Magnétisme et électromagnétisme

Objectif d'apprentissage 12.1.A : Décrire les propriétés d'un champ magnétique.

• 12.1.A.1 Un champ magnétique est un champ vectoriel qui peut être utilisé pour déterminer la force magnétique exercée sur des charges électriques en mouvement, des courants électriques ou des matériaux magnétiques.
  • 12.1.A.1.i Les champs magnétiques peuvent être produits par des dipôles magnétiques ou des combinaisons de dipôles, mais jamais par des monopôles.
  • 12.1.A.1.ii Les dipôles magnétiques ont une polarité nord et sud.
• 12.1.A.2 Un champ magnétique est une grandeur vectorielle et peut être représenté à l'aide de cartes de champ vectorielles.
  • 12.1.A.2.i Les lignes de champ magnétique forment des boucles fermées.
  • 12.1.A.2.ii Les champs magnétiques dans un aimant bar forment des boucles fermées, avec le champ magnétique externe pointant vers l'extérieur d'une extrémité (définie comme le pôle nord) et revenant à l'autre extrémité (définie comme le pôle sud).

Objectif d'apprentissage 12.1.B : Décrire le comportement magnétique d'un matériau en raison de la configuration des dipôles magnétiques dans le matériau.

• 12.1.B.1 Les dipôles magnétiques résultent du mouvement circulaire ou rotatif de charges électriques. Dans les matériaux magnétiques, cela peut être le mouvement des électrons.
  • 12.1.B.1.i Le magnétisme permanent et le magnétisme induit sont des propriétés de système qui résultent toutes deux de l'alignement des dipôles magnétiques au sein d'un système.
  • 12.1.B.1.ii Aucun pôle magnétique nord ne se trouve jamais isolément d'un pôle sud. Par exemple, si un aimant bar est brisé en deux, les deux moitiés sont des dipôles magnétiques.
  • 12.1.B.1.iii Les pôles magnétiques de même polarité se repoussent ; les pôles magnétiques de polarités opposées s'attirent.
  • 12.1.B.1.iv L'amplitude du champ magnétique provenant d'un dipôle magnétique diminue avec l'augmentation de la distance par rapport au dipôle.
• 12.1.B.2 Un dipôle magnétique, tel qu'une boussole magnétique, placé dans un champ magnétique aura tendance à s'aligner avec le champ magnétique.
• 12.1.B.3 La composition d'un matériau influence son comportement magnétique en présence d'un champ magnétique externe.
  • 12.1.B.3.i Les matériaux ferromagnétiques tels que le fer, le nickel et le cobalt peuvent être aimantés permanemment par un champ externe qui provoque l'alignement des domaines magnétiques ou des dipôles magnétiques atomiques.
  • 12.1.B.3.ii Les matériaux paramagnétiques tels que l'aluminium, le titane et le magnésium interagissent faiblement avec un champ magnétique externe, car les dipôles magnétiques du matériau ne restent pas alignés après la suppression du champ externe.
  • 12.1.B.3.iii Tous les matériaux possèdent la propriété de diamagnétisme, c'est-à-dire que leur structure électronique crée généralement un alignement faible des moments dipolaires du matériau opposé au champ magnétique externe.
• 12.1.B4 Le champ magnétique terrestre peut être approximé comme un dipôle magnétique.

Objectif d'apprentissage 12.1.C : Décrire la perméabilité magnétique d'un matériau.

• 12.1.C.1 La perméabilité magnétique est une mesure de la quantité d'aimantation dans un matériau en réponse à un champ magnétique externe.
• 12.1.C.2 Le vide的自由空间 a une valeur constante de perméabilité magnétique, connue sous le nom de perméabilité du vide $\mu_0$, qui apparaît dans les équations représentant les relations physiques.
• 12.1.C.3 La perméabilité de la matière a des valeurs différentes de celle du vide libre et résulte de la composition et de l'agencement de la matière. Ce n'est pas une constante pour un matériau et varie en fonction de nombreux facteurs, y compris la température, l'orientation et l'intensité du champ externe.

Objectif d'apprentissage 12.2.A : Décrire le champ magnétique produit par des objets chargés en mouvement.

• 12.2.A.1 Un objet chargé unique en mouvement produit un champ magnétique.
  • 12.2.A.1.i Le champ magnétique à un point particulier produit par un objet chargé en mouvement dépend de la vitesse de l'objet et de la distance entre le point et l'objet.
  • 12.2.A.1.ii À un point de l'espace, la direction du champ magnétique produit par un objet chargé en mouvement est perpendiculaire à la fois à la vitesse de l'objet et au vecteur position allant de l'objet à ce point de l'espace et peut être déterminée à l'aide de la règle de la main droite.
  • 12.2.A.1.iii L'amplitude du champ magnétique est maximale lorsque le vecteur vitesse et le vecteur position allant de l'objet à ce point de l'espace sont perpendiculaires.

Objectif d'apprentissage 12.2.B : Décrire la force exercée sur des objets chargés en mouvement par un champ magnétique.

