Karamö, le prof virtuelLeçon 14 sur 17
Analogie entre un aimant et une bobine
Je sais comparer un aimant droit et une bobine parcourue par un courant, dire ce qu'ils ont en commun et ce qui les distingue, et utiliser cette analogie pour prévoir des attractions et des répulsions.
- 45 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Relever les points communs entre un aimant droit et une bobine parcourue par un courant
- Relever les différences et les avantages de la bobine
- Prévoir l'interaction entre un aimant et une bobine
- Déterminer la face d'une bobine à partir de son action sur un aimant ou une boussole
Avant de commencer : Les aimants (pôles, interactions, spectre) et les bobines (faces nord et sud, règle du sens du courant).
1Je découvre
Pendant la séance de travaux pratiques au collège de Siguiri, le professeur pose deux objets sur la table : un aimant droit et une bobine en carton reliée à une pile par un interrupteur. Il place de la limaille de fer autour de chacun, fait passer le courant dans la bobine, et demande à la classe de dessiner les deux figures.
Fanta et Sékou comparent leurs dessins : les deux spectres se ressemblent énormément ! Puis le professeur approche le pôle nord de l'aimant d'une face de la bobine : la bobine, suspendue à un fil, est repoussée. Il inverse le courant : la bobine est attirée.
« Alors, une bobine, c'est un aimant ? » demande Sékou. Fanta hésite : « Pas tout à fait, puisqu'on peut l'éteindre… » En quoi une bobine parcourue par un courant ressemble-t-elle à un aimant, et en quoi en est-elle différente ?
2Je comprends
1. Une analogie, qu'est-ce que c'est ?
Une analogie est une ressemblance entre deux choses différentes, qui permet de comprendre l'une grâce à l'autre. Ici, on compare un aimant droit et une bobine parcourue par un courant continu. Leur ressemblance est si forte qu'on peut prévoir le comportement de l'une en connaissant l'autre.
2. Les points communs
a) Deux pôles. L'aimant droit a un pôle nord et un pôle sud ; la bobine parcourue par un courant a une face nord et une face sud, situées à ses deux extrémités.
b) Action sur le fer. Tous les deux attirent le fer, l'acier, le nickel et le cobalt, et n'attirent pas le cuivre ni l'aluminium.
c) Action sur une boussole. Tous les deux dévient l'aiguille d'une boussole : une face nord (ou un pôle nord) repousse le pôle nord de l'aiguille ; une face sud (ou un pôle sud) l'attire.
d) Interactions. Entre deux aimants, entre deux bobines, ou entre un aimant et une bobine, la règle est la même : pôles (ou faces) de même nom se repoussent, pôles (ou faces) de noms contraires s'attirent.
e) Orientation dans le champ terrestre. Une bobine légère, parcourue par un courant et suspendue librement, s'oriente comme une aiguille aimantée : sa face nord se tourne vers le Nord géographique.
f) Le spectre magnétique. À l'extérieur, les lignes de champ d'une bobine ont la même forme que celles d'un aimant droit : elles sortent par la face nord et rentrent par la face sud.
- pôle nord et pôle sud
- attire le fer
- dévie une boussole
- lignes de champ de N vers S à l'extérieur
- s'oriente vers le Nord s'il est suspendu
- face nord et face sud
- attire le fer (surtout avec un noyau de fer doux)
- dévie une boussole
- même forme de lignes à l'extérieur
- s'oriente vers le Nord si elle est suspendue
3. Les différences
| Aimant droit | Bobine parcourue par un courant | |
|---|---|---|
| Source du magnétisme | la matière de l'aimant (acier aimanté) | le courant électrique |
| Sans courant | reste aimanté (permanent) | aucun effet |
| Pôles | fixes | s'inversent si on inverse le courant |
| Force du champ | fixe | réglable (intensité, nombre de spires, noyau) |
| Intérieur | matière pleine | vide ou noyau ; champ uniforme à l'intérieur |
La grande différence est donc que la bobine est un aimant commandé : on peut l'allumer, l'éteindre, inverser ses pôles et régler sa force simplement en agissant sur le courant. C'est ce qui la rend si utile dans les appareils : électroaimants, sonnettes, moteurs, haut-parleurs.
4. Prévoir une interaction aimant–bobine
Méthode
Pour prévoir si un aimant et une bobine s'attirent ou se repoussent :
- Je trouve la nature de la face de la bobine tournée vers l'aimant (règle du sens du courant : sens inverse des aiguilles d'une montre = face nord).
- Je repère le pôle de l'aimant tourné vers la bobine.
- Même nom (N face à N, S face à S) : répulsion. Noms contraires : attraction.
- Si on inverse le courant, la face change de nom, donc le résultat s'inverse.
Exemple
Le pôle sud d'un aimant est placé face à la face A d'une bobine. Vu depuis A, le courant tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Attraction ou répulsion ?
Vu depuis A, le courant tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre : A est une face nord.
Pôle sud de l'aimant face à une face nord : noms contraires, donc attraction.
Si on inverse le courant, A devient une face sud : il y aura répulsion.
Exemple
Mariama suspend une bobine légère parcourue par un courant. Elle approche le pôle nord d'un aimant de la face B : la bobine s'éloigne. Quelle est la nature de B ? Que se passe-t-il si elle coupe le courant ?
