :

     a) environ 10 fois plus intense que le champ magnétique terrestre ?
     b) environ 1000 fois plus intense que le champ magnétique terrestre ?
     c) environ 10 fois moins intense que le champ magnétique terrestre ?
     d) environ 1000 fois moins intense que le champ magnétique terrestre ?

IV - LA RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE

La résonance magnétique nucléaire nécessite des champs très intenses, supérieurs à 1 T. Citer un moyen de produire un tel champ.

1. Etude qualitative

En M, l'aiguille aimantée s'oriente selon , le vecteur champ "sortant" par son pôle Nord.
En P, si le solénoïde est "long" (l > 5 x diamètre), le champ magnétique est uniforme à

l'intérieur. donc l'orientation de l'aiguille est identique.

2. Etude quantitative

2.1. Le graphe de B = f(I) est une droite passant par l'origine du repère ; B est donc
PROPORTIONNEL à I.

             B = k . I                    (k : constante)

Le TESLA est l'unité notée T.

2.2.1. Sur le graphique, l'ORDONNEE du point d'abscisse I = 6 A est

       B = 0,04 T

2.2.2.

donc                   

(ordre de grandeur : 1 600 spires si l'on garde le même nombre de chiffres significatifs que B).

3. Champ créé et champ magnétique terrestre

3.1. * Valeur approximative du CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE :

                        

   (celle de sa COMPOSANTE HORIZONTALE )

Ces deux valeurs ont le même ordre de grandeur.

Or       2.10^-5 x 1 000 = 2.10^-5 x 10³ = 2.10^-2

Pour I = 3A,     B = 2.10^-2T : ce champ magnétique est donc 1 000 fois plus intense que l'ordre de grandeur du champ magnétique terrestre.

4. La résonance magnétique nucléaire

D'après la formule du 2.2., pour produire des champs magnétiques très intenses, il faut un SOLENOIDE :

- comportant un GRAND NOMBRE de SPIRES par UNITE de LONGUEUR : N/L

- et parcouru par un courant de FORTE INTENSITE : I

- la présence d'un NOYAU de FER DOUX dans le solénoïde permet d'augmenter encore la valeur du champ magnétique.

2022 Copyright France-examen - Reproduction sur support électronique interdite