Phys. N° 09 : Mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique uniforme

Phys N° 09 :
Mouvement d'une particule chargée
dans un champ magnétique uniforme
Cours

Exercice

 

 
 

I- Le produit vectoriel.

1)- Définition.

2)- Le trièdre direct.

3)- Propriétés du produit vectoriel.

II- Étude expérimentale.

1)- Dispositif expérimental.

2)- Étude préliminaire.

III- La force magnétique : force de Lorentz .

IV- Aspect énergétique.

V- Application :

1)- Étude de la trajectoire d'une particule chargée dans un champ magnétique uniforme.

2)- Étude dynamique :

3)- Étude cinématique :

4)- La déflexion magnétique.

5)- Le spectrographe de masse.

 Exercices  

 

I- Le produit vectoriel.

1)- Définition.

-  Le produit vectoriel de deux vecteurs  et  faisant entre eux un angle  , est un vecteur:

-  Dont la direction est perpendiculaire au plan défini par  et ,

-  Le sens est tel que le trièdre ,  et  est direct,

-  La norme .

-  Le produit vectoriel est noté : .

 

2)- Le trièdre direct.

-  Règle : Tire-bouchon, main gauche, main droite. Représentation conventionnelle

-  Main gauche :

 

3)- Propriétés du produit vectoriel.

-  Le produit vectoriel n'est pas commutatif et .

 

 

II- Étude expérimentale.

1)- Dispositif expérimental.

- Il comprend :

- Une ampoule sphérique contenant un gaz raréfié (H2) qui permet de visualiser la trajectoire des électrons (luminescence).

- Un canon à électrons qui donne un faisceau d'électrons monocinétique.

- Cette ampoule est située entre deux bobines de Helmholtz.

-  Ces bobines sont parcourues par un courant d'intensité I.

Le champ magnétique  entre les deux bobines est pratiquement uniforme.

- La valeur du champ magnétique est proportionnelle à l'intensité du courant qui circule dans les bobines.

-  L'ampoule peut tourner autour d'un axe vertical.

- On peut ainsi changer la direction de la vitesse initiale  d'émission des électrons par rapport à celle du champ magnétique .

2)- Étude préliminaire.

*À l'aide d'une aiguille aimantée, on repère la direction et le sens du vecteur champ magnétique .

*Quelles sont les caractéristiques du vecteur champ magnétique  ?

- Le champ magnétique est uniforme,

- Orientation : règle de la main droite : doigt dans le sens du courant et le pouce écarté donne la direction et le sens de .

- Direction : axe commun des deux bobines.

- Indiquer sur les figures 1 et 2 le sens du courant dans les bobines, les faces des bobines et représenter le vecteur champ magnétique

 

Figure 1 :  Vue de face    Vue de profil

 

 

Cliquer sur l'image pour l'agrandir 

b)-  Expérience 1.

* On oriente le canon à électrons perpendiculairement à l'axe des bobines.

- Que peut-on dire des vecteurs  et  ?

-  

- Premier cas, on fixe l'intensité du courant I = 0 :

- Quelle est dans ce cas la valeur de champ magnétique B ?

- Quelle est la trajectoire décrite par le faisceau d'électrons ?

- Conclusion.

- 1ier cas : I = 0  =>  B = 0,

La trajectoire des électrons est rectiligne,

les électrons ne subissent aucune action.

- Deuxième cas, on augmente la valeur de l'intensité du courant I > 0 :

- Comment varie B quand I augmente ?

- Quelle est la trajectoire décrite par le faisceau d'électrons ?

- Conclusion.

-  et I > 0  =>  B > 0,   

- La trajectoire s'incurve puis devient circulaire.

- L'électron subit une action mécanique.

 

c)-  Expérience 2.

* On oriente le canon à électrons parallèlement à l'axe des bobines.

-  Que peut-on dire des vecteurs   et  ?

-  

- Premier cas, on fixe l'intensité du courant I = 0 :

- Quelle est dans ce cas la valeur de champ magnétique B ?

- Quelle est la trajectoire décrite par le faisceau d'électrons ?

- 1ier cas : I = 0  =>  B = 0, trajectoire rectiligne, aucune action

- Deuxième cas, on augmente la valeur de l'intensité du courant I > 0 :

- Comment varie B quand I augmente ?

- Quelle est la trajectoire décrite par le faisceau d'électrons ?

-  Conclusion.

- 2ième  cas : :  I > 0  =>  B > 0, trajectoire rectiligne, aucune action

*Interprétation.

