CCP Physique 1 PSI 2012

Thème de l'épreuve Étude des phénomènes d'hystérésis et des effets des champs magnétiques
Principaux outils utilisés électronique, optique, électromagnétisme, mécanique du point

Corrigé

(c'est payant, sauf le début): - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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Énoncé obtenu par reconnaissance optique des caractères


SESSION 2012

PSIP103

EPREUVE SPECIFIQUE - FILIERE PSI
____________________

PHYSIQUE 1
Durée : 4 heures
____________________
N.B. : Le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la 
précision et à la concision de
la rédaction. Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être 
une erreur d'énoncé, il le
signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les 
raisons des initiatives
qu'il a été amené à prendre.

___________________________________________________________________________________

Les calculatrices sont autorisées

Le sujet comporte 12 pages

Cette épreuve comporte deux problèmes indépendants : le premier porte sur 
l'étude des
phénomènes d'hystérésis en physique grâce à différents exercices indépendants 
et le deuxième
problème porte sur les effets des champs magnétiques dans différents systèmes.

1/12

Tournez la page S.V.P.

PROBLEME A : quelques phénomènes d'hystérésis en physique

En grec, << notepnotÇ >>, hystérésis signifie << en retard >>.

Hystérésis en électronique : trigger de Schmidt

On considère le montage de la figure 1 où l'amplificateur opérationnel est 
supposé parfait et idéal
mais fonctionnant en régime non--linéaire. Le montage est alimenté par une 
tension e(t)

d'amplitude variable. La tension de sortie de l'amplificateur vaut s = i V

sat '

!

Figure 1 : montage trigger de Schmidt

A.] A quelle condition sur V+, potentiel de la borne d'entrée non-inverseuse, 
a-t-on s : +V ?

sat

A.2 Montrer que le potentiel V+ s'écrit comme une combinaison linéaire des 
tensions e et s :
V+ : a - e + ,B - s où l'on précisera les valeurs des coefficients & et ,B.

A.3 Supposons que la tension 6 soit suffisamment négative pour que s soit égale 
à --V, La

sa! '

tension e augmente alors. Pour quelle valeur V1 de e la sortie s bascule de --V 
à +V ?

sa! sa!

Supposons maintenant que la tension 6 soit suffisamment positive pour que s 
soit égale à
+V La tension 6 diminue alors. Pour quelle valeur V2 de e la sortie s bascule 
de +V_ à

sa! ' sa!

--V'?

sat

A.4 Tracer avec le plus grand soin l'allure de la caractéristique s(e) du 
montage. On précisera
bien le sens de parcours de la caractéristique en y plaçant des flèches.

A.5 Applications :

- Un tel montage peut servir à stocker de l'information : par exemple, lorsque 
la sortie est
<< bloquée >> à la valeur +V on dit que l'on a enregistré un bit de valeur << 1 
>> et lorsque la

sat '

sortie est << bloquée >> àla valeur -- V

sal 7

on dit que l'on a enregistré un bit de valeur << 0 >>.

On souhaite enregistrer un code formé de 4 chiffres (allant de 0 a 9). On 
rappelle que tout

P
entier peut se décomposer en binaire selon la relation N = z bk 2k où bk = 0 ou 
l . L'ensemble
k=0

des bk forme le code binaire de l'entier N.
Quel est le plus grand nombre que l'on puisse écrire avec un code binaire de 13 
chiffres et de
14 chiffres ? En déduire le nombre de circuits << trigger de Schmidt >> à 
utiliser pour stocker un
code formé de 4 chiffres en base décimale.

- Citez une autre application du trigger de Schmidt que vous avez étudiée 
pendant l'année.
Hystérésis en optique : porte logique optique

Une onde lumineuse est caractérisée par la grandeur scalaire S dont la 
représentation complexe en

un point d'abscisse x est de la forme E (x, t) : a-exp[j(wt--w(x))] où a est 
l'amplitude supposée
constante de l'onde, ça(x) sa phase au point considéré, ] est le nombre 
imaginaire pur tel que

]2 =--l et west la pulsation de l'onde.

L'intensité lumineuse [ associée est reliée à g par la relation [ : lfi|2.
On étudie l'interféromètre de PEROT -- FABRY (figure 2) constitué d'une lame à 
faces parallèles
d'un matériau transparent d'indice de réfraction n0 occupant l'espace compris 
entre x=0 et

x = L . Les faces de la lame sont traitées de façon à posséder une réflectivité 
élevée. L'ensemble est
placé dans le vide. On envoie depuis x=--oo une onde lumineuse monochromatique 
plane de

pulsation a) se propageant dans la direction ex . Cette onde arrive en 
incidence normale sur la face
d' entrée de l ' interféromètre.