La face B est repoussée par un pôle nord : même nom, donc B est une face nord.
Si elle coupe le courant, la bobine (sans noyau d'acier) n'est plus un aimant : elle n'est plus repoussée. Elle n'est pas non plus attirée, car le carton et le cuivre ne sont pas magnétiques.
5. Une analogie qui va plus loin
Les physiciens ont compris que le magnétisme d'un aimant vient, lui aussi, de minuscules « courants » qui circulent à l'intérieur de la matière, à l'échelle des atomes. Une bobine et un aimant ont donc au fond la même origine : des charges électriques en mouvement. C'est pour cela qu'ils se ressemblent autant.
- 1Un courant électrique crée un champ magnétique (Œrsted).
- 2Enroulé en bobine, le courant crée un champ semblable à celui d'un aimant droit.
- 3Avec un noyau de fer doux, on obtient un électroaimant puissant qu'on peut allumer et éteindre.
- 4Inversement, un aimant qui bouge près d'une bobine peut créer un courant (tu le verras en 9e).
3Je retiens
Je retiens
Une bobine parcourue par un courant continu se comporte comme un aimant droit.
Points communs : deux pôles (faces nord et sud), attraction du fer, action sur une boussole, mêmes règles d'attraction et de répulsion, même spectre à l'extérieur, orientation vers le Nord.
Différences : la bobine n'est aimantée que si le courant passe ; ses faces s'inversent avec le courant ; sa force est réglable.
L'aimant est permanent : on ne peut ni l'éteindre ni inverser ses pôles.
Faces de même nom se repoussent ; faces (ou pôles) de noms contraires s'attirent, que ce soit entre aimants, entre bobines ou entre aimant et bobine.
4Erreurs fréquentes
- Dire qu'une bobine est un aimant « tout le temps » : elle ne l'est que lorsque le courant passe.
- Oublier que l'inversion du courant inverse les faces, donc change l'attraction en répulsion.
- Conclure qu'une bobine sans courant est attirée par un aimant : un tube en carton entouré de fil de cuivre n'est pas magnétique.
- Appliquer la règle des faces en regardant la mauvaise extrémité de la bobine.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète le tableau par « oui » ou « non ».
| Propriété | Aimant droit | Bobine avec courant |
|---|---|---|
| Possède deux pôles (ou faces) | ||
| Attire le fer | ||
| Peut être « éteint » | ||
| Pôles inversables facilement |
Voir le corrigéCacher le corrigé
| Propriété | Aimant droit | Bobine avec courant |
|---|---|---|
| Possède deux pôles (ou faces) | oui | oui |
| Attire le fer | oui | oui |
| Peut être « éteint » | non | oui |
| Pôles inversables facilement | non | oui |
2Exercice 2
Donne deux points communs et deux différences entre un aimant droit et une bobine parcourue par un courant.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Points communs (deux au choix) : ils ont tous les deux un pôle (ou une face) nord et un sud ; ils attirent le fer ; ils dévient une boussole ; ils ont le même spectre à l'extérieur.
Différences (deux au choix) : la bobine n'est aimantée que si le courant passe ; ses faces s'inversent quand on inverse le courant ; la force de son champ peut être réglée ; l'aimant, lui, est permanent.
3Exercice 3
Le pôle nord d'un aimant est placé devant la face C d'une bobine. Vu depuis C, le courant tourne dans le sens des aiguilles d'une montre.
a) Quelle est la nature de la face C ?
b) L'aimant et la bobine s'attirent-ils ou se repoussent-ils ?
c) Que se passe-t-il si on inverse le courant ?
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a) Vu depuis C, le courant tourne dans le sens des aiguilles d'une montre : C est une face sud.
b) Pôle nord de l'aimant face à une face sud : noms contraires, donc attraction.
c) Si on inverse le courant, C devient une face nord : l'aimant et la bobine se repoussent.
4Exercice 4
Deux bobines identiques, suspendues, sont placées l'une en face de l'autre, sur le même axe. Elles se repoussent.
a) Que peut-on dire des deux faces en regard ?
b) On inverse le courant dans une seule des bobines. Que se passe-t-il ?
c) On inverse le courant dans les deux bobines. Que se passe-t-il ?
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a) Elles se repoussent : les deux faces en regard sont de même nom (deux faces nord ou deux faces sud).
b) Inverser le courant dans une seule bobine change le nom de sa face : les faces en regard deviennent de noms contraires, les bobines s'attirent.
c) En inversant les deux courants, les deux faces changent de nom : elles restent de même nom, donc les bobines se repoussent toujours.
5Exercice 5
(Réflexion) Ousmane dit : « Pour trier la ferraille, un aimant et une bobine avec un noyau de fer, c'est pareil. » Explique en quoi il a raison, puis en quoi la bobine est plus pratique pour ce travail.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Ousmane a raison sur un point : une bobine parcourue par un courant, avec un noyau de fer, attire le fer comme un aimant (c'est l'analogie aimant–bobine) et n'attire pas l'aluminium ni le cuivre.
Mais la bobine est plus pratique : on peut couper le courant pour lâcher la ferraille à l'endroit voulu, alors qu'avec un aimant permanent il faudrait arracher les morceaux à la main. De plus, on peut régler la force d'attraction en changeant l'intensité du courant.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
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