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MP · Physique · semaine 15

Conducteurs dans un champ électromagnétique

Conduction dans les métaux et modèle de Drude, loi d'Ohm locale, effet Hall, force de Laplace, induction électromagnétique, cas de Neumann et de Lorentz, auto-induction.

Sommaire

Le cours

Résumé en cinq points

  1. Dans un conducteur ohmique, j⃗=γE⃗\vec j=\gamma\vec E, et le champ cède en permanence la puissance volumique γE2\gamma E^2 à la matière.
  2. Le modèle de Drude, non exigible, relie la conductivité à la densité de porteurs et au temps de collision et fixe le domaine de validité en fréquence.
  3. La loi de Faraday e=−dΦ/dte=-\dd\Phi/\dd t couvre deux cas : circuit fixe dans un champ variable et circuit mobile dans un champ stationnaire.
  4. La loi de Lenz donne le sens du courant induit et sert de contrôle systématique.
  5. Dans un convertisseur électromécanique, la puissance de la force de Laplace et celle de la force électromotrice se compensent exactement : la conversion est intégrale.
Pourquoi ce chapitre

DéfinitionConducteur

Un conducteur est un milieu où les charges sont libres de se déplacer.

Le placer dans un champ électromagnétique crée un courant, et ce courant crée à son tour du champ. Ce chapitre installe donc le premier couplage matière-champ du programme.

Il donne la loi d'Ohm locale, qui sert ensuite pour l'effet de peau et pour les bilans d'énergie, et il reprend l'induction de première année en la reliant à Maxwell-Faraday.

L'induction est la base de la conversion électromécanique :

  • moteurs ;
  • alternateurs ;
  • transformateurs ;
  • freinage ;
  • plaques à induction.

Les deux situations types à maîtriser sont le circuit fixe dans un champ variable et le circuit mobile dans un champ stationnaire.

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Méthodes et exercices

Exercices classiques corrigés

Rangés par thème, du plus simple au plus exigeant. Difficulté et durée indicatives.

Conduction ohmique 1

Exercice 1. Résistance entre deux cylindres coaxiaux ★★

Classiques de khôlle et concours · 15 min · Khôlle

Un matériau de conductivité γ\gamma remplit l'espace entre deux cylindres métalliques coaxiaux de rayons a<ba < b et de hauteur hh.

Un courant II circule radialement de l'un à l'autre.

Calculer la résistance.

Voir l'indice

Technique conservation du flux de j, puis circulation de E.

Voir le corrigé offert
  1. Symétrie de révolution et courant radial : j = j(r) ur.
  2. En régime stationnaire, div j = 0. Le flux de j à travers un cylindre de rayon r vaut I, donc j(r) = I/(2πrh).
  3. E = j/γ, puis U = ∫ de a à b de E dr = I ln(b/a)/(2πγh).
  4. R = ln(b/a)/(2πγh). Contrôle : pour b = a + e avec e petit, R ≈ e/(2πahγ), formule d'une couche plane d'épaisseur e.

piège : Appliquer L/(γS) avec une section constante, alors que la section offerte au courant croît avec r.

Relaxation de charge 1

Exercice 2. Neutralité d'un conducteur ★★

Classiques de khôlle et concours · 15 min · Khôlle

Un conducteur ohmique homogène porte à l'instant initial une densité volumique de charge ρ0\rho_0.

Évolution ultérieure et ordre de grandeur pour le cuivre.

Corrigé détaillé dans Sup et Spé+ : essai gratuit 7 jours.

Conduction ohmique 1

Exercice 3. Modèle de Drude chiffré ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Khôlle guidée

Pour le cuivre, n=8,5×1028 m−3n = 8{,}5 \times 10^{28}~\mathrm{m^{-3}} et γ=6×107 S/m.\text{et } \gamma = 6 \times 10^{7}~\mathrm{S/m}. Calculer τ\tau et la vitesse de dérive sous 5 A/mm25~\mathrm{A/mm^2}.

Établir la conductivité complexe et le domaine de validité.

Voir le début du corrigé
  1. τ = mγ/(ne²) ≈ 9,1 × 10⁻³¹ × 6 × 10⁷/(8,5 × 10²⁸ × 2,6 × 10⁻³⁸) ≈ 2,5 × 10⁻¹⁴ s.

