Cette expérience consiste à voir le phénomène de la force de Laplace. Il met en jeu une partie d’un circuit, supposée mobile et traversée par un courant, et un aimant. Pour cela nous avons eu besoin du matériel suivant : un générateur, un aimant en U, un rail, un conducteur mobile qui est une tige de cuivre, un potentiomètre et des fils conducteurs.

Pour le protocole :

• nettoyer la tige de cuivre et les rails pour qu’il ne reste aucune trace de rouille ce qui pourrais faire échouer l’expérience. ( de 0:00 à 0:14 )
• brancher le montage sans allumer le générateur. Le curseur du potentiomètre doit être proche de la borne C (montrée sur le montage) pour que sa résistance soit maximale et que le courant soit très faible.

• appeler un laborantin pour qu’il vérifie notre montage, et allumer le générateur.
• déplacer le curseur petit à petit jusqu’à ce qu’il soit proche de la borne A, la résistance du potentiomètre sera proche de 0 ohm et le courant sera d’une grande intensité.

Nous voyons alors que la tige de cuivre se déplace.

• réitérer le protocole en inversant le sens du courant

Ainsi, la tige se déplace dans l’autre sens.

Les écouteurs utilisent le même principe que les hauts-parleurs. Un courant est amené par les fils dans l’écouteur, la bobine qui entoure l’aimant  va se déplacer et entraîner le déplacement de la membrane. De plus, un fin grillage métallique empêche l’entrée de poussières et saletés dans la membrane.

Ci-dessous, une photo prise de l’intérieur d’un écouteur :

Nous voyons bien les fils amenant le courant à la bobine que nous pouvons deviner à la forme circulaire de l’écouteur.  

Lorsque la prise Jack est branchée à une prise femelle audio, de n’importe quel appareil, un courant électrique est envoyé. Trois fils différents peuvent se distinguer dans le cordon qui amène le courant aux écouteurs. Un de ces fils se nomme la masse commune aux deux écouteurs et permettant de les relier. Ensuite, les deux autres câbles conduisent un courant électrique modulé pour reproduire des signaux stéréophoniques aux différents écouteurs (droite et gauche).

Ces signaux permettent à une personne d’écouter des sons comme si elle les entendait dans la nature ou en salle de concert.

Électriquement, les écouteurs peuvent être définis par deux caractéristiques : leur impédance (en Ohm) et leur puissance électrique, c’est-à-dire la puissance qu’ils peuvent diffuser (en milliwatt mW).

L’intensité de la musique peut être affaiblie en fonction de la distance entre une personne et le haut-parleur. Cette difficulté est une grande problématique des ingénieurs en charge de la sonorité des salles de concert. En revanche, contrairement aux hauts-parleurs, les écouteurs ont la particularité d’être au contact plus ou moins direct de notre appareil auditif. Donc, si une personne ne fait pas attention les écouteurs peuvent être la source d’une surdité plus ou moins intense.

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Le phénomène qui permet de diffuser un son et se produisant dans les hauts-parleurs est dû à une force électromagnétique appelée la Force de Laplace mettant en jeu un circuit électrique débitant un courant avec une section de ce circuit placée près d’un aimant.

L’expérience de Laplace est une expérience plutôt simple et qui nous montre très bien ce phénomène.

Il faut placer une section d’un circuit électrique ( contenant un générateur, un interrupteur ) près d’un aimant. Si nous fermons l’interrupteur et qu’un courant passe dans le circuit, nous pouvons voir que cette partie du circuit supposée mobile va se déplacer dans un sens bien précis. Or, si nous inversons le sens du courant, nous remarquons que le déplacement se fera à l’inverse du premier.

La valeur de cette force est proportionnelle à l’intensité du courant électrique et des caractéristiques du dispositif. Elle peut se calculer par la formule :

F = k . I

F est la valeur de la force, exprimée en Newton, I est l’intensité du courant en Ampères, et k dépend de la bobine, de l’aimant et de la géométrie du dispositif.

Cette force peut s’expliquer par la présence d’un champs magnétique autour de l’aimant.

Dans les hauts-parleurs, la bobine est la partie du circuit électrique située près de l’aimant. Ainsi, les variations de courant dans cette bobine créent des déplacements différents de la membrane entraînant les ondes sonores.

Nous pouvons donc dire que les caractéristiques du son transmis, comme la fréquence ou l’intensité, dépendent des caractéristiques du courant parcourant la bobine. Ainsi, plus un courant aura une fréquence faible, plus le son produit sera grave, et inversement.

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Quand le haut-parleur transmet de la musique, la bobine de fil est traversée par un courant et se déplace grâce à une force électromagnétique s’appelant la force de Laplace et un champ magnétique. Comme la membrane est attachée à la bobine, elle va, elle aussi, se déplacer. L’air subira alors des séries de compressions et de décompressions ce sont les ondes sonores qui se diffuseront jusqu’à nos oreilles.

Nous pouvons le comprendre très facilement grâce à une animation que nous avons trouvée sur internet :

https://www.pccl.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/premiere_1S/haut_parleur_microphone_force_laplace.htm

Cette animation montre les mouvement au ralenti de la bobine et de la membrane de deux vues différentes : une vue sur le côté où nous voyons les différentes parties du haut-parleur, et une vue d’en haut où nous pouvons faire apparaître, en cochant des cases en bas de l’écran à gauche, les flèches représentant la direction des forces qui sont exercées.

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Un haut-parleur se compose de quatre éléments majeurs : une bobine de fil conducteur enroulé sur lui-même, un aimant qui l’entoure, une membrane fixée à la bobine et soutenue par des suspensions externes.

Ensuite, nous pouvons trouver, en fonction des types de hauts-parleurs, un dôme anti-poussière qui évite que la poussière entre dans le mécanisme, un saladier ou bâti qui est le châssis du haut-parleur, un spider qui est un autre soutien du haut-parleur mais situé derrière la membrane et aussi en lien avec le saladier.

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