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 : Les aimants et leurs propriétés, Le champ magnétique, La boussole et le champ magnétique terrestre, Effet d'un courant électrique sur une boussole. 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.
Au programme
1 · Les aimants et leurs propriétés
2 · Le champ magnétique
3 · La boussole et le champ magnétique terrestre
4 · Effet d'un courant électrique sur une boussole
5 · L'électroaimant
6 · Applications de l'électromagnétisme
7 · Interactions magnétiques et sécurité
1Les aimants et leurs propriétés
Un aimant est un objet capable d'attirer certains matériaux métalliques, notamment le fer, le nickel et le cobalt. Les matériaux attirés par un aimant sont dits ferromagnétiques.
Définition. Un aimant possède deux pôles : un pôle Nord (noté N) et un pôle Sud (noté S). Ces pôles sont les régions où le magnétisme est le plus intense.
Les interactions entre aimants suivent une règle fondamentale :
- Deux pôles de même nom se repoussent (N-N ou S-S).
- Deux pôles de noms contraires s'attirent (N-S).
Astuce. Retiens la règle : « Qui se ressemble se repousse, qui se différencie s'attire. » C'est l'inverse de l'amitié !
Il existe plusieurs formes d'aimants : l'aimant droit (ou aimant-barreau), l'aimant en U (ou en fer à cheval) et l'aimant torique (en anneau). Quelle que soit la forme, un aimant possède toujours deux pôles.
Attention ! Il est impossible de séparer les deux pôles d'un aimant. Si on coupe un aimant en deux, chaque morceau possède à nouveau un pôle Nord et un pôle Sud.
2Le champ magnétique
Un aimant crée dans l'espace qui l'entoure un champ magnétique. Ce champ est une grandeur physique vectorielle : il possède une direction, un sens et une intensité.
Définition. Le champ magnétique est la modification de l'espace provoquée par un aimant (ou un courant électrique). On le représente par des lignes de champ (aussi appelées lignes de force).
Les lignes de champ magnétique ont les propriétés suivantes :
- Elles sortent du pôle Nord et entrent par le pôle Sud à l'extérieur de l'aimant.
- Elles se referment à l'intérieur de l'aimant (du pôle Sud vers le pôle Nord).
- Elles ne se croisent jamais.
- Plus elles sont serrées, plus le champ magnétique est intense.
Exemple. On peut visualiser les lignes de champ magnétique en saupoudrant de la limaille de fer sur une feuille de papier posée sur un aimant. La limaille s'oriente le long des lignes de champ.
L'unité du champ magnétique dans le Système International est le tesla (T), du nom du physicien Nikola Tesla. Le champ magnétique terrestre vaut environ 50 µT (microteslas) à la surface de la Terre.
| Grandeur | Symbole | Unité |
|---|
| Champ magnétique | B | Tesla (T) |
| Intensité du courant | I | Ampère (A) |
3La boussole et le champ magnétique terrestre
La boussole est un instrument de navigation constitué d'une petite aiguille aimantée mobile, capable de pivoter librement autour d'un axe vertical.
Définition. L'aiguille de la boussole s'oriente selon le champ magnétique local. En l'absence d'autre aimant, elle indique le Nord géographique, car la Terre se comporte comme un gigantesque aimant.
Le champ magnétique terrestre est dû aux mouvements de matière conductrice dans le noyau liquide de la Terre. Ce champ est similaire à celui que créerait un aimant-barreau placé au centre de la Terre, légèrement incliné par rapport à l'axe de rotation.
Astuce. La boussole est une application directe du magnétisme : le pôle Nord de l'aiguille pointe vers le pôle Nord géographique, qui correspond en réalité à un pôle Sud magnétique terrestre. C'est pourquoi les pôles contraires s'attirent !
La boussole peut être perturbée par :
- La présence d'aimants proches.
- La présence d'objets en fer ou en acier.
- Les fils électriques parcourus par un courant.
- D'autres sources de champ magnétique (téléphones, appareils électroniques).
Attention ! Une boussole placée à côté d'un aimant ou d'un appareil électronique ne donne plus le Nord géographique : elle suit le champ magnétique local le plus intense.
4Effet d'un courant électrique sur une boussole
En 1820, le physicien danois Hans Christian Œrsted réalise une découverte fondamentale : lors d'une expérience, il observe que l'aiguille d'une boussole placée à côté d'un fil électrique est déviée lorsque le courant passe dans ce fil.
Loi d'Œrsted. Tout conducteur parcouru par un courant électrique crée un champ magnétique dans l'espace qui l'entoure. Ce phénomène est appelé électromagnétisme.
Les caractéristiques de ce champ magnétique dépendent :
- De l'intensité du courant (plus I est grand, plus B est intense).
- De la distance au fil (plus on s'éloigne, plus B diminue).