La suite du corrigé dans Sup et Spé+ : essai gratuit 7 jours.

Induction de Faraday 1

Exercice 4. Alternateur élémentaire ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · Khôlle

Une bobine plate de NN spires, de surface SS et de résistance RR, d'inductance négligeable, tourne à ω\omega constante autour d'un axe Δ\Delta de son plan, orthogonal à un champ BB uniforme.

Force électromotrice, couple de Laplace, puissance moyenne à fournir.

Voir le début du corrigé
  1. Δ est orienté pour que l'angle θ = ωt entre la normale et B croisse. …

La suite du corrigé dans Sup et Spé+ : essai gratuit 7 jours.

Conducteur mobile dans B 1

Exercice 5. Moteur linéaire sur rails ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Khôlle

Rails de la fiche, distants de aa, champ BB vertical.

La barre de masse mm part du repos.

Le circuit contient une résistance RR et un générateur idéal de force électromotrice EE.

Mouvement et bilan.

Voir le début du corrigé
  1. On oriente le circuit pour que la normale soit B/B. …

La suite du corrigé dans Sup et Spé+ : essai gratuit 7 jours.

Induction de Faraday 1

Exercice 6. Deux enroulements sur un même solénoïde ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · D'après un écrit CCINP MP

Deux enroulements de N1N_1 et N2N_2 spires, de même sens, sont bobinés sur un même cylindre de section SS et de longueur ll, modélisé comme un solénoïde infini.

Calculer L1L_1, L2L_2, MM.

Rapport des tensions à vide au secondaire, résistances négligées.

Voir le début du corrigé
  1. B = μ₀(N₁i₁ + N₂i₂)/l à l'intérieur.

La suite du corrigé dans Sup et Spé+ : essai gratuit 7 jours.

Courants de Foucault 1

Exercice 7. Courants de Foucault dans un cylindre ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · D'après un écrit CCINP MP

Un cylindre conducteur de rayon aa, de hauteur hh et de conductivité γ\gamma est placé dans un champ axial uniforme B0cos⁡ωtB_0 \cos \omega t.

On néglige le champ créé par les courants induits.

Puissance moyenne dissipée.

Voir le début du corrigé
  1. Comme dans la technique 4 : E = −(r/2) dB/dt u_θ = (rωB₀/2) sin ωt u_θ.

La suite du corrigé dans Sup et Spé+ : essai gratuit 7 jours.

Conducteur mobile dans B 2

Exercice 8. Roue de Barlow en moteur ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Type oral Mines

Un disque conducteur de rayon aa et de moment d'inertie JJ tourne autour de son axe, parallèle à BB uniforme.

Un générateur EE et une résistance RR font circuler ii de la périphérie vers l'axe.

Frottements négligés, départ au repos.

Mouvement.

Voir le début du corrigé
  1. Pour un point à la distance r, v ∧ B = rωB ur. …

La suite du corrigé dans Sup et Spé+ : essai gratuit 7 jours.

Exercice 9. Rails fermés par un condensateur ★★★

Approfondissement · 35 min · Type oral Centrale

Sur les rails, la barre de masse mm est lancée à v0v_0.

Le circuit contient une résistance RR et un condensateur de capacité CC initialement déchargé.

Vitesse finale et énergie dissipée.

Voir le début du corrigé
  1. Mêmes orientations qu'à l'exercice 5, avec q la charge du condensateur : Ri + q/C = −Bav et m dv/dt = iaB.

La suite du corrigé dans Sup et Spé+ : essai gratuit 7 jours.

Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de physique-chimie de la voie MP (arrêté du 5 janvier 2021). Elle exploite la loi d'Ohm locale et les aspects énergétiques de la partie « Énergie du champ électromagnétique », et elle reprend, comme le demande le préambule de la partie « Équations de Maxwell », les lois de l'induction étudiées en MPSI, relues à la lumière de l'équation de Maxwell-Faraday.

Au concours

Les questions des sujets corrigés qui travaillent ce chapitre. La première question de chaque sujet est en accès libre.

CCINP 2025, MP, Physique-chimie

  • Q10 Mesure d'un champ magnétique par teslamètre à effet Hall

CCINP 2025, MPI, Physique-chimie

  • Q6 Mesure d'un champ magnétique par sonde à effet Hall