On peut étudier le champ magnétique produit par un aimant en plaçant tout autour des dizaines de petites boussoles. Elles forment alors, en s'orientant, des lignes de champ magnétique. La figure 4.1 montre les lignes de champ autour d'un aimant droit. On remarque que le champ sort du pôle nord de l'aimant et rentrent dans le pôle sud. En effet, le pôle nord des petites boussoles est attiré par le pôle sud de l'aimant et pointe donc vers lui. Ainsi les lignes de champ vont, par l'extérieur de l'aimant, du pôle nord au pôle sud.
Cette constatation était fondamentale puisqu'elle reliait l'électricité au magnétisme. De plus, plus le courant était fort, plus la déviation était importante. Mais elle ne se produisait pas dans certains cas : fil est-ouest, au dessus de l'aiguille et courant vers l'est ou fil est-ouest, au dessous de l'aiguille et courant vers l'ouest. Et bien évidemment elle ne se produisait pas sans courant. D'où l'hypothèse que l'origine du magnétisme se trouve dans la présence de courant électrique. D'où aussi une autre expérience qui consiste à placer un fil parcouru par un courant à l'intérieur de l'enter-fer d'un aimant en U (voir figure 4.3).
On peut montrer, en étudiant les lignes de champ à l'intérieur de l'entre-fer d'un aimant en U, que le champ magnétique dans cette zone de l'aimant est rectiligne et uniforme (voir figure 4.4).
Ainsi, si le pôle nord de l'aimant est en bas et le nord en haut, le champ magnétique est vertical vers le haut. Si alors, on fait passer un courant électrique dans le fil de gauche à droite par exemple, alors il s'exerce sur le fil une force qui le déplace à l'extérieur de l'aimant. Si on inverse le sens du courant, le sens de la force s'inverse. De même si on inverse les pôles de l'aimant.
Le sens de rotation des lignes de champ est donné par la règle du tire-bouchon avec le pouce (de la main droite) dans le sens du courant du fil. Les autres doigts se refermant donnent alors le sens de rotation des lignes de champ.
Le sens des lignes de champ est donné par la règle du tire-bouchon avec les doigts (de la main droite) se refermant sur la paume de la main dans le sens de rotation du courant dans la boucle. Le pouce de la main donne alors le sens des lignes de champ à l'intérieur de la boucle.
Le sens des lignes de champ est donné par la même règle que pour une boucle de courant.
En particulier définissons les grandeurs suivantes :
Le cadre est vertical et le champ magnétique horizontal. Le vecteur S est perpendiculaire à la surface du cadre. Mais, comme le montre les deux vecteurs S et B, le champ magnétique n'est pas perpendiculaire à la surface du cadre. En raison de la présence du courant I, sur chaque côté du cadre s'exerce une force de Laplace. Elle n'est pas représentée sur la figure 4.9 pour les côtés horizontaux parce qu'elle est verticale pour ceux-ci et n'implique aucun mouvement du cadre (les deux forces se compensent). Par contre, pour les côtés verticaux, elle est notée pour une force dont la direction sort de la feuille et Ä pour une force dont la direction rentre dans la feuille. Ces deux forces forment un couple qui fait tourner le cadre autour de son axe de rotation jusqu'au moment où le vecteur S est parallèle et de même sens que B. Sous l'effet de l'inertie, il dépasse cette position et les forces le rappelle alors vers celle-ci. Ainsi, le cadre oscille quelque fois autour de cette position d'équilibre et s'arrête finalement sur celle-ci.
| I= |
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Celle-ci est placée au milieu de deux bobines de Helmoltz (bobines séparée d'une distance égales à leur rayon et au centre desquelles le champ magnétique est particulièrement constant) qui vont réaliser la déviation des électrons. Le fait de faire se déplacer les électrons dans un gaz va permettre de voir leur trajectoire. En effet, en heurtant les atomes du gaz, ils font monter un de leurs électrons sur une couche supérieure et celui-ci, en redescendant, va émettre de la lumière.
Les électrons émis à basse vitesse par le filament chauffé sont accéléré par le champ électrique créé par les électrodes. Comme l'énergie qu'on leur communique est proportionnelle à la tension (E=q· U), une haute tension est appliquée aux électrodes.
Ces deux D sont chargé d'un côté positivement et de l'autre négativement par un générateur alternatif. On place aussi ces deux D dans un champ magnétique, pour l'exemple donné vers le haut. L'accélération des particules (qui doivent être chargées) se fait alors en les plaçant au centre des deux D. Là elles se trouvent dans le champ électrique créé par les charges du générateur alternatif. Elles sont alors accélérées en ligne droite pendant tout le temps qu'elle se trouvent entre les D. En effet, dès qu'elles entrent dans les D, ceux-ci faisant office de cage de Faraday (voir paragraphe 2.3.5), la force électrique accélératrice cesse. Par contre, un champ magnétique perpendiculaire à la vitesse initiale étant présent, il fait tourner les charges à l'intérieur des D (sans les accélérer) sur une trajectoire circulaire qui les ramène entre les D.En effet, la force de Lorentz s'exerce. Or, cette force est toujours perpendiculaire à la vitesse. Si bien qu'il n'y a pas augmentation de la vitesse des particules, mais seulement déviation de celles-ci. De plus pour une force toujours perpendiculaire à la vitesse, on montre que la trajectoire est un cercle. Si le champ électrique reste tel qu'il était au départ, les particules sont freinées et tout s'arrête. Il est donc nécessaire d'inverser le champ en inversant les charges sur les D. C'est pourquoi le générateur est alternatif (comme on montre à l'annexe G que les particules font tous leurs demi-tours à la même fréquence, cela ne pose pas de problèmes particuliers). On inverse donc le champ juste avant que les particules arrivent entre les deux D. Alors, en passent entre eux elles sont encore accélérée. Puis pénètrent dans l'autre D avec une vitesse plus grande qu'auparavant. Là l'action électrique cesse et la force magnétique dévie à nouveau les particules sur une trajectoire circulaire. Mais, comme la vitesse initiale a augmenté, le rayon de la trajectoire est plus grand que pour le premier demi-tour (mais le temps de rotation reste le même). Ainsi les particules sont accélérées après chaque demi-tour et le rayon de leur trajectoire augmente. Il suffit alors de les laisser tourner assez longtemps pour qu'elles atteignent une trajectoire dont le diamètre est égal à celui du cyclotron pour pouvoir alors les laisser sortir et généralement les envoyer sur une cible.
Remarquez la taille tout à fait raisonnable malgré le gros électro-aimant (gros O en arrière plan à droite). Les deux D sont à l'intérieur du disque central. Il sont visible sur la figure 4.16, qui est un agrandissement de la partie centrale de la figure 4.15.
Le tout est mis sous vide pour éviter les collisions des particules avec celles de l'air. C'est pourquoi on voit des ``tuyaux'' qui sortent du cyclotron. La sortie des particules se faisait par la partie claire au centre de l'image et dans la direction du plan de la feuille, vers la gauche.
| r= |
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