Principe de fonctionnement du galvanomètre :  L'expérience d'Oersted
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Isabelle Jonas - AESS Physique - Juin 2010


 
Par Mr J. CHR. OERSTED,      Professeur de physique à l'Université de Copenhague.    (Traduction.)

" Les premières expériences sur l'objet que j'entreprends d'éclaircir ont été faites dans les leçons que j'ai
données, l'hiver dernier, sur l'électricité et le magnétisme. Elles ont montré en général que l'aiguille aimantée changeait de direction par l'influence de l'appareil voltaïque ; et que cet effet avait lieu lorsque le circuit était fermé, et non lorsqu'il était interrompu : procédé que des physiciens célèbres avaient vainement essayé il y a quelques années. Mais comme mes expériences avaient été faites avec un appareil peu énergique, et dont l'effet n'était pas aussi frappant que l'importance du fait à établir le méritait, j'invitai mon ami Esmarch, conseiller de justice de S. M., à se joindre à moi pour les répéter avec un appareil plus considérable. Nous eûmes encore pour associé et témoin M. le chevalier Wleugel, les savans MM. Hauch, Reinhardt, professeurs d'histoire naturelle, Jacobsen, professeur de médecine et très-habile chimiste, et Zeise, professeur de philosophie. J'ai fait aussi quelques expériences, à moi seul ; et lorsqu'elles m'apprenaient quelque chose de nouveau, j'avais soin de les répéter en présence de ces hommes éminens dans la science."                                                                                     
                        Oersted                                             
Description

  • Expérience 1 :
            Une aiguille aimantée flotte sur de l'eau dans un bol, grâce à un petit morceau de frigolite. Elle s'oriente naturellement  
            selon la direction de l'axe Nord-Sud du champ magnétique terrestre. On dispose au-dessus de cette aiguille et
            parallèlement à celle-ci un fil électrique. Lorsque le fil électrique est connecté à un générateur (par ex. une pile),
            il est traversé par un courant électrique et on observe que l'aiguille est déviée
et a tendance à s’orienter
            perpendiculairement au fil.
Lorsqu’on arrête le courant, l’aiguille reprend sa position initiale.
            Lorsqu'on inverse la polarité aux bornes du fil conducteur, le même phénomène se produit mais à la différence que
            le sens de rotation de l'aiguille est inversé.
  • Expérience 2 :

On enroule cette fois un fil électrique autour d’une boussole. On oriente la boussole de sorte que le fil soit parallèle à l’aiguille aimantée de la boussole. Lorsqu’on fait passer un courant dans ce fil électrique (c-à-d lorsqu'on le branche à un générateur, par ex. une pile), on constate que l’aiguille de la boussole dévie et a tendance à s’orienter perpendiculairement au fil (autrement dit, parallèlement au solénoïde formé autour de la boussole).
Lorsqu’on arrête le courant, l’aiguille reprend sa position initiale.
==> Le déplacement des charges électriques dans le conducteur provoque un champ magnétique

Lorsqu'on inverse la polarité aux bornes du fil conducteur, le même phénomène se produit mais à la différence que
le sens de rotation de l'aiguille de la boussole est inversé.
==> Le sens du champ magnétique dépend du sens de déplacement des charges électriques.

Lorsqu'on augmente le nombre de spires autour de la boussole, on constate que la déviation est plus grande.
==> L'intensité du champ magnétique dépend de l'intensité du courant électrique.

Les expériences 1 et 2 sont équivalentes.

  • Le galvanomètre:

Les expériences ci-dessus constituent le principe de fonctionnement d'un galvanomètre.
En effet, un galvanomètre sert à détecter un courant électrique. On peut donc se servir du système de bobinage d'un fil électrique autour d'une boussole pour détecter un courant électrique. Il suffit de brancher ce système en série dans un circuit pour voir si un courant électrique y circule puisque dans ce cas, il y aura déviation de l'aiguille de la boussole.
Il est bien sûr possible d'améliorer le dispositif pour le rendre quantitatif. On commencera par se libérer du champ magnétique terrestre en le remplaçant par un ressort de rappel (ou un fil de torsion).
Actuellement, on recourt le plus souvent à des amplifications électroniques (multimètres digitaux).
Toutefois, même un détecteur de zéro peut être utilisé dans de nombreux montages: Pont de Wheatstone, mesure de pile par opposition, ...


