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électricité (PCSI) · Chapitre 7 · Application directe du cours

Deux fils parallèles et l'ancien ampère

Champ magnétique et forces de Laplace · niveau 2

Énoncé

Deux fils rectilignes infinis parallèles, distants de , sont parcourus par et . On admet que le fil 1 crée, à la distance de son axe, un champ orthoradial de norme , orienté par la règle de la main droite ().

1) Quel est le champ subi par le fil 2 ? Exprimer la force linéique exercée par le fil 1 sur le fil 2. Attraction ou répulsion, pour des courants de même sens ? de sens contraires ?

2) Vérifier la cohérence avec le principe des actions réciproques, et l'homogénéité.

3) De 1948 à 2019, l'ampère était défini ainsi : l'intensité d'un courant constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section négligeable et placés à un mètre l'un de l'autre dans le vide, produit entre eux une force de newton par mètre de longueur. Montrer que cette définition fixe la valeur de . Quelle masse a un poids égal à cette force sur un mètre ? Que devient la force si l'on double les deux courants ?

4) Ordres de grandeur. (a) Les câbles aller et retour d'un démarreur de voiture, distants de , transportent : force linéique, comparée au poids d'un câble (environ par mètre). (b) Lors d'un court-circuit dans un tableau électrique industriel, des barres de cuivre parallèles distantes de peuvent être parcourues par une intensité de l'ordre de : force linéique, et conséquence pratique.

Corrigé

Ce qu'on a le droit d'utiliser. L'expression donnée du champ d'un fil (le programme demande d'« évaluer un champ à partir d'expressions fournies ») et la force de Laplace. La stratégie : identifier le champ subi, puis n'appliquer la force qu'avec lui.

1) Champ subi et force. Le fil 2 subit le champ du fil 1 ; son propre champ est exclu (un conducteur ne subit jamais le champ qu'il crée lui-même : les forces intérieures se compensent). Le fil 1 est sur l'axe , le fil 2 passe par le point d'abscisse de , les courants sont comptés selon . Au niveau du fil 2, le vecteur orthoradial du fil 1 est :

uniforme le long du fil 2. Un tronçon de longueur subit donc , d'où

  • (même sens) : force vers le fil 1, les fils s'attirent ;
  • (sens contraires) : ils se repoussent.

Le point délicat. C'est l'inverse de l'électrostatique, où des charges de même signe se repoussent : le produit vectoriel fixe le sens, mieux vaut le refaire que se fier à une analogie.

2) Actions réciproques, homogénéité. Le calcul symétrique donne : forces opposées, de même droite d'action. Homogénéité : de , un champ s'exprime en , donc en , et en : une force par unité de longueur.

3) L'ancien ampère. Pour et , la force linéique vaut en unités SI. Imposer , c'est imposer

Depuis 2019, c'est la charge élémentaire qui est fixée, et est mesurée — égale à à mieux qu'un milliardième près.

La masse équivalente. : vingt microgrammes, un grain de poussière. La définition n'a jamais été réalisée telle quelle : les « balances de courant » utilisaient des bobines de nombreuses spires, qui multiplient la force.

Doublement. La force est proportionnelle à : doubler les deux courants la quadruple.

4) Ordres de grandeur. (a) Démarreur : courants opposés, les câbles se repoussent avec

moins du cinquième du poids d'un câble () : rien ne bouge. Le champ d'un câble au niveau de l'autre vaut pourtant , deux cents fois le champ terrestre. (b) Court-circuit : la force croît comme le carré de l'intensité,

le poids de quatre-vingts kilogrammes par mètre, appliqué brutalement. Les barres des tableaux électriques sont tenues par des supports dimensionnés pour ces efforts « électrodynamiques » ; sans eux, elles se tordent.

Ce que l'exercice installe. Le protocole d'une force de Laplace : identifier le champ subi, l'évaluer à partir de l'expression fournie, orienter par le produit vectoriel, vérifier par les actions réciproques et l'homogénéité. Et une loi d'échelle : entre deux conducteurs parcourus par le même courant, la force varie comme — anodine à quelques ampères, destructrice à quelques dizaines de kiloampères.

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