Oersted découvre la relation entre l'électricité et le magnétisme
La loi d'Oersted est une loi physique de l'électromagnétisme qui stipule qu'un courant électrique produit un champ magnétique. Hans Christian Oersted (1777-1851), un scientifique danois, l'a découverte le 21 avril 1820, lorsqu'il a remarqué que l'aiguille d'une boussole proche d'un fil parcouru par un courant tournait perpendiculairement au fil. S'il a défini le champ magnétique produit par un fil droit porteur de courant, il a également découvert la relation initiale entre l'électricité et le magnétisme.
L'aiguille d'une boussole simple dévie lorsqu'elle est approchée d'un fil conducteur de courant, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
En 1820, Oersted a annoncé qu'il avait découvert qu'un courant électrique proche faisait dévier l'aiguille d'une boussole du nord magnétique, démontrant ainsi un lien direct entre l'électricité et le magnétisme. Un mythe veut qu'il ait fait cette découverte par hasard au cours de l'une de ses conférences, mais il cherchait depuis 1818 une relation entre l'électricité et le magnétisme. Il n'était tout simplement pas sûr de la signification de ses découvertes.
Sa première hypothèse était que les propriétés magnétiques rayonnent de tous les côtés d'un fil transportant un courant électrique, comme le font la lumière et la chaleur. Il a mené des recherches plus intenses trois mois plus tard et a publié ses résultats peu de temps après. Il a démontré qu'un courant électrique crée un champ magnétique circulaire lorsqu'il se déplace le long d'un fil. Oersted a également remarqué que l'intensité du champ magnétique \N(B\N) était directement proportionnelle àla magnitude du courant \N(I\N)
\N(B \Npropto I\N)
et l'intensité du champ magnétique \(B\) est inversement proportionnelle à la distance du courant \(r\).
\(B \propto \frac{1}{r}\).
Diagramme de l'expérience d'Oersted
La figure ci-dessous est celle d'un schéma de circuit montrant l'installation d'Oersted. Une pile est connectée à une boussole magnétique et à une résistance. L'interrupteur est initialement ouvert, aucun courant ne passe dans la boussole et son aiguille ne dévie pas.
Sur l'image, il y a une boussole magnétique placée dans un circuit qui implique deux piles et une résistance. Comme l'interrupteur est éteint, le fil ne transporte pas de courant et la boussole ne subit aucun changement. JavaLab
Dans l'image ci-dessous, nous pouvons voir que l'interrupteur est maintenant fermé. Un courant passe maintenant dans la boussole et son aiguille dévie.
Maintenant, l'interrupteur est allumé. Le fil commence à transporter du courant et l'aiguille de la boussole se déplace. JavaLab
Pourquoi l'aiguille de la boussole ne dévie-t-elle que lorsque l'interrupteur est allumé ? Développons cette question !
Simulation de l'expérience d'Oersted
Lorsque le courant circule dans le circuit, les électrons qui circulent dans le fil créent un champ magnétique qui l'entoure. Le nord de l'aiguille est dévié en positionnant la boussole magnétique, comme l'indique l'image ci-dessus. C'est parce qu'il y a un champ magnétique produit par un fil parcouru par un courant. La direction du champ magnétique peut être indiquée à l'aide de la règle de la main droite dont nous parlerons dans un instant.
La direction du champ magnétique d'un fil conducteur de courant
L'image ci-dessous est une illustration simple qui montre comment la direction du courant peut être déterminée si la direction du champ magnétique est connue, et vice-versa.
Selon la règle de la main droite, le pouce indique le sens du courant, et quatre doigts s'enroulent autour du fil et indiquent le sens du champ magnétique, Creative Commons.
La règle de la main droite, comme on l'appelle, peut être utilisée pour déterminer la direction du champ magnétique à un endroit donné, ainsi que la direction des flèches sur les lignes de champ magnétique, qui est la direction dans laquelle pointe le "pôle nord" de l'aiguille de la boussole. Les doigts s'enroulent autour du fil dans le sens du champ magnétique si la main droite est enroulée autour du fil avec le pouce orienté dans le sens du courant.
Exemples de l'expérience d'Oersted
Appliquons la règle de la main droite à un exemple simple pour déterminer si nous comprenons comment elle peut être utilisée pour trouver la direction du champ magnétique. Dans la figure ci-dessous, un fil conducteur de courant passe dans la main, le courant circulant vers le haut et vers la droite. Nous savons, grâce à l'expérience d'Oersted, que ce courant va générer un champ magnétique, mais dans quelle direction ce champ va-t-il s'orienter ?
Un courant passe dans une direction qui est vers le haut et vers la droite. La règle de la main droite peut être utilisée pour trouver la direction du champ magnétique, adapté de l'image par SVGguru CC BY-SA 4.0
La règle de la main droite peut être utilisée pour déterminer la direction dans laquelle les lignes du champ magnétique vont s'orienter. C'est-à-dire que le pouce suit la direction du courant ; vers le haut et vers la droite. Un courant droit indique d'abord que le champ magnétique s'enroulera autour du fil. Ensuite, les jointures qui sont tournées vers nous (hors de la page) indiquent qu'à ce moment-là, les lignes du champ magnétique pointent vers nous, et les bouts des doigts qui pointent à l'opposé de nous (dans la page) indiquent qu'à ce moment-là, les lignes du champ magnétique pointent à l'opposé de nous. L'image ci-dessous nous donne alors l'image complète de la direction du champ magnétique (en ne dessinant qu'une seule ligne de champ pour plus de simplicité).
Le courant qui traverse un fil dans la direction identifiée en rouge produira un champ magnétique dans la direction indiquée en bleu, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0.
Si nous placions une boussole à proximité de ce fil, nous remarquerions que le pôle nord de cette boussole dévierait pour pointer dans la direction des lignes de champ. L'inversion de la direction du courant inversera la direction dans laquelle les lignes de champ magnétique courbées pointeront. C'est essentiellement ce qu'Oersted a découvert dans son expérience et qui constitue la base de l'électromagnétisme.
Résumé de l'expérience d'Oersted sur l'électromagnétisme
Nous pouvons maintenant résumer les découvertes d'Oersted à partir de son expérience. Pour un fil droit transportant un courant continu constant, Oersted a découvert que :
- Le fil porteur de courant est entouré de lignes de champ magnétique.
- Le champ magnétique s'inverse lorsque le sens du courant est inversé.
- L'intensité du courant était directement proportionnelle à la force du champ magnétique.
- L'intensité du champ magnétique est inversement proportionnelle à la distance du courant.
Expérience d'Oersted - Principaux enseignements
- Un courant électrique crée un champ magnétique circulaire lorsqu'il circule dans un fil.
- Le champ magnétique s'inverse lorsque le sens du courant est inversé.
- L'intensité du courant est directement proportionnelle à la force du champ.
- L'intensité du champ magnétique est inversement proportionnelle à la distance du courant.
- Selon la règle de la main droite, le pouce indique le sens du courant, et quatre doigts s'enroulent autour du fil et indiquent le sens du champ magnétique.
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