Solar Impulse: around the world without fuel to promote clean technologies.

1. 1/8
LES AIMANTS
« Je t’aime... moi non plus »
Cette fiche propose un certain nombre d’exercices et d’activités
pratiques de niveaux variés sur le magnétisme. C’est l’occasion
de ressortir des tiroirs le matériel du chapitre du magnétisme
d’Explor CYT (ancienne brochure d’enseignement des sciences
du canton deVaud). Même si le magnétisme n’est pas un thème
développé en tant que tel dans le PER, il peut être un joli sujet
pour mener un projet pour les OCOM. C’est également un bon
support pour permettre aux élèves d’analyser un phénomène
naturel, de mener une démarche expérimentale pour le
découvrir et de prendre connaissance de ses applications
technologiques.
A noter que la fiche « LES MOTEURS » donne une jolie application
des électroaimants et permet de construire, en une période,
un petit moteur électrique avec très peu de matériel. Dans ce
document, vous trouverez aussi une activité interdisciplinaire
que l’on peut aborder dans le cadre des OCOM pour construire
un alternateur et produire ainsi du courant.
Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse
Rédaction : Marie-Noëlle Kaempf
Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro – Centre d’impression EPFL
Suivi de projet : Yolande Berga

2. Notions abordées
Physique :
• Magnétisme
• Electroaimant et aimant permanent
• Courant et tension électriques
• Equilibre des forces
Sciences :
• Champ magnétique et migration
Objectifs d’apprentissage du PER
MSN 36 - 35. Analyser des phénomènes natu-
rels et des technologies à l’aide de démarches
caractéristiques des sciences expérimentales :
• en acquérant les connaissances nécessaires
en physique et en chimie.
• en utilisant un modèle pour expliquer et/ou
prévoir le fonctionnement d’un objet tech-
nique.
• en choisissant et en utilisant des instruments
d’observation et de mesure.
• en organisant des prises de mesures et en
formalisant les résultats d’une expérience.
MEP 33 - 31, MSN 35. Modéliser des situations,
poser et résoudre des problèmes mobilisant
des notions, des concepts, des raisonnements
propres à la physique.
Mécanique :
• Décomposition des forces et détermination
des intensités
• Reconnaissance et prévision de la notion
d’équilibre
Disciplines et options concernées
Sciences : 10e
et 11e
OCOM - Sciences * : 10e
et 11e
OS MEP * : 11e
Les exercices 4 à 6 sont réservés aux élèves qui
suivent l’OS MEP.
Durée de l’activité
Introduction aux notions théoriques
nécessaires et exercices : 4 périodes
Activité pratique : 3 périodes
On peut sélectionner l’une ou l’autre des activi-
tés proposées ou certains des thèmes abordés
pour investir moins de temps. On peut égale-
ment suivre les différents prolongements pro-
posés et en faire un projet d’une beaucoup plus
grande ampleur.
* Disciplines spécifiques à la scolarité vaudoise
OCOM : options de compétences orientées métiers
OS MEP : option spécifique mathématiques et physique

