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Niveau maths spé
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la bobine d'Helmoholtz

Posté par
pileus
07-01-12 à 21:07

exercices concernant "la bobine d'Helmoholtz"
on a deux bobine de même nombre N de  spire de même rayon R et de même axe, parcouru par le même courant, séparé par la distance 2l, un point M situé entre les deux bobines
après le calcul du champs magnétique il demande de montrer que le champs est hyperstationnaire (il ajoute entre "" maximes d'uniformité") lorsque 2l=R
j'est pas compris le terme hyperstationnaire???

Posté par
prbebo
la bobine d'Helmoholtz 07-01-12 à 23:53

Bosoir pileus,

tu as raison de protester, car ce n'est pas une expression couramment utilisee. En mathematiques, une fonction y = f(x) est stationnaire si en une valeur x0 de x, la derivee premiere y' est nulle. La fonction presente donc en x0 un extremum, minimum ou maximum, c'est a dire qu'au voisinage de x0 et est localement constante.
Elle est hyperstationnaire si, en x0, non seulement la derivee premiere y' et nulle, mais aussi les derivees d'ordre superieur, y'', y''' etc...

Dans le cas des bobines d'Helmoltz, le champ magnetique B1 sur l'axe est donne par la relation que tu peux retrouver sur le site . Comme B1(x) et une fonction paire, B1 et extremum pour x = 0 (c'est un maximum). la premiere derivee non nulle est donc d2B1/dx2, qui depend du rayon R des bobines et de la distance D qui separe leurs centres. Si on ajuste R et D pour que le coefficient qui multiplie la derivee seconde soit nul lui aussi,alors B1 ne depend de x que par un terme en x4, donc reste constant sur un plus grand domaine de variations de x au voisinage de x = 0.
Le petit schema ci-dessous t'aidera a comprendre mon explication.

Prbebo.

la bobine d\'Helmoholtz

Posté par
prbebo
la bobine d'Helmoholtz 07-01-12 à 23:55

erratum : sur la figure jointe ci-dessus, il faut lire "est nulle" au lieu de "et", et d2y/dt2 au lieu de d2y/dt2. Je ferais mieux d'aller me coucher, moi...

Posté par
pileus
re : la bobine d'Helmoholtz 08-01-12 à 00:53

merci beaucoup pour cette trésor que tu m'a donné
j'ai trouvé l'expression du champs magnétique B =B_0 (1/((l-x)^2+R^2 )^(3/2) +1/((l+x)^2+R^2 )^(3/2) ) avec 2l la distance qui sépare les deux bobines et R le rayons commun de cette bobine B_0 est une constante
alors pour montrer l'égalité il suffit de chercher l en fonction de R en effectuant le développement limité
(càd B=B(l)+x(dB(x)/dx)x=l+(x^2/2)(d^2B/dx)x=l+....
on met (d^2B/dx)(x=l)=0
c'est ça??

Posté par
prbebo
la bobine d'Helmoholtz 08-01-12 à 17:22

Bonjour Pileus,

ton message est a la limite de la comprehension... je suppose que tu veux savoir comment on trouve la distance qui separe les centres des bobines pour avoir un champ magnetique pratiquement constant sur leur axe. OK ? Je vais de donner les etapes du calcul, mais sans trop detailler les calculs intermediaires (sinon j'en ai jusqu'a ce soir) :

Champ cree par une bobine de centre C, en un point P situe a la distance CP = z sur son axe :
La relation de Lagrange-Helmholtz donne facilement B = 0NIR2/2.(R2 + z2)-3/2.

Champ cree en P par deux bobinnes:
Cf la figure ci-dessous pour les notations : on fait d'abord un changement d'origine en placant le point O au milieu du segment C1C2, on pose O = x. La distance qui separe les deux centres C1 et C2 et C1C2 = 2d (je prefere la lettre d a l, qui passe tres mal sur le forum). On a donc C1P = d + x, et C2P = d - x.
Le champ magnetique en P s'ecrit B(x) = K.(A1-3/2 + A2-3/2), avec K = 0NIR2/2, A1 = R2 + (d + x)2, A2 = R2 + (d - x)2. On va avoir besoin des derivees de A1 et de A2 par rapport a x, soit A1/x = 2(d + x) et A2/x = 2(d - x)

Ensuite, on va en effet faire un developpement limite de B(x) en fonction de x. On ecrit donc B(x) = B(x=0) + (x2/2).2B/x2(x=0) + 0(x4). Pourquoi n'y a-t-il pasde termes en x et en x3 ? simplement parce que B(x) est une fonction paire de x.
Pour obtenir 2B/x2, il faut malheureusement commencer par B/x... Donc :
B/x = 3K.[-(d + x).A1-5/2 + (d - x).A2-5/2].
On rederive (attention aux signes - qui arrivent... et on obtient
2B/x2 = 3K.[-A1-5/2 + 5.(d + x)2.A1-7/2 - A2-5/2 + 5.(d - x)2.A2-7/2].
Lorsque x = 0, on a A1 = A2 = R2 + d2. La derivee seconde de B(x) pour x = 0 s'ecrit donc, apres avoir rassemble convenablement les termes :
2B/x2(x = 0) = 30NIR2.(R2 + d2)-7/2.[4d2 - R2].

Ouf ! On voit que cette derivee est nulle si le crochet est nul, soit pour une distance d egale a R/2. Le champ magnetique sur l'axe des deux bobines est donc constant au 4ieme ordre pres en x si la distance C1C2 entre les centres est egale au rayon R.
La norme de B vaut alors 2K.A1(0), soit tous calculs faits B = 0NI/R.(5/4)-3/2.  Ca ne s'invente pas...

Si tu as des questions sur le detail de  ce calcul, tu peux les poser, mais sois clair stp, car tes mels sont tres difficiles a lire.

Prbebo.

la bobine d\'Helmoholtz



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