-  Si , les électrons sont soumis à une force d'origine magnétique

qui a pour effet de dévier le faisceau d'électrons.

- Si , les électrons ne sont pas soumis à une force d’origine  magnétique.

III- La force magnétique : force de Lorentz .

-  La force exercée par un champ magnétique sur une charge q animée d'une vitesse  a pour expression :

 

 

Caractéristiques de  :

 

 

 

 

- Direction à  et  

- sens,  et  forment un trièdre direct

- valeur : F = |q| . v . B . sin α

(Au niveau de la terminale, )

-  remarque :

 

IV- Aspect énergétique.

-  Que peut-on dire du travail reçu par un électron se déplaçant dans un champ magnétique uniforme ?

-  Le travail de la force de Lorentz est nul car la direction de la force est perpendiculaire au déplacement.

-  L'énergie cinétique d'un électron varie-t-elle ?

-  L'énergie cinétique ne varie pas puisque la force ne travaille pas.

-  Quels sont les effets de la force de Lorentz sur le vecteur vitesse d'un électron ?

-  Les électrons se déplacent à la même vitesse, mais la direction change à chaque instant.

V- Application :

1)- Étude de la trajectoire d'une particule chargée dans un champ magnétique uniforme.

- Dans une ampoule sphérique en verre contenant un gaz sous faible pression,

on étudie la trajectoire suivie par un pinceau d'électrons homocinétiques soumis à

l'action d'un champ magnétique uniforme, de vecteur champ .

- L'ampoule est placée entre deux bobines d'Helmholtz (bobines coaxiales) où

règne le champ magnétique , dirigé selon l'axe des bobines

(c'est-à-dire perpendiculairement au plan de la figure 1).

- Le pinceau d'électrons est créé par un canon C dans lequel les électrons, émis à

une vitesse négligeable sont accélérés par une tension U.

- Les électrons sortent du canon avec une vitesse représentée par le vecteur ,

vertical, orienté de gauche à droite (voir figure 1 : vue de face).

- on observe une trajectoire circulaire de rayon R.

- On néglige le poids des électrons devant la valeur de la force de Lorentz.

- Dans le cas présent, et sont orthogonaux.

2)- Étude dynamique :

a)- Donner l'expression de la force électromagnétique qui s'exerce sur un

électron à l'instant t. En déduire les caractéristiques du vecteur force.

Faire un schéma.

- Force de Lorentz : en considérant un électron :

 

 

Caractéristiques de :

 

- Direction à  et

- sens,  et  forment un trièdre direct

- valeur : F = e . v . B car

 

b)- Après avoir précisé le référentiel d'étude et choisi le repère d'Espace, appliquer le théorème du centre d'inertie.

- Dans l'exercice, on néglige l'effet du poids devant la force magnétique.

- Le théorème du centre d'inertie dans le référentiel galiléen permet d'écrire que :

-  (1) avec  (2)

c)- Donner l'expression du vecteur accélération d'un électron.

- De (1) et (2), on tire que : (3)

- On peut remarquer que est un vecteur constant mais que le vecteur vitesse change de direction à chaque instant

puisque le mouvement est circulaire.

3)- Étude cinématique :

a)- Montrer alors que le mouvement des électrons se fait dans un plan.

- Conditions initiales :

-    et   

- De l'expression (3), on déduit qu'à chaque instant, le vecteur accélération est

perpendiculaire au vecteur champ magnétique (propriété du produit vectoriel).

- En conséquence, le vecteur accélération est contenu dans le plan xOy.

- On en déduit les coordonnées du vecteur accélération dans le repère choisi.

            

- Du fait des conditions initiales, le mouvement s'effectue dans le plan xOy.

- Il n'y a pas de composante suivant l'axe z'z.

b)-  Monter que le mouvement des électrons est circulaire uniforme.

*Conseil :

Il faut utiliser le repère de Frenet et donner l'expression

du vecteur dans ce repère.

- Comme il faut montrer que le mouvement est circulaire, on utilise le repère de Frenet.

On donne l'expression de  dans ce repère : en conséquence :

- .

- On peut en déduire l'expression du vecteur accélération dans le repère de Frenet :

- 

-   

- On en déduit les coordonnées du vecteur accélération dans le repère de Frenet :

 

La composante tangentielle de l'accélération est nulle

En conséquence : v = cte = v0 le mouvement de la particule est uniforme

D'autre part : le mouvement est circulaire.

c)-  Établir l'expression de R (rayon du cercle) en fonction de m, v0, B et e (e représente la charge élémentaire et

m la masse de l'électron).