- Du sens du courant (inverser le courant inverse le sens du champ).
Exemple. Si on place une boussole au-dessus d'un fil horizontal parcouru par un courant allant vers la droite, l'aiguille dévie dans un sens. Si on inverse le courant (vers la gauche), l'aiguille dévie dans le sens opposé.
Cette découverte a révolutionné la physique : pour la première fois, on établissait un lien entre l'électricité et le magnétisme. Elle a ouvert la voie à la théorie de l'électromagnétisme développée par James Clerk Maxwell.
5L'électroaimant
Un électroaimant est un dispositif qui se comporte comme un aimant uniquement lorsqu'il est traversé par un courant électrique. Il est constitué d'un solénoïde (bobine de fil conducteur) enroulé autour d'un noyau de fer doux.
Définition. Un solénoïde est une bobine formée de plusieurs spires de fil conducteur enroulées régulièrement les unes à côté des autres. Lorsqu'il est parcouru par un courant, il se comporte comme un aimant-barreau.
Le champ magnétique d'un électroaimant est plus intense si :
- Le nombre de spires est plus grand.
- L'intensité du courant est plus grande.
- Le noyau est en fer doux (qui amplifie considérablement le champ).
Astuce. L'avantage majeur de l'électroaimant sur l'aimant permanent : on peut allumer et éteindre son magnétisme en contrôlant le courant, et même modifier l'intensité du champ.
Le fer doux se magnétise fortement lorsqu'il est placé dans un champ magnétique, mais perd son magnétisme dès que le champ disparaît. C'est pourquoi on l'utilise dans les électroaimants. Le fer dur (acier) conserve son magnétisme : on l'utilise pour fabriquer des aimants permanents.
Exemple. Dans une grue de chantier, un électroaimant puissant soulève des masses de métal ferreux. En coupant le courant, on lâche instantanément la charge.
6Applications de l'électromagnétisme
L'électromagnétisme est à la base de nombreuses technologies du quotidien :
| Application | Principe |
|---|
| Moteur électrique | Interaction entre le champ magnétique d'un aimant et le courant dans une bobine → rotation |
| Générateur / alternateur | Un aimant en rotation crée un courant dans une bobine (induction) |
| Haut-parleur | Un courant variable dans une bobine placée dans un aimant fait vibrer une membrane |
| Sonnette électrique | Un électroaimant attire un marteau métallique qui frappe une cloche |
| IRM médical | Un champ magnétique très intense permet d'imager l'intérieur du corps humain |
| Train maglev | Des électroaimants permettent la lévitation du train sans contact avec les rails |
Astuce. Le moteur électrique est la conversion d'énergie électrique → énergie mécanique. Le générateur réalise l'opération inverse : énergie mécanique → énergie électrique. Les deux utilisent le même principe électromagnétique !
L'électroaimant est aussi utilisé dans les relais électromagnétiques, qui permettent de commander un circuit de forte puissance à partir d'un signal de faible puissance.
7Interactions magnétiques et sécurité
Les champs magnétiques intenses peuvent avoir des effets sur l'environnement et les personnes. Il est important de connaître quelques précautions de sécurité.
Matériaux sensibles au magnétisme :
- Les cartes à bande magnétique (cartes bancaires, cartes de transport) peuvent être effacées par un aimant puissant.
- Les disques durs anciens (à plateaux magnétiques) peuvent être endommagés.
- Les montres mécaniques peuvent être déréglées.
Attention ! Toute personne porteuse d'un stimulateur cardiaque (pacemaker) ne doit pas s'approcher des champs magnétiques intenses, notamment lors d'examens IRM ou à proximité de certaines machines industrielles.
Le blindage magnétique consiste à entourer un appareil sensible d'un matériau ferromagnétique afin de le protéger des champs magnétiques extérieurs. Le champ magnétique est alors « dévié » par le blindage.
Exemple. Les câbles de certains équipements audio/vidéo sont blindés pour éviter que les champs magnétiques extérieurs ne créent des parasites dans le signal.
Bilan des interactions. Deux aimants interagissent à distance sans contact : c'est une action à distance. Cette interaction est médiée par le champ magnétique : chaque aimant crée un champ, et le second aimant réagit à ce champ.
★À retenir
À retenir :
• Un aimant possède deux pôles (N et S) ; pôles contraires s'attirent, pôles identiques se repoussent.
• Le champ magnétique (B, en teslas) est représenté par des lignes de champ allant de N vers S à l'extérieur.
• La boussole s'oriente selon le champ magnétique local (terrestre ou perturbé par un aimant/courant).
• Loi d'Œrsted (1820) : tout courant électrique crée un champ magnétique autour de lui.
• L'électroaimant = solénoïde + noyau de fer doux : magnétisme contrôlé par le courant.
• Applications : moteur électrique, générateur, haut-parleur, IRM, train maglev.