0 L x
Figure 2 : Interféromètre de PEROT -- FABRY

A.6 Les ondes lumineuses peuvent se réfléchir sur les interfaces verre / vide. 
On considère une
onde lumineuse qui a effectué 1 aller et p allers-retours dans la lame et qui 
sort de la lame.

Exprimer le déphasage @ entre cette onde et celle qui a effectué 1 aller et p 
+] allers-retours
en fonction de n() , L, dela pulsation w et de la célérité de la lumière dans 
le vide c0 .

A.7 On appelle 10 l'intensité lumineuse avant traversée de la lame. On montre 
que l'intensité

(1--R)2
l+R2 --2Rcos$

coefficient de réflexion de l'interface verre / vide. Pour quelles valeurs @, 
de @ aura-t-on une
intensité transmise maximale ? On introduira un nombre entier P .

lumineuse transmise totale est l, = 10 où R est une constante dépendant du

A.8 Représenter graphiquement et succinctement I t en fonction de  sur quelques 
périodes pour
les deux valeurs suivantes de R : R = 0,1 puis R = 0,9 (sur le même graphique 
en précisant
bien la légende). On précisera les valeurs des intensités lumineuses maximale 
et minimale.
On suppose maintenant que le matériau formant la lame possède des propriétés 
optiques nonlinéaires : son indice de réfraction n en un point du matériau 
dépend de l'intensité I ( x ) en ce point
selon la loi n = n0 (1 +   I ( x )) où  est une constante positive.
Le déphasage  s'écrit alors  = 2k

L
0

n( x)dx où k est le vecteur d'onde.

1 L
I ( x)dx .
L 0
On admettra que l'intensité transmise I t est proportionnelle à l'intensité 
moyenne I :

A.9 Exprimer alors  en fonction de k , L , n0 ,  et de l'intensité moyenne I =

I t =  I où  est le coefficient de proportionnalité que l'on ne cherchera pas à 
calculer.
A.10 Montrer alors que I t varie de manière affine avec  selon une relation de 
la forme
I t =  ( - 0 ) . On note (E) cette équation. Exprimer  et  0 en fonction des 
paramètres de
l'énoncé : k , L , n0 ,  et  .
L'intensité transmise I t varie de manière affine avec  ET varie selon la loi 
vue en A.7.
Pour la suite, on supposera que  0 =  P - 0,1 . La figure 3 représente I t / I 
0 en fonction du
déphasage  autour d'un maximum  P .

I t / I0
1

P - 0,2

 P - 0,1

P

 P + 0,1

 P + 0,2

Figure 3 : courbe I t / I 0 (  )
A.11 Montrer graphiquement (on pourra reproduire le graphique de la figure 3) 
qu'il existe deux
valeurs critiques I 1 et I 2 de I 0 telles que dans l'intervalle de  considéré 
sur la figure 3 :
- pour I 0 < I 1 et I 0 > I 2 , l'équation (E) admet une seule solution pour  ;
- pour I 1 < I 0 < I 2 , l'équation (E) admet trois solutions.

4/12

It

= ( - 0 ) sur le graphique de la figure 3.
I0 I0
A l'aide du graphique de la figure 3, déterminer graphiquement le rapport I 2 / 
I1 .
On admettra que l'intensité transmise I t varie continument en fonction de I 0 
sauf lorsque c'est
impossible.
On précise que, pour I 1 < I 0 < I 2 , seules les deux solutions correspondant 
aux valeurs extrêmes du
déphasage  correspondent à des situations stables. Ce domaine d'éclairement 
incident est dit
« domaine bistable ».
La courbe donnant I t en fonction de I 0 est représentée sur la figure 4.

On pourra tracer la droite d'équation

A.12 Expliquer et commenter cette courbe. La reproduire sur la copie et y 
ajouter le sens de
parcours. On précisera aussi les valeurs particulières correspondant aux deux 
points
d'interrogation.
It

I0
?

?

Figure 4 : It en fonction de I0
A.13 Voyez-vous une application pratique à ce dispositif ?