3. LES AIMANTS - GUIDE 3/8
LE MAGNÉTISME TERRESTRE
Dans un premier temps, on aborde le magnétisme par son application concrète la plus courante : la
boussole. Si les élèves n’en ont jamais manipulé, ils ont l’opportunité de le faire.
Comme on le constate sur la figure 1 de la fiche élève, le pôle sud magnétique (appelé abusivement
pôle Nord) de la Terre est très proche de son pôle Nord géographique.
Un article sur l’histoire et l’actualité de la recherche des pôles magnétiques :
http://www.nationalgeographic.fr/actualite/antarctique-la-traque-du-pole-sud-
magnetique-continue/7913930/
National Geographic, Antarctique : La traque du Pôle Sud magnétique continue, Marie Dias-Alves
Comme ces pôles sont générés par le noyau ferreux liquide de la Terre en constant mouvement, les pôles
magnétiques peuvent se déplacer de 40 km par an, voire s’inverser sur des périodes beaucoup plus lon-
gues : http://fr.wikipedia.org/wiki/Inversion_du_champ_magnetique_terrestre
Wikipédia, Inversion du champ magnétique terrestre
Fais en sorte que deux clous s’attirent
Les élèves aimantent des clous sous l’influence du champ de l’aimant naturel. Ils consta-
teront le caractère éphémère de l’aimantation du fer ou d’autres métaux.
Faire disparaître l’aimantation peut être une prolongation de l’activité. Les frottements ou
les chocs accélèrent ce processus. On peut aussi tester l’intensité de l’aimantation du
clou selon la proximité ou le temps passé près de l’aimant.
Prolongement : mesurer la force de différents aimants en soulevant des charges plus ou
moins lourdes.
Pour observer des lignes de champ autour d’un aimant, on peut saupoudrer
de limaille de fer un barreau aimanté. On place un transparent ou une plaque
de plexiglas sur l’aimant avant le saupoudrage pour pouvoir récupérer faci-
lement la limaille.
Autre construction de boussole avec une construction géométrique de la rose des vents :
http://sciencejunior.fr/experiences/construire-une-boussole/
Science Junior, Expérience : construire une boussole, Aloïs, décembre 2010
LES AIMANTS PERMANENTS
Prolongement : construction d’une boussole à l’aide d’une attache parisienne aimantée montée sur
une aiguille. On peut aussi mettre un aimant dans une barquette flottante sur l’eau, tout comme un
bouchon équipé d’une aiguille aimantée.

4. 4/8 LES AIMANTS - GUIDE
LA RÉVOLUTION : L’AIMANT « ARTIFICIEL » OU ÉLECTROAIMANT
Bricotest : Vérifie le lien entre le courant électrique et le champ magnétique
Quiz
Dessine la façon dont l’aiguille de
la boussole se positionne. L’aiguille
rouge indique le Nord.
Dans cet exercice, on suppose que
le courant électrique dans le fil est
suffisamment important pour que le
champ magnétique terrestre soit né-
gligeable par rapport au champ créé
par le courant. (cf. remarque sur le
bricotest)
Rappeler aux élèves de regarder si
le fil est au-dessus ou au-dessous
de la boussole.
A)
C)
B)
D)
Dans le cadre du montage, pour éviter une surchauffe du circuit, il vaut mieux mettre
un élément résistif supplémentaire, comme une ampoule par exemple, en particu-
lier si l’on travaille avec un générateur. C’est l’occasion de se référer à l’effet Joule si
cette notion a été vue précédemment avec les élèves. Si l’on utilise une pile, on peut
brièvement connecter un fil électrique d’une borne à l’autre, mais cela s’échauffe rapi-
dement. Pour toutes ces manipulations, il faudra rappeler aux élèves de respecter les
indications des appareils ou ampoules pour ne pas dépasser les normes indiquées.
Au travers de ces manipulations, l’élève va constater que,
lorsque le courant circule, l’aiguille de la boussole est déviée.
Le champ magnétique reste faible autour du fil avec un petit
courant. Il convient donc d’installer le fil dans la direction nord-
sud. C’est ainsi que l’on observera une déviation symétrique
de l’aiguille lorsque l’on change le sens du courant.
Inciter les élèves à changer le sens du courant, à placer la bous-
sole à côté, sur et sous le fil s’ils n’y pensent pas eux-mêmes.
Avant ou après le quiz, il convient d’insister sur le sens du
champ magnétique engendré par le courant qui circule dans
le fil. On peut donner l’astuce suivante aux élèves : le pouce de
la main droite est positionné le long du fil dans la direction du
courant électrique. Les extrémités des autres doigts de la main
indiquent la direction du champ magnétique circulaire qui est
autour du fil.