Pourquoi ?
Cette expérience est importante pour deux raisons :

 1°) Elle montre l'origine du champ magnétique
:

L’existence de forces électriques attractive ou répulsive s’explique par la présence de charges électriques positives et négatives.

En ce qui concerne le magnétisme, on ne peut pas parler de « charges » magnétiques de type Nord ou de type Sud, et il faut chercher une autre explication. En effet, il est impossible d’isoler d’éventuelles « charges » magnétiques ; lorsqu’on brise un aimant, chaque morceau obtenu, aussi petit soit-il, présente à la fois les deux pôles : Nord et Sud.

Or, d'après l'expérience décrite ci-dessus, on observe que le courant électrique crée un champ magnétique.
Puisqu'un courant électrique est un mouvement d’ensemble de charges électriques dans une direction privilégiée,
on peut dire qu'
un champ magnétique est créé par des charges électriques en mouvement.


 2°) Elle marque une étape importante dans l'histoire de l'électricité et du magnétisme.
            Cette expérience a été réalisée pour la première fois en 1820 par le physicien et chimiste danois      
            Hans-Christian Oersted (1777-1851).
            Elle lui a permis d’établir le lien entre l’électricité et le magnétisme : un courant électrique crée
            un champ magnétique.
            Ampère prit connaissance de ces résultats en septembre 1820 et développa rapidement la théorie qui allait
            permettre l'émergence de l'électromagnétisme. 

    

    
Expérience 1
(aiguille aimantée)
Appareillage EXPÉRIENCE 1 - MATÉRIEL   
Légende:
  1. pile 4,5 V
  2. interrupteur ( I : courant (circuit fermé) / O : PAS de courant (circuit ouvert) )
  3. fil de cuivre dans une gaine plastique, extrémités dénudées
  4. aiguille en fer
  5. morceau de frigolite
  6. aimant puissant
  7. bol en verre rempli d'eau
         + adhésif
Mode opératoire
  1. Placer un petit morceau de frigolite sur la surface du bol rempli d'eau.
  2. Aimanter l'aiguille à l'aide d'un aimant puissant.
  3. Poser l'aiguille sur le morceau de frigolite qui flotte sur l'eau.
  4. Laisser l'aiguille trouver sa position d'équilibre selon l'axe N-S, (éventuellement, repérer le Nord et le Sud grâce à une boussole, et les indiquer sur la frigolite : rouge pour le Nord, vert pour le Sud)
  5. Une fois l'équilibre obtenu, disposer un fil de cuivre au-dessus de l'aiguille et parallèlement à celle-ci (le fixer sur le bol avec un adhésif).
  6. Brancher le fil de cuivre à la pile en prenant soin de positionner un interrupteur fermé dans le circuit électrique.
  7. Une fois les branchements effectués, ouvrir l'interrupteur une fraction de seconde et ensuite, le refermer.
  8. Observer l'effet produit.
  9. Inverser la polarité aux bornes du fil conducteur.
  10. Ouvrir l'interrupteur une fraction de seconde et ensuite, le refermer.
  11. Observer l'effet produit.
Recommandations
  • Il faut éviter de laisser la pile connectée au circuit trop longtemps ;
          Autrement, d'une part, la pile se décharge rapidement au fur et à mesure des essais, et d'autre  
          part, le fil s'échauffe très rapidement. C'est pourquoi on choisira d'utiliser un interrupteur car, bien que facultatif,
          il permet une manipulation plus aisée grâce à un meilleur contrôle du temps de connection à la pile. (En fait, il est plus simple d'inclure
          une ampoule dans le circuit, pour limiter le courant , et , en même temps, visualiser sa présence).
  • Eloigner l'aimant du dispositif une fois que l'aimantation de l'aiguille a été effectuée
  • Remplir le bol jusqu'à un niveau suffisant pour permettre à l'aiguille d'être assez proche du fil électrique que l'on va disposer sur le bol
RÉSULTATS
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02EXP1_SANS_COURANT
Résultats de l'expérience lorsqu'il y a passage d'un courant dans le fil de cuivre, dans un sens, puis dans l'autre.
03EXP1_AVEC_COURANT_CAS1
04EXP1_AVEC_COURANT_CAS2_POLARITE_INVERSEE

Constatation :
L'aiguille de la boussole s'oriente perpendiculairement au fil. Dans un sens de rotation ou dans l'autre, selon le sens du courant électrique.