Hystérésis en électromagnétisme : ferromagnétisme
On considère tout d'abord le montage expérimental de la figure 5. Il s'agit 
d'un transformateur dont
le noyau ferromagnétique est un tore très mince de rayon moyen Rm. Le bobinage 
primaire (formé
de N 1 spires) est parcouru par le courant i1 (t ) . Le bobinage secondaire est 
relié à un montage
intégrateur. On visualise à l'oscilloscope la tension u1 aux bornes de r et la 
tension u s en sortie de
1
l'intégrateur, telle que u s =
u 2 (t )dt où  est une constante positive. On précise que l'intensité du

courant i2 est nulle.
On supposera que les grandeurs magnétiques (champ magnétique, excitation 
magnétique et moment
magnétique) sont invariantes par rotation dans le tore ferromagnétique et y 
sont uniformes.

5/12

Tournez la page S.V.P.

Primaire,
N 1 spires

Figure 5 : montage expérimental pour la visualisation de l'hystérésis 
ferromagnétique
(les points noirs indiquent la convention de signe des enroulements)

A.14 Proposer un montage comportant deux amplificateurs opérationnels, trois 
résistors identiques

, . . , , . l
de res1stance R et d'un condensateur de capac1te C permettant de reahser us 
=--Ju2(t)dt.
T

On précisera l'expression de 1: en fonction de R et C.

A.15 En appliquant le théorème d'Ampère sur un contour que l'on précisera, 
montrer que
l'excitation magnétique H est proportionnelle à N1-il(t). On précisera le 
facteur
multiplicatif. On supposeraH uniforme dans tout le tore, de valeur égale à 
celle en r = R.

A.16 En appliquant la loi de Faraday au niveau du circuit secondaire (formé de 
N 2 spires, chacune

de sect10n S ), montrer que le champ magnet1que s ecr1t B : ------ f (t) ou l 
on prec1sera

N2S
f (t) en fonction de us .

A.17 On veut tracer l'aimantation M en fonction de l'excitation H . Comment 
faire en pratique ?

. . . . -- l -- --
Exphquer le protocole expénmental. On rappelle la relat10n su1vante: H =--B--M .

;"0
On supposera de plus que les vecteurs H, R etM sont colinéaires.

A.18 Tracer l'allure du cycle d'hystérésis M en fonction de l'excitation H . On 
précisera sur ce
graphique les valeurs de l'excitation coercitive H C, de l'aimantation 
rémanente M , et de

l'aimantation à saturation M s... .

A.19 Exprimer la puissance P reçue par le bobinage primaire en fonction de u] 
et de il. En déduire

. . dB .
qu'elle est proporüonnelle au produ1t H ---. Montrer alors que la pu1ssance 
moyenne

dt
dissipée dans le matériau ferromagnétique est proportionnelle à l'aire du cycle 
d'hystérésis

H M . On pourra admettre que THdB : T ,a HdM où T est la période des signaux 
utilisés.
0 0 °

A.20 Application : éléments de spintronique
La spintronique (ou électronique de spin) est une technologie émergente qui 
exploite la
propriété quantique du spin des électrons dans le but de stocker des 
informations. On peut
montrer qu'un électron, suivant la valeur de son spin, ne traversera pas avec 
autant de facilité
un matériau ferromagnétique selon la direction et le sens de l'aimantation 
globale. Les
physiciens ont développé des systèmes formés de deux couches de matériaux
ferromagnétiques différents séparés par une couche isolante. Les têtes de 
lecture des disques
durs sont formées de tels dispositifs. On considère alors le système de la 
figure 6.
Aimant en fer doux

Couche isolante

Aimant en fer dur

Figure 6 : dispositif à deux couches ferromagnétiques.
On relève expérimentalement le cycle d'hystérésis suivant, donné par la figure 
7 (l'unité Oe ­
ou Oersted ­ est une unité d'excitation magnétique H).

Aimantation (M/Msat)

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Champ (Oe)
Figure 7 : cycle d'hystérésis expérimental
En modélisant le cycle de chaque aimant par un cycle rectangulaire, expliquer 
l'allure du
cycle d'hystérésis mesuré. On pourra faire plusieurs croquis rapides pour 
éclairer
l'explication. Pour des raisons de simplicité, on pourra supposer que 
l'aimantation rémanente
de 1 est égale à celle de 2.

7/12

Tournez la page S.V.P.

Hystérésis en mécanique : déformation plastique d'un matériau
On considère un ruban d'acier inoxydable, de largeur d , que l'on tord en 
appliquant un couple de
forces F antagonistes à une des extrémités du ruban, l'autre extrémité est 
fixée dans un bâti
immobile (figure 8). Les forces F sont appliquées à angle droit de l'extrémité 
du ruban. En
modifiant la valeur du moment  , on modifie l'angle  dont a tourné l'extrémité 
du ruban. On
comptera positivement le moment  lorsque celui-ci est orienté selon la 
verticale ascendante.