5. LES AIMANTS - GUIDE 5/8
Qui parviendra à soulever le plus de ferraille avec son électroaimant ?
La lame permet de dénuder le fil électrique pour
l’alimenter.
Les vis, clous, crayon ou cure-dent peuvent être
utilisés comme support pour faire le bobinage.
L’utilisation d’une pièce ferromagnétique au cœur
de l’électroaimant permettra d’augmenter le
champ magnétique total généré.
Plus le nombre de spires est grand, plus l’élec-
troaimant est puissant.
Une petite vidéo du fonctionnement de l’électroaimant est en lien sur la page de cette
fiche.
La figure 6 de la fiche élève permet de montrer comment s’additionnent les champs magnétiques gé-
nérés par chaque spire (boucle) au cœur de la bobine. Ils s’annulent entre les spires. Dans la pratique,
les bobinages sont serrés, comme sur la figure 7. Le champ au cœur de la bobine y est plus homogène.
Lorsque la bobine est longue par rapport à son diamètre, on parle de solénoïde. En plus d’être embo-
binées de manière compacte, les spires sont superposées en un grand nombre de couches. Un vieux
chargeur de téléphone sans fil démonté fournira un bon exemple de ces bobinages.
Pour amplifier le champ d’un électroaimant, on peut placer dans la bobine un noyau en fer doux. Sous
l’effet du champ magnétique de l’électroaimant, il va devenir lui aussi un aimant. Cet effet est dévelop-
pé dans la partie « les aimants permanents » de la fiche élève. Ce sera intéressant de voir si les élèves
mobilisent cette notion lorsqu’ils feront le défi de l’électroaimant qui suit.
Quiz
A l’aide de la règle de la main droite et par comparaison avec les illustrations du paragraphe « L’aimant
artificiel ou électroaimant », les élèves sont capables d’indiquer le sens du courant et des lignes de
champ.
S N N S

6. 6/8 LES AIMANTS - GUIDE
VÉRIFIONS...
C) Dans ce TP, la fonction adaptée à la bobine qui n’est pas allongée est : .
Comme nous allons vérifier expérimentalement que le champ magnétique est proportionnel au
nombre de spires de la bobine et à l’intensité du courant qui circule dans le fil, il n’est pas utile de
donner deux formules aux élèves.
Pour pouvoir quantifier le champ, nous allons tenter de mesurer l’attraction d’un aimant par la bobine.
Les mesures des parties D) et E) nécessitent de la patience. On peut demander aux élèves d’imaginer
d’autres tests de la force de l’aimant : déplacer une boîte de conserve, soulever un petit objet, etc.
D) Pour 5 spires :
I [A] d [cm]
1 0,3
2 0,5
3 0,7
4 0,9
5 1,0
E) Pour 5 A :
N d [cm]
5 1,0
10 1,7
20 3,5
30 6,2
On calcule l’intensité B du champ magnétique
à l’intérieur d’un solénoïde grâce à la relation
suivante établie par Ampère :
B l’intensité du champ magnétique en teslas [T]
N le nombre de spires de la bobine
l la longueur de la bobine (solénoïde) en mètres [m]
I l’intensité du courant en ampères [A]
µ0 la perméabilité magnétique du vide : µ0 = 4π ∙ 10-7
[Tm/A]
Cette formule est valable pour une bobine dont la longueur est grande par
rapport au diamètre de ses spires (solénoïde).
La fonction adaptée aux bobines courtes est :
r le rayon de la bobine
B =
µ0 ∙ I ∙ N
l
B =
µ0 ∙ I ∙ N
2r
B =
µ0 ∙ I ∙ N
2r
Il est difficile d’obtenir des mesures de qualité.
Toutefois, cela permet d’établir clairement que
l’intensité du champ magnétique augmente
avec le courant et le nombre de spires.
Voici quelques mesures obtenues.
d

