Physique 4ᵉ
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Magnétisme et électromagnétisme
Aimants, champ magnétique, effet d'un courant sur une boussole
Approfondissement Ce chapitre va au-delà du programme officiel de 4ᵉ : utile pour aller plus loin ou anticiper.
À propos de cette page
Ce cours de physique en quatrième sur « Magnétisme et électromagnétisme » suit le programme officiel de physique de quatrième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Aimants et matériaux magnétiques, Les pôles et leurs interactions, Le champ magnétique, La boussole et le champ terrestre. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de quatrième à réussir en physique.
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Aimants et matériaux magnétiques
Définition. Un aimant est un objet qui attire le fer (et quelques autres métaux : nickel, cobalt) et qui agit sur d'autres aimants. Les matériaux qu'il attire sont dits ferromagnétiques.
| Attiré par un aimant | Non attiré |
|---|---|
| fer, acier (fer + carbone) | cuivre, aluminium, or, argent, zinc |
| nickel, cobalt | plastique, verre, bois, papier |
| magnétite (aimant naturel) | eau, sel, sucre |
Attention ! « Métal » ne veut pas dire « attiré par un aimant » : une canette en aluminium ou un fil de cuivre ne réagissent pas. Un aimant permet justement de trier l'acier des autres métaux.
Astuce. Un objet en fer laissé au contact d'un aimant peut devenir lui-même un aimant temporaire : c'est l'aimantation. Un trombone aimanté attire alors un second trombone.
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Les pôles et leurs interactions
Règle. Tout aimant possède deux pôles, appelés Nord (N) et Sud (S), situés là où l'attraction est la plus forte. Deux pôles de même nom se repoussent ; deux pôles de noms différents s'attirent.
| Pôles en face à face | Interaction |
|---|---|
| N – N | répulsion |
| S – S | répulsion |
| N – S | attraction |
| aimant – morceau de fer | attraction (quel que soit le pôle) |
Propriétés. L'interaction magnétique s'exerce à distance, elle est réciproque (l'aimant attire le fer, le fer attire l'aimant) et elle diminue vite quand la distance augmente.
Attention ! On ne peut pas isoler un pôle : si l'on coupe un aimant en deux, on obtient deux aimants complets, chacun avec un pôle N et un pôle S.
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Le champ magnétique
Définition. Autour d'un aimant existe une région où il agit sur le fer et sur les boussoles : c'est son champ magnétique. On le représente par des lignes de champ, que l'on visualise avec de la limaille de fer ou avec un réseau de petites boussoles.
Propriétés des lignes de champ :
- à l'extérieur de l'aimant, elles vont du pôle Nord vers le pôle Sud ;
- elles ne se croisent jamais ;
- plus elles sont serrées, plus le champ est intense : c'est le cas près des pôles.
Intensité. L'intensité du champ magnétique se note et se mesure en tesla (T) avec un teslamètre. On utilise souvent le millitesla ( mT T) et le microtesla ( µT T).
| Source | Ordre de grandeur de |
|---|---|
| champ terrestre (France) | µT |
| aimant de réfrigérateur | mT |
| aimant néodyme | T |
| appareil d'IRM | à T |
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La boussole et le champ terrestre
Définition. Une boussole est une petite aiguille aimantée qui pivote librement. Son pôle nord (souvent coloré) s'aligne sur le champ magnétique du lieu.
La Terre se comporte comme un gigantesque aimant, grâce aux mouvements de fer liquide dans son noyau. Le pôle nord de l'aiguille pointe vers le nord géographique : il y est attiré par un pôle sud magnétique situé dans l'Arctique canadien.
Attention ! Une boussole est perturbée par tout aimant ou objet en fer proche (voiture, téléphone, poutre d'acier) et par un fil parcouru par un courant. Il faut l'utiliser loin de ces sources.
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Un courant crée un champ : l'expérience d'Œrsted
Expérience (Œrsted, 1820). Une boussole est posée sous un fil rectiligne aligné nord-sud. Quand le circuit est fermé, l'aiguille dévie ; quand on l'ouvre, elle revient au nord. Un courant électrique crée un champ magnétique autour du conducteur.
| Si l'on… | alors la déviation… |
|---|---|
| augmente l'intensité | augmente |
| inverse le sens du courant | change de sens |
| éloigne la boussole du fil | diminue |
| ouvre le circuit | disparaît |
Astuce. Cette découverte relie deux domaines que l'on croyait séparés, l'électricité et le magnétisme : c'est la naissance de l'électromagnétisme. Un fil parcouru par un courant se comporte comme un aimant… que l'on peut allumer et éteindre.
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L'électroaimant
Définition. Un électroaimant est une bobine de fil conducteur (un enroulement de nombreuses spires) entourant un noyau de fer doux. Parcouru par un courant, il se comporte comme un aimant droit, avec un pôle N et un pôle S ; sans courant, il n'attire plus rien.
Son champ magnétique est d'autant plus intense que :
- l'intensité du courant est grande ;
- le nombre de spires est grand ;
- le noyau est en fer doux (qui s'aimante fortement et se désaimante dès que le courant s'arrête).
Attention ! Un noyau en acier resterait aimanté après coupure du courant : c'est pratique pour fabriquer un aimant permanent, mais inutilisable pour un électroaimant que l'on veut pouvoir « éteindre ».
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Applications et précautions
| Appareil | Ce que fait le magnétisme |
|---|---|
| Sonnette, relais, serrure électrique | un électroaimant attire une pièce de fer quand le courant passe |
| Grue de casse automobile | un électroaimant soulève l'acier ; couper le courant le lâche |
| Moteur électrique | une bobine parcourue par un courant tourne dans le champ d'un aimant |
| Haut-parleur | une bobine collée à une membrane vibre dans le champ d'un aimant |
| Alternateur, dynamo | un aimant qui tourne près d'une bobine y crée un courant (fonctionnement inverse du moteur) |
| Tri des déchets | un aimant sépare l'acier des autres matériaux |
Précautions. Un aimant puissant peut effacer une carte à bande magnétique, dérégler une montre mécanique ou une boussole, et pincer violemment les doigts. Les porteurs d'un stimulateur cardiaque doivent éviter les champs intenses (IRM, aimants néodyme, portiques).
En bref
- Un aimant attire le fer, le nickel, le cobalt — pas le cuivre ni l'aluminium.
- Deux pôles N et S : mêmes noms → répulsion, noms différents → attraction. Un aimant coupé donne deux aimants.
- Le champ magnétique (en tesla) se visualise par des lignes de champ, de N vers S à l'extérieur ; il est plus intense aux pôles.
- La Terre est un aimant : la boussole pointe vers le nord géographique (pôle sud magnétique).
- Œrsted (1820) : un courant crée un champ magnétique ; la déviation dépend de , du sens du courant et de la distance.
- Électroaimant = bobine + noyau de fer doux ; plus et le nombre de spires sont grands, plus il est puissant ; il s'éteint avec le courant.
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