Figure 8 : ruban déformé
A.21 Exprimer  en fonction de F et de d . En calculant le travail élémentaire 
des deux forces F,
montrer que si l'extrémité du ruban tourne d'un angle élémentaire d , alors le 
ruban a reçu le
travail élémentaire W =   d .
A.22 On part d'une situation où le ruban n'est pas déformé (  = 0 ) et on 
applique un couple de
moment  croissant. On admettra que  est proportionnel à  , selon la loi  = C   
tant
que  est inférieur à une valeur maximale  Max au-delà de laquelle la 
déformation devient
plastique : on a alors  bloqué à  Max , quelles que soient les valeurs de  plus 
élevées (dans
la limite de la rupture du ruban).
- Comment peut-on qualifier la déformation dans la phase où  = C   ?
- Quelle est l'unité de la constante C ?
- Tracer la courbe  ( ) montrant les deux types de déformation. Cette courbe 
s'appellera
"courbe de première déformation".
A.23 Modélisation du phénomène d'hystérésis :
On déforme pour la première fois un ruban d'acier inoxydable jusqu'au domaine 
plastique.
Puis, on diminue le moment  . L'angle  reste bloqué à  Max tant que  est 
positif. Puis,
quand  devient négatif (ce qui signifie que l'on force le ruban à se déformer 
dans l'autre
sens), l'angle  décroit de manière affine avec  en décrivant une droite 
parallèle à la
"courbe de première déformation" et ce, jusqu'à atteindre la valeur extrémale - 
 Max où
l'angle  restera bloqué à cette valeur tant que la norme du moment appliqué ne 
diminuera
pas. Ensuite, on diminue la norme de  et le ruban se déforme en sens inverse de 
manière
symétrique à la phase précédente.
Représenter l'allure du cycle d'hystérésis  ( ) en précisant les points 
particuliers,
notamment le moment "coercitif " c à exprimer en fonction de  Max et de C.
Calculer le travail fourni par un opérateur pour faire décrire un cycle par le 
ruban.

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PROBLEME B : quelques effets des champs magnétiques
Effet d'un champ magnétique sur le mouvement d'une particule chargée
B.1 On considère un champ magnétique uniforme de norme B0 et dirigé selon le 
vecteur e z d'un
système d'axes cartésiens. Une particule de masse m , de charge q > 0 est émise 
à l'origine
du repère avec une vitesse initiale v0 = v0 ex suivant l'axe (Ox) .
En négligeant toutes les forces autres que la force de Lorentz, écrire le 
système d'équations
différentielles vérifiées par les composantes (v x , v y , v z ) du vecteur 
vitesse. Montrer que le

qB0
? On justifiera à partir des
m
qB
équations déterminées dans cette question. Pour la suite, on posera  c = 0 .
m

mouvement est plan. A quoi est homogène la quantité

B.2 Pour résoudre le système précédent, on pose V = v x + j v y où j 2 = -1 . 
Ecrire l'équation
différentielle vérifiée par V . La résoudre en tenant compte des conditions 
initiales.

B.3 On pose maintenant R = x(t ) + j y (t ) où ( x(t ), y (t ) ) sont les 
coordonnées de la particule dans
le plan z = 0 . Quelle est la relation entre V et R ? En déduire l'équation 
cartésienne de la
trajectoire de la particule. On mettra cette équation sous la forme suivante :
(x - xC )2 + ( y - yC )2 =  L2 où l'on précisera l'expression des constantes xC 
, yC et  L .
B.4 Pour communiquer une vitesse à une particule chargée, on l'accélère grâce à 
un champ
électrique. Supposons qu'une particule de charge q soit accélérée entre le 
point A et le point B
pour lesquels la différence de potentiel électrique vaut U BA = VB - V A . 
Exprimer le gain
d'énergie cinétique de la particule en négligeant toute interaction autre que 
la force électrique.
B.5 Application : spectromètre de masse
Une source émet des ions de même charge +q mais de masses m différentes. Les 
ions n'ont
pas tous la même vitesse. Ces ions pénètrent en A dans une zone où règne un 
champ
magnétique B uniforme comme représenté sur la figure 9.