7. LES AIMANTS - GUIDE 7/8
ET TOUT CELA EN CHIFFRES...
Les élèves abordent le calcul de l’intensité du champ magnétique qui règne à l’intérieur d’un solénoïde
comme une application numérique d’une valeur de fonction (Exercice 1) puis sont appelés à raisonner
sur des situations proportionnelles ou inversement proportionnelles dans l’Exercice 2.
Comme prolongement, on peut faire tracer aux élèves l’intensité du champ en fonction de la distance
au fil. L’intensité du champ exprimée en teslas étant faible pour de petits courants, c’est aussi l’occa-
sion d’utiliser la notation scientifique.
Exercice 1
B = = ≈ 0,031 T = 3,1 ∙ 10-2
T
µ0 ∙ I ∙ N 4π ∙ 10-7
∙ 5 ∙ 500
l 0,1
Exercice 3
On appréciera le caractère durable de l’aimant permanent pour la fixation du dessin sur le frigo, sans
consommation d’énergie électrique.
Par contre, pour attirer la voiture ou les boîtes de conserve ou pour les libérer, on appréciera de pouvoir
enclencher ou couper le courant de l’électroaimant.
Pour les moteurs électriques de Solar Impulse, on a besoin des deux types d’aimants. Cet exercice
peut faire le lien avec la fiche « MAGNÉTISME + ÉLECTRICITÉ = MOTEUR ! ». Les électroaimants sont
utilisés dans les haut-parleurs, écouteurs de mp3, etc. Un sujet à développer si le cœur vous en dit.
Exercice 2
L’intensité du champ est … Vrai Faux
• 3 fois plus importante si je triple le nombre de spires
• 3 fois plus grande si j’espace les spires pour que le bobinage mesure 15 cm
• 2 fois plus importante si j’utilise un courant de 4 A
• plus importante si les spires sont de diamètre inférieur
• identique si le courant est 2 fois moins grand et s’il y a 2 fois plus de spires
• identique s’il y a 2 fois plus de spires mais que la bobine a la même longueur
• identique s’il y a 2 fois plus de spires mais que la bobine est 2 fois plus longue

8. 8/8 LES AIMANTS - GUIDE
POUR ALLER PLUS LOIN…
Ces trois exercices s’adressent à des élèves qui savent résoudre une équation et qui ont déjà vu l’ad-
dition vectorielle dans le cadre du chapitre des forces en physique.
2,82 ∙ 10-6
= 4π ∙ 10-7
∙ I ∙ 80
I ≈ 2,8 ∙ 10-2
A = 28 mA
47 ∙ 10-6
=
4π ∙ 10-7
∙ I ∙ 80
0,06
BTerre =
µ0 ∙ I ∙ N
l
BTerre = Bbobine
∙ 0,06
: (4π ∙ 10-7
∙ 80)
47 ∙ 10-6
= 3,2π ∙ 10-7
∙ N
N ≈ 47 spires
47 ∙ 10-6
=
4π ∙ 10-7
∙ 0,08 ∙ N
0,1
BTerre =
µ0 ∙ I ∙ N
l
BTerre = Bbobine
: (3,2π ∙ 10-7
)
Exercice 5
Peut-être faudra-t-il préciser aux élèves que l’axe
de la bobine est l’axe de révolution du cylindre
qu’elle forme.
Exercice 6Exercice 4
Si besoin est, on peut indiquer aux élèves qui au-
raient de la difficulté à aborder le problème que le
champ magnétique terrestre et celui de la bobine
sont perpendiculaires l’un à l’autre et doivent être
de même intensité puisque l’angle formé par l’ai-
guille est de 45 °.
= tan 25° ∙ BTerre
µ0 ∙ I ∙ N
l
tan 25° =
Bbobine
BTerre
Bbobine = tan 25° ∙ BTerre
l
µ0 ∙ N
I = tan 25° ∙ BTerre ∙
0,05
4π ∙ 10-7
∙ 100
I = tan 25° ∙ 47 ∙ 10-6
∙
≈ 0,0087 A = 8,7 mA
l
µ0 ∙ N
∙