Consultations préalables
– Protocole de l’expérience
– Bobines de Helmholtz
– Champ magnétique en fonction de la distance entre les bobines

Réponses aux questions

Question 1 (2 points)
Qu’est-ce qu’une configuration de Helmholtz ? Quelles sont ses propriétés ?

• Une configuration de Helmholtz est un dispositif constitué de deux bobines plates identiques. Les bobines ont un axe commun et sont séparées par une distance égale à leur rayon. Cette configuration permet d’obtenir un champ magnétique pratiquement uniforme entre les bobines.

Question 2 (2 points)
Dans quel sens le courant circule-t-il dans chaque bobine dans une telle configuration ?

• Dans le même sens.

Question 3 (2 points)
Quelle est la loi physique qui permet d’obtenir la valeur du champ magnétique sur l’axe des bobines ?

• C’est la loi de Biot et Savart :

$d\vec B=\frac{\mu_0 I}{4\pi}\frac{d\vec s \times \vec r}{r^3}$

L’élément infinitésimal de longueur $d\vec s $ parcouru par le courant I, crée le champ magnétique élémentaire $d\vec B$ au point P :

Question 4 (4 points)
Quelle est l’expression du champ magnétique B créé par une bobine de N spires de rayon R à une distance x de son centre mesurée sur l’axe passant par ce centre et perpendiculaire au plan de la bobine ?

Pour un conducteur en forme de boucle, l’angle entre $d\vec s$ et $\vec r$ est un angle droit. La grandeur de $d\vec B$ vaut donc :

$\frac{\mu_0 I}{4\pi}\frac{ds}{r^2}$

Seule la composante selon Ox contribue au champ $\vec B$ (par symétrie, les composantes selon Oy et Oz s’annulent). Exprimons la composante de $d\vec B$ selon Ox :

$dB_x=dB sin\alpha=dB\frac{R}{r}=\frac{\mu_0 I R}{4\pi}\frac{ds}{r^3}$

En additionnant tous les éléments ds du conducteur (intégrale de ds sur la spire) on obtient la circonférence $2\pi R$ de la spire. La grandeur du champ résultant $\vec B$ vaut donc, pour N spires :

$B=\frac{\mu_0 NI}{2}\frac{R^2}{r^3}$

En exprimant r à l’aide de $R$ et de x, on obtient :

$r=\sqrt{R^2+x^2}$

$B=\frac{\mu_0N I}{2}\frac{R^2}{(R^2+x^2)^\frac{3}{2}}$

Question 5 (5 points)
Comment passe-t-on de cette expression à celle donnant le champ magnétique B au centre d’une configuration de Helmholtz ?

• En multipliant l’expression précédente par 2 (deux bobines) et en remplaçant x par R/2, on obtient, pour le champ au centre du dispositif :

$B=\frac{8\mu_0 N I}{5\sqrt{5}R_{bobine}}$

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