-    (4)

-  A.N :

-   

d)-  Indiquer sur la figure 1, la direction et le sens de la force à la sortie du canon à électron, ainsi que le sens de .

Indiquer le sens du courant dans les bobines.

-  Voir figure 1 :

 

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-  On utilise ce dispositif pour déterminer expérimentalement le rapport appelé charge massique de l'électron.

e)-  Comment peut-on mesurer pratiquement la valeur de B ? On trouve B = 1,25 x 10 –3 T.

-  Mesure à l'aide d'un Teslamètre.

f)-  Comment peut-on mesurer pratiquement le diamètre D de la trajectoire circulaire suivie par les électrons ?

On trouve D = 6,0 cm.

-  Mesure à l'aide d'une règle graduée.

g)- Montrer que v0, vitesse initiale des électrons à la sortie du canon, s'exprime en fonction de la charge massique de l'électron

et de la tension accélératrice U.

En déduire que la charge massique peut s'exprimer en fonction de U, B et R.

-  Calculer numériquement sachant que U = 124 V.

-  Données : m = 9,10 x 10–31 kg ; B = 1,25 x 10 –3 T ;

e = 1,60 x 10 –19 C ; v0  = 6,59 x 10 6 m / s

-  En utilisant le théorème de l'énergie cinétique : 

-  Attention : l’électron porte une charge négative

-  Schéma :

 

-  (5)

-   (4)

-  En utilisant (4) et (5), on trouve :

-   

-  A.N :

-   

-  Vérification :

-   

4)- La déflexion magnétique.

a)-  Énoncé :

 

-  Un électron arrive dans le vide avec une vitesse initiale v0, de direction (OA) et orienté de O vers A ( v0 = 6,00 x 106 m / s),

au point d'origine O d'un référentiel Galiléen.

-  Il est alors soumis à l'action d'un champ magnétique uniforme créé dans une région de l'espace délimitée par le rectangle.

-  On suppose que la distance d est très petite devant la distance L.

b)-  Quelle est la nature du mouvement d'un électron entre O et M ? Justifier la réponse.

Calculer la valeur du rayon de l'arc de cercle décrit par l'électron.

 

-  Solution :

 

Système :

On choisit un électron e

Référentiel et repère :

On choisit comme référentiel : le dispositif.

Le référentiel est un référentiel Terrestre,

il est considéré comme Galiléen.

Le repère d’étude est lié au référentiel.

Bilan des forces :

L’électron est soumis à la force magnétique  et à son poids .

Remarque :

on peut négliger l’effet du poids devant celui de la force magnétique.

 

Étude dynamique :

Dans le référentiel galiléen, on applique le théorème du centre d’inertie :

 

En conséquence, le vecteur accélération est perpendiculaire au vecteur vitesse

ceci à chaque instant (propriété du produit vectoriel).

Coordonnées

du vecteur

accélération :

On travaille dans le repère de Frenet :

 

Comme et comme :

Conclusion :

Le mouvement de l’électron est circulaire uniforme.

 (2)

 

-  Ils décrivent un arc de cercle de rayon  : .

-  Application numérique :

-   

c)-  Quelle est la nature du mouvement d'un électron entre M et B ?

(On néglige l'effet du poids sur ce parcours)

-  Comme on néglige l'effet du poids sur le trajet MB,

on peut considérer que le mouvement des électrons sur ce trajet très court est  rectiligne uniforme.

-  MB a pour direction la tangente à l'arc de cercle au point M : CM MB.

-  On utilise l'approximation suivante :

-  On considère que l'angle a est petit en radian, en conséquence :

-  sin α ≈ tan αα  et .

-  Exprimer AB =Dm (déflexion magnétique en fonction de R, d et L.

-  Vérifier que Dm est fonction linéaire du champ magnétique appliqué.

-  Calculer Dm.

-  Données : (d = 1,00 cm ; L = 40,0 cm ; B = 1,25 x 10 –3 T)

-  Solution :

 

-  Dm = AK + KB (1)

-  D'autre part : et en utilisant l'approximation : sin α ≈ tan αα  

-  On en déduit : KBα . L (2)

-  Part construction, on remarque que :

-  AK = OJ = OC CJ = R R . cos α (3)

-  En utilisant l'approximation, il vient :

-  (3')

-  Mais (4). En utilisant (1), (2), (3') et (4), on peut écrire :

-   

-   

-  Application numérique :

-   

-  Dans la région de l'espace où règne le champ magnétique, les électrons sont déviés.