• 12.2.B.1 Les forces magnétiques décrivent les interactions entre des objets chargés en mouvement.
• 12.2.B.2 Un champ magnétique peut exercer une force sur un objet chargé se déplaçant dans ce champ.
  • 12.2.B.2.i L'amplitude de la force exercée par un champ magnétique sur un objet chargé en mouvement est proportionnelle à l'amplitude de la charge, à l'amplitude de la vitesse de l'objet chargé et à l'amplitude du champ magnétique, et dépend également de l'angle entre les vecteurs vitesse et champ magnétique.
    • Équation: $F_B = qvB\sin\theta$
  • 12.2.B.2.ii La direction de la force exercée par un champ magnétique sur un objet chargé en mouvement est perpendiculaire à la fois à la direction du champ magnétique et à la vitesse de la charge, telle que définie par la règle de la main droite.
• 12.2.B.3 Dans une région contenant à la fois un champ magnétique et un champ électrique, un objet chargé en mouvement subira des forces indépendantes provenant de chaque champ.
• 12.2.B.4 L'effet Hall décrit la différence de potentiel créée dans un conducteur par un champ magnétique externe qui a une composante perpendiculaire à la direction des charges se déplaçant dans le conducteur.

Énoncé de limite : Le traitement quantitatif de l'amplitude de la force magnétique exercée par un champ magnétique sur une charge en mouvement est limité aux angles de 0, 90 et 180 degrés entre la vitesse et le champ magnétique. Une analyse qualitative d'autres angles est autorisée.

Objectif d'apprentissage 12.3.A : Décrire le champ magnétique produit par un fil parcouru par un courant.

• 12.3.A.1 Un fil parcouru par un courant produit un champ magnétique.
  • 12.3.A.1.i Les vecteurs du champ magnétique autour d'un long fil droit parcouru par un courant sont tangents à des cercles concentriques centrés sur ce fil. Le champ n'a aucune composante vers l'intérieur, vers l'extérieur ou parallèle au long fil droit parcouru par un courant.
  • 12.3.A.1.ii À un point de l'espace, la grandeur du champ magnétique dû à un long fil droit parcouru par un courant est proportionnelle à la grandeur du courant dans le fil et inversement proportionnelle à la distance perpendiculaire entre l'axe central du fil et le point.
    • Équation: $B = \dfrac{\mu_0}{2\pi}\dfrac{I}{r}$
  • 12.3.A.1.iii La direction du champ magnétique créé par un fil parcouru par un courant est déterminée par la règle de la main droite.
  • 12.3.A.1.iv La direction du champ magnétique au centre d'une boucle parcourue par un courant est dirigée le long de l'axe de la boucle et peut être trouvée en utilisant la règle de la main droite.
  • 12.3.A.1.v Le champ magnétique à un endroit proche de deux fils ou plus parcourus par un courant peut être déterminé en utilisant les principes d'addition vectorielle.

Objectif d'apprentissage 12.3.B : Décrire la force exercée sur un fil parcouru par un courant par un champ magnétique.

• 12.3.B.1 Un champ magnétique peut exercer une force sur un fil parcouru par un courant.
  • 12.3.B.1.i La grandeur de la force exercée par un champ magnétique sur un fil parcouru par un courant est proportionnelle au courant, à la longueur de la portion de fil située dans le champ magnétique et à la grandeur du champ magnétique, et dépend également de l'angle entre la direction du courant dans le fil et la direction du champ magnétique.
    • Équation: $F_B = I\ell B\sin\theta$
  • 12.3.B.1.ii La direction de la force exercée par le champ magnétique sur un fil parcouru par un courant est déterminée par la règle de la main droite.

Objectif d'apprentissage 12.4.A : Décrire la différence de potentiel électrique induite résultant d'un changement de flux magnétique.

• 12.4.A.1 Le flux magnétique est une description de la quantité de composante d'un champ magnétique qui est perpendiculaire à une aire transversale.
• 12.4.A.2 Le flux magnétique à travers une surface est proportionnel à la grandeur de la composante du champ magnétique perpendiculaire à la surface et à l'aire transversale de la surface.
  • Équation : $\Phi_B = BA\cos\theta$
  • 12.4.A.2.i Le vecteur aire est défini comme étant perpendiculaire au plan de la surface et dirigé vers l'extérieur d'une surface fermée.
  • 12.4.A.2.ii Le signe du flux magnétique indique si le champ magnétique est parallèle ou antiparallèle au vecteur aire.
• 12.4.A.3 La loi de Faraday décrit la relation entre le flux magnétique changeant et la fém (force électromotrice) induite résultant dans un système.
  • Équation : $|\mathcal{E}| = \left|\dfrac{\Delta\Phi_B}{\Delta t}\right|$
• 12.4.A.4 La loi de Lenz est utilisée pour déterminer la direction d'une fém induite résultant d'un changement de flux magnétique.
  • Équation : $\mathcal{E} = -\dfrac{\Delta\Phi_B}{\Delta t} = -\dfrac{\Delta(BA\cos\theta)}{\Delta t}$
  • 12.4.A.4.i Une fém induite génère un courant qui crée un champ magnétique s'opposant au changement de flux magnétique.
  • 12.4.A.4.ii La règle de la main droite est utilisée pour déterminer les relations entre le courant, la fém et le flux magnétique.
• 12.4.A.5 Un exemple courant d'induction électromagnétique est une tige conductrice sur des rails conducteurs dans une région avec un champ magnétique uniforme.
  • Équation dérivée : $\mathcal{E} = B\ell v$