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Physique-Chimie · 1ère Année Bac — Sciences et Technologies Mécaniques

Force magnétique : Force de Laplace

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

La force de Laplace $\vec{F}$ est la force exercée par un champ magnétique uniforme $\vec{B}$ sur une portion de conducteur de longueur $l$ parcourue par un courant d'intensité $I$. Elle est donnée par la relation : $$\vec{F} = I \cdot \vec{l} \wedge \vec{B}$$

  • $I$ : Intensité du courant en Ampères (A).
  • $\vec{l}$ : Vecteur longueur, de norme $l$ (m), orienté dans le sens du courant.
  • $\vec{B}$ : Vecteur champ magnétique en Tesla (T).
  • $\vec{F}$ : Force de Laplace en Newton (N).

La norme de la force est : $F = I \cdot l \cdot B \cdot \sin(\alpha)$, où $\alpha$ est l'angle entre $\vec{l}$ et $\vec{B}$.

Méthodes à maîtriser

  1. Déterminer la direction de $\vec{F}$ : Utiliser la règle de la main droite (ou la règle du tire-bouchon). Le pouce suit $\vec{l}$, l'index suit $\vec{B}$, le majeur indique $\vec{F}$.
  2. Calculer la norme : Identifier l'angle $\alpha$. Si $\vec{l} \perp \vec{B}$, alors $\sin(90^\circ) = 1$ et $F = I \cdot l \cdot B$.
  3. Représentation graphique : Toujours tracer le vecteur $\vec{F}$ à partir du milieu du conducteur.

Exemples corrigés

Un conducteur rectiligne de longueur $l = 10 \text{ cm}$ est placé dans un champ uniforme $B = 0,2 \text{ T}$. Le courant $I = 5 \text{ A}$ est perpendiculaire à $\vec{B}$. Calcul : $F = 5 \times 0,1 \times 0,2 \times \sin(90^\circ) = 0,1 \text{ N}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir la longueur en mètres (cm vers m).
  • Confondre le sens du courant avec le sens de déplacement des électrons (le courant va du + vers le -).
  • Se tromper dans l'ordre du produit vectoriel (inverser $\vec{l}$ et $\vec{B}$ change le sens de la force).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Force magnétique : Force de Laplace

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La force de Laplace est nulle si :

❓ Questions fréquentes

Kifach n3ref l-ittijah dyal l-qowwa b-l-yad l-yomna?
  1. Place ta main droite ouverte.
  2. Oriente ton pouce dans le sens du courant ($I$).
  3. Oriente tes doigts dans le sens du champ magnétique ($\vec{B}$).
  4. La paume de ta main indique le sens de la force de Laplace ($\vec{F}$).

💡 À retenir : La main droite ne trompe jamais si tu respectes l'ordre : Pouce ($I$), Doigts ($\vec{B}$), Paume ($\vec{F}$).

Est-ce que la force de Laplace existe si le conducteur est parallèle aux lignes de champ ?

Non. Si le conducteur est parallèle au champ, l'angle $\alpha$ est de $0^\circ$ ou $180^\circ$. Comme $\sin(0^\circ) = 0$ et $\sin(180^\circ) = 0$, alors $F = 0$.

💡 À retenir : Pas de force si le courant est parallèle au champ magnétique.

Chno hiya l-wahda dyal l-majal l-maghnatis?

L'unité internationale du champ magnétique est le Tesla, noté T.

💡 À retenir : 1 Tesla est une unité très grande, en laboratoire on utilise souvent le milliTesla (mT) ou le Gauss (G).

Est-ce que la force de Laplace dépend de la forme du fil ?

La formule $\vec{F} = I \cdot \vec{l} \wedge \vec{B}$ s'applique à un conducteur rectiligne. Pour un fil courbe, on considère la distance vectorielle entre les deux extrémités du fil.

💡 À retenir : Seul le vecteur reliant le point d'entrée et de sortie du courant compte.

Kifach n7seb l-qowwa ila kan l-angle machi 90?

Tu utilises la formule complète : $F = I \cdot l \cdot B \cdot \sin(\alpha)$. Il suffit de mesurer ou de calculer l'angle $\alpha$ entre le fil et les lignes de champ.

💡 À retenir : La force est maximale quand le fil est perpendiculaire au champ.

La force de Laplace peut-elle faire tourner un objet ?

Oui, c'est le principe de fonctionnement des moteurs électriques. En plaçant une bobine dans un champ magnétique, les forces de Laplace créent un couple de forces qui fait tourner le moteur.

💡 À retenir : La force de Laplace transforme l'énergie électrique en énergie mécanique.

Est-ce que la force de Laplace change si on inverse le courant ?

Oui, si tu inverses le sens du courant ($I$ devient $-I$), le sens de la force $\vec{F}$ est inversé.

💡 À retenir : Le sens de la force dépend directement du sens du courant.

Pourquoi on dit que le champ est uniforme ?

Un champ est uniforme s'il a la même valeur, la même direction et le même sens en tout point de l'espace considéré.

💡 À retenir : Cela simplifie les calculs car $B$ est une constante.

Est-ce que la force de Laplace est toujours perpendiculaire au fil ?

Oui, par définition du produit vectoriel $\vec{F} = I \cdot \vec{l} \wedge \vec{B}$, le vecteur $\vec{F}$ est perpendiculaire au plan formé par $\vec{l}$ et $\vec{B}$.

💡 À retenir : $\vec{F}$ est toujours perpendiculaire au fil et au champ.

Est-ce que le champ magnétique terrestre peut créer une force de Laplace ?

Oui, mais elle est extrêmement faible car le champ terrestre est très petit (environ $5 \cdot 10^{-5} \text{ T}$).

💡 À retenir : Dans les exercices, on utilise des aimants puissants pour rendre la force mesurable.

Comment savoir si le courant entre ou sort du plan ?

On utilise les notations : un point ($\odot$) signifie que le courant sort du plan, une croix ($\otimes$) signifie qu'il entre dans le plan.

💡 À retenir : Visualise une flèche : on voit la pointe (point) ou l'empennage (croix).

Est-ce que la force de Laplace dépend de la matière du fil ?

Non, elle dépend uniquement de l'intensité du courant, de la longueur du fil et du champ magnétique.

💡 À retenir : La nature du métal (cuivre, aluminium) n'influence pas la force.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un conducteur rectiligne $MN$ de longueur $L = 20 \text{ cm}$ est placé dans un champ magnétique uniforme $\vec{B}$ de norme $B = 0,5 \text{ T}$. Le courant $I = 2 \text{ A}$ circule de $M$ vers $N$. Le vecteur $\vec{l}$ fait un angle de $30^\circ$ avec les lignes de champ. Calculer la norme de la force de Laplace.

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Exercice 2

Un rail conducteur horizontal est parcouru par un courant $I = 10 \text{ A}$. Une tige métallique est posée perpendiculairement sur les rails dans une zone où règne un champ magnétique vertical dirigé vers le bas. Le champ vaut $0,1 \text{ T}$. La longueur de la tige dans le champ est $15 \text{ cm}$. Déterminer les caractéristiques de la force de Laplace.

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Exercice 3

On considère un fil conducteur plié en forme de "U" de largeur $d = 10 \text{ cm}$. Le courant $I = 5 \text{ A}$ parcourt le fil. Le champ magnétique $B = 0,2 \text{ T}$ est perpendiculaire au plan du "U". Calculer la force de Laplace s'exerçant sur la partie horizontale du "U".

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