5)- Le spectrographe de masse.

*Dans tout le problème, les dispositifs sont dans le vide ; les vitesses sont faibles devant la célérité de la lumière.

On ne tiendra pas compte de la pesanteur.

a)-  On considère deux plaques P et N, conductrices, parallèles, verticales et distantes de d = 10,0 cm.

La tension entre les plaques est U = VP – VN = 6,00 x 104 V.

Une source émet des ions argent Ag+, avec une vitesse nulle, au travers d’une fente S placée dans la plaque P.

-  Quelle est la nature du mouvement des ions Ag+ entre les deux plaques  ?

-  nature du mouvement des ions argent entre les plaques P et N.

Système :

On choisit un électron e-

Référentiel

et repère :

On choisit comme référentiel : le dispositif.

Le référentiel est un référentiel Terrestre,

il est considéré comme Galiléen.

Le repère d’étude est lié au référentiel.

 

Bilan des

forces :

L’électron est soumis à la force électrique  et à son poids .

On  néglige l’effet du poids devant celui de la force magnétique.

 

Étude

dynamique :

Dans le référentiel galiléen, on applique le théorème du centre d’inertie :

 

 

En conséquence : 

Coordonnées

des

différents

vecteurs :

 

Le mouvement d'un ion argent est rectiligne uniformément accéléré,

entre les plaques P et N, car le vecteur position, le vecteur vitesse

et le vecteur accélération ont même direction et même sens

et le vecteur accélération est constant.

 

-  Quelle est l’expression littérale de la vitesse des ions à leur arrivée en O, sur la plaque ?

-  Expression littérale de la vitesse.

-  Il faut utiliser le théorème de l'énergie cinétique.

-  Dans le référentiel d'étude supposé Galiléen, la variation d'énergie cinétique est égale

à la somme des travaux des forces.

-   

-  expression de la vitesse :

-   (1)

-  L’argent est un mélange de 2 isotopes 107Ag et 109 Ag.

-  Calculer numériquement la valeur de la vitesse de chacun des isotopes à son arrivée en O.

(mp ≈ mn ≈ 1,66 x 10 – 27 kg).

-  Valeur numérique de la valeur de la vitesse pour chaque isotope.

-   

b)-  Les ions Ag+ traversent en O la plaque N par une fente et sont alors soumis à

un champ magnétique uniforme, de vecteur  normal à leur trajectoire.

-  Montrer qu’ils sont animés d’un mouvement circulaire uniforme.

Solution :

Système :

On choisit l’ion  Ag+

Référentiel

et repère :

On choisit comme référentiel : ledispositif.

 Le référentiel est un référentiel Terrestre,

il est considéré comme Galiléen.

Le repère d’étude est lié au référentiel.

Bilan

des

forces :

 

 

 

L’électron est soumis à la force magnétique  

et à son poids .

Remarque : on peut négliger l’effet du poids

devant celui de la force magnétique.

Étude

dynamique :

Dans le référentiel galiléen,

on applique le théorème du centre d’inertie :

 

En conséquence, le vecteur accélération est perpendiculaire

au vecteur vitesse ceci à chaque instant

(propriété du produit vectoriel).

Coordonnées

du vecteur

accélération :

On travaille dans le repère de Frenet :

 

 

Comme 

et comme :

Conclusion :

Le mouvement de l’électron est circulaire uniforme.

  (2)

 

-   Établir l’expression du rayon de courbure R en fonction de e, U, B et de la masse m d’un ion.

-  À  l’aide des relations (1) et (2),

-  On tire :

-  Calculer numériquement R pour chaque isotope si B = 1,0 T.

-   

c)-  À leur sortie du champ magnétique, les ions passent au travers d’une large fente

et sont captés par un fil métallique f relié à la terre à travers un galvanomètre sensible G.

-   À quelles distances x de O faut-il placer le fil f pour recevoir respectivement les ions 107Ag+ et 109 Ag+  ?

-  Position du fil F pour chaque isotope :

-  x107 = 2 R107  =>  x107 ≈ 0,730 m

-   x109 = 2 R109  =>  x107 ≈ 0,737 m

 

-  Pour les distances x précédentes, le galvanomètre indique les courants respectifs de 61,61 mA et 58,38 mA.

Quelle est la composition isotopique de l’argent  ?

-  (Charge élémentaire : e = 1,60 x 10 –19 C)