Expérience 2
(boussole)
Appareillage  05EXP2_MATERIEL
Légende:
  1. pile 1,5 V
  2. interrupteur ( I : courant (circuit fermé) / O : PAS de courant (circuit ouvert) )
  3. boussole
  4. fil de cuivre dans une gaine plastique, extrémités dénudées
  5. ampoule lumineuse (3,8 V - 0,3 A) avec branchements en cuivre
         + adhésif

Mode opératoire
  1. Réaliser un circuit électrique en branchant en série les éléments suivants, et en prenant bien soin de fermer l'interrupteur;  pile - interrupteur - ampoule - fil de cuivre (à enrouler autour de la boussole) - pile 
  2. CAS 1 :
    1. avec le fil de cuivre, faire une spire autour de la boussole (fixer à l'aide d'adhésif)
    2. disposer la boussole de manière à ce que le fil de cuivre qui l'entoure soit orienté dans la même direction que l'aiguille de la boussole.
    3. ouvrir l'interrupteur 1 à 3 secondes et ensuite, le refermer.
    4. noter l'amplitude de la déviation de l'aiguille de la boussole.
  3. CAS 2 :
    1. avec le fil de cuivre, faire plusieurs spires autour de la boussole (fixer à l'aide d'adhésif)
    2. disposer la boussole de manière à ce que le fil de cuivre qui l'entoure soit orienté dans la même direction que l'aiguille de la boussole.
    3. ouvrir l'interrupteur 1 à 3 secondes et ensuite, le refermer.
    4. noter l'amplitude de la déviation de l'aiguille de la boussole, ainsi que la différence de rapidité avec laquelle elle change d'orientation.

Recommandations
  • Il faut éviter de laisser la pile connectée au circuit trop longtemps ;
          Autrement, d'une part, la pile se décharge rapidement au fur et à mesure des essais, et d'autre  
          part, le fil s'échauffe très rapidement. C'est pourquoi on choisira d'utiliser un interrupteur car, bien que facultatif,
          il permet une manipulation plus aisée grâce à un meilleur contrôle du temps de connection à la pile.
  • L'effet de déviation est assez important, même avec une seule spire. Pour parvenir à bien mettre en évidence la différence d'effet entre le cas 1 (1 spire) et le cas 2 (plusieurs spires), il faut utiliser un courant très faible.  
  • Deux conseils pour obtenir un courant assez faible :
    • utiliser une pile de faible voltage (ici 1,5 V)
    • placer une ampoule dans le circuit ; celle-ci constitue une résistance et permet de diminuer l'intensité du courant qui circule dans le fil de cuivre.

RÉSULTATS
CAS 1 : 1 seule spire

Départ : dispositif sans courant électrique:
06EXP2_CAS1_UNE_SPIRE_DEPART
07EXP2_CAS1_UNE_SPIRE_DEPART_ZOOM1
 
Résultat de l'expérience lorsqu'il y a passage d'un courant dans le fil de cuivre.
09EXP2_CAS1_UNE_SPIRE_RESULT
10EXP2_CAS1_UNE_SPIRE_RESULT_ZOOM

Constatation :
L'aiguille de la boussole est déviée jusque quelques graduations avant la graduation "200"

RÉSULTATS
CAS 2 : plusieurs spires



Départ : dispositif sans courant électrique:
11EXP2_CAS2_PLUSIEURS_SPIRES_DEPART

12EXP2_CAS2_PLUSIEURS_SPIRES_DEPART_ZOOM

 
Résultat de l'expérience lorsqu'il y a passage d'un courant dans le fil de cuivre.
13EXP2_CAS2_PLUSIEURS_SPIRES_RESULT 14EXP2_CAS2_PLUSIEURS_SPIRES_RESULT_ZOOM

Constatation :
L'aiguille de la boussole est déviée jusque la graduation "220" c-à-d plus fort que dans le cas1. Le mouvement de rotation de l'aiguille est également plus rapide que dans la cas1.



Vidéo sur l'expérience d'Oersted
Lien vers le site @.Ampère et l'histoire de l'électricité

Un film propriété du CNRS, realisé par Bertrand Wollf et Christine Blondel :
CNRS OERSTED VIDEO

http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/oersted/video/oersted.php