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Niveau école ingénieur
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trajectoire particule dans champ magnétique

Posté par
krempten2
13-08-17 à 18:11

Bonjour,

En magnétostatique, j'ai de la peine à comprendre la trajectoire d'une particule dans un champ magnétique circulaire, comme ceux produit par un fil rectiligne infini.

Je me base sur ce qui suit:
"Cas d'un champ magnétique produit par un fil rectiligne infini
Si la vitesse de la particule est parallèle au plan formé par la particule et le fil rectiligne, cette dernière reste toujours dans le même plan et sa trajectoire a un rayon de courbure grand loin du fil et petit proche du fil"

Ce que j'en comprends, c'est que si la vitesse de la particule est parallèle au fil, alors la particule va tourner en spirale autour du fil en se rapprochant ou s'éloignant du fil (en fonction de la charge de la particule), mais en restant dans le plan perpendiculaire au fil.

Est-ce que c'est juste ou est-ce que je peux avoir des explications sur la phrase que j'ai cité?

Merci d'avance

Posté par
vanoise
re : trajectoire particule dans champ magnétique 13-08-17 à 23:00

Bonsoir

Citation :
En magnétostatique, j'ai de la peine à comprendre la trajectoire d'une particule dans un champ magnétique circulaire, comme ceux produit par un fil rectiligne infini.

Cela n'a rien d'étonnant ! L'étude rigoureuse est très compliquée !
La phrase : "vecteur vitesse parallèle à un plan" manque de précision.  Quelques rappels utiles.
Un point fondamental : dans un champ magnétique indépendant du temps, la force de Laplace est de puissance instantanée nulle à chaque instant : le champ magnétique peut modifier la direction et le sens du vecteur vitesse mais la norme de ce vecteur reste fixe dans tous les cas. Toutes théorie ne respectant pas cette propriété ne peut qu'être fausse.
Cas simple d'un champ magnétique uniforme. Le vecteur vitesse initiale peut s'écrire sous la forme : \overrightarrow{V_{0}}=\overrightarrow{V_{//}}+\overrightarrow{V_{\bot}} : composantes respectivement parallèle et perpendiculaire aux lignes de champ. On obtient un mouvement hélicoïdal, composition d'une translation à la vitesse \overrightarrow{V_{//}} et d'une rotation à la vitesse angulaire \omega=\frac{|q|.B}{m}, le rayon étant R=\frac{m.V_{\bot}}{|q|.B}
La transposition aux cas des lignes de champ curvilignes est théoriquement compliqué. Tout de même, en considérant la ligne de champ passant par la position initiale, il est possible de faire une décomposition du vecteur vitesse analogue à la précédente : la particule suit une ligne de champ tout en tournant autour de celle-ci avec une vitesse angulaire qui augmente si B augmente : la trajectoire "s'enroule" autour de la ligne de champ en restant d'autant plus près de celle-ci que B est élevé.
Dans le cas des lignes de champ circulaire correspondant au champ créé par un conducteur rectiligne infiniment long parcouru par un courant continu, B reste fixe le long d'une ligne de champ : et R peuvent rester fixes : la trajectoire appartient à un tore circulaire admettant le conducteur créant le champ magnétique comme axe de symétrie. Tu trouveras quelques schémas en 3D ici (paragraphe 3) :

Posté par
krempten2
re : trajectoire particule dans champ magnétique 14-08-17 à 23:33

Ok merci, mais il y encore 2-3 trucs que je comprends pas:

Citation :
le champ magnétique peut modifier la direction et le sens du vecteur vitesse mais la norme de ce vecteur reste fixe dans tous les cas.

Donc toutes les particules qui subissent uniquement la force de Lorentz auront toujours un vecteur vitesse de norme constante?
Où est-ce que tu as trouvé ça, parce que je l'ai vu dans aucun de mes livres. J'ai seulement vu que la force de Lorentz ne travail pas, est-ce que cela implique la norme du vecteur vitesse reste constant?

Pour le calcul du rayon dans ton exemple
Citation :
R=\frac{m.V_{\bot}}{|q|.B}
j'ai cette formule:

R=\frac{m*\parallel \vec{v}\parallel ^2}{\parallel \vec{F}\parallel }
Est-ce qu'elle est juste aussi? Cela vourait dire que \parallel \vec{F}\parallel = \mid q\mid * B* \parallel \vec{V}\parallel


Je comprends pas cette phrase:
Citation :
la trajectoire appartient à un tore circulaire admettant le conducteur créant le champ magnétique comme axe de symétrie.


Merci de m'éclairer sur ces 3 points

Posté par
vanoise
re : trajectoire particule dans champ magnétique 15-08-17 à 11:59

Citation :
J'ai seulement vu que la force de Lorentz ne travail pas, est-ce que cela implique la norme du vecteur vitesse reste constant?

Absolument ! Pour t'en convaincre, applique le théorème de l'énergie cinétique à une particule chargée dans le cas où la seule force appliquée est la force de Lorentz (poids de la particule d'influence totalement négligeable).
Citation :
Cela vourait dire que \parallel \vec{F}\parallel = \mid q\mid * B* \parallel \vec{V}\parallel

L'expression générale de la force de Lorentz est :
\overrightarrow{F}=q\cdot\overrightarrow{V}\wedge\overrightarrow{B}
Cela conduit à l'expression de la norme du vecteur force que tu as écrite seulement si :

\overrightarrow{V}\bot\overrightarrow{B}\;\forall t
ce qui correspond au mouvement circulaire uniforme de la particule dans un champ uniforme avec vitesse initiale perpendiculaire au vecteur champ magnétique. Cela s'applique aussi au mouvement hélicoïdal à condition de ne prendre en compte que la composante de la vitesse perpendiculaire au vecteur B, celle que j'ai notée \overrightarrow{V_{\bot}} précédemment.
Tu trouveras plus d'explications et des schémas ici :
Citation :
Je comprends pas cette phrase:
Citation :
la trajectoire appartient à un tore circulaire admettant le conducteur créant le champ magnétique comme axe de symétrie.


Reprends le lien que je t'ai fourni hier paragraphe 3a) : la première animation correspond à un mouvement hélicoïdal : la particule décrit une hélice dont l'axe est une ligne de champ rectiligne. La seconde animation décrit un mouvement autour d'une ligne de champ circulaire. Si le mot tore te gêne : rigoureusement, il s'agit de la surface engendrée par la rotation d'un cercle autour d'un axe qui lui est coplanaire et non sécant (tore avec gorge). Tu peux imaginer un chambre à air de vélo ou un cerceau...

Posté par
krempten2
re : trajectoire particule dans champ magnétique 15-08-17 à 21:12

top merci beaucoup



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