A
B
source

d

M

Figure 9 : dispositif magnétique
Le champ magnétique dévie la trajectoire des ions et ces ions viennent percuter 
une plaque
d'enregistrement (symbolisée par le trait épais) au point M situé à une 
distance d du point A.
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9/12

Tournez la page S.V.P.

- Exprimer la distance d en fonction de la masse m de l'ion, de la charge q, de 
la norme du
champ magnétique B et de la vitesse V de l'ion.
- Montrer qu'il est impossible de trier les particules selon leur masse 
uniquement.
- Pour pallier ce problème, la source est constituée d'un four ionisant duquel 
sortent des ions
de même charge +q à des vitesses quasi nulles. Puis, on accélère les ions à 
l'aide d'un
dispositif formé de deux grilles parallèles entre lesquelles on applique une 
tension U > 0
placée dans le bon sens. Exprimer la vitesse des ions en sortie de ce 
dispositif.
- Calculer alors le rapport d1 / d2 pour deux ions de masses respectives m1 et 
m2.
Effet d'un champ magnétique sur un conducteur : effet d'induction
Une tige CD de cuivre de masse m et de longueur L est suspendue par ses deux 
extrémités à deux
ressorts identiques de constante de raideur k et de longueur à vide 0 (figure 
10). Le courant
électrique peut circuler à travers les ressorts et le « plafond ». On note R la 
résistance électrique de
tout le circuit et on négligera le phénomène d'induction dans les ressorts et 
d'auto-induction dans le
circuit. On appelle g l'accélération de la pesanteur.
Un champ magnétique uniforme et constant B est appliqué orthogonalement au plan 
de la figure.
« Plafond »

z

B
g
O
y

D

C

×

x

Figure 10 : dispositif électro-mécanique
B.6 Le système est au repos. Quelle est la longueur des ressorts dans ce cas ?
On placera l'origine de l'axe (Oz) au niveau de la barre quand elle est à 
l'équilibre.
B.7 On appelle eind la force électromotrice induite dans la tige orientée dans 
le sens de C vers D.
dz
La vitesse de la barre vaut
e z . Exprimer eind en fonction des données du problème.
dt
B.8 On note i(t) l'intensité du courant électrique parcourant le circuit et 
orienté dans le sens de C
vers D. Calculer la force de Laplace qui s'applique sur la tige en fonction de 
i(t), B, L et du
vecteur unitaire e z .
B 2 L2
2k
B.9 Déterminer l'équation différentielle vérifiée par z(t). On posera
= 2 et
= 02 .
mR
m

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B.10 On supposera que : wä -- a 2 = 7/ 2 > 0. Quel est le régime obtenu ?

Déterminer complétement z(t), en fonction de oc et y, en prenant comme 
conditions initiales

z(0) : 0 et È (O) : V0 > 0 . Tracer l'allure de z(l) en indiquant l'enveloppe 
exponentielle

dt

B.11 Appliquer le théorème de l'énergie cinétique à la barre entre l'instant de 
départ et l'instant
infini pour calculer le travail de la force de Laplace. En déduire sans calcul 
supplémentaire
l'énergie Joule dissipée entre l'instant initial et l'instant infini.

Effet d'un champ magnétique sur un matériau supraconducteur : effet Meissner

Un matériau supraconducteur est un matériau qui présente une résistivité nulle 
en dessous d'une
certaine température critique: il laisse passer le courant sans aucune 
résistance ! Ce phénomène
n'est pas encore très bien compris à l'heure actuelle malgré quelques théories 
qui ont fait leurs
preuves.

Une théorie ancienne, la théorie de London fondée sur un modèle à deux << 
fluides », conduit à

formuler l'existence d'une densité volumique de courant électrique jL relié au 
champ magnétique

local Ë selon la relation ÆÎL : _2 É où A est une constante, appelée constante 
de London.
1"0A

B.12 En se servant de l'équation de Maxwell-Ampère, déterminer l'unité de la 
constante A.

On considère une plaque infinie d'épaisseur 2Æ délimitée par les plans 2 =--EUR 
et z = EUR. Cette
plaque est constituée d'un matériau supraconducteur de constante de London A. 
On applique un

champ magnétique extérieur BÎ : Boeî uniforme et constant (figure 11). Il 
apparaît donc un champ
magnétique à l'intérieur de la plaque. On se propose de déterminer ce champ. 
Pour des raisons de
symétrie et d'invariance, le champ recherché est de la forme Ë(M,t) : B(z) ex .

X__

Figure 11 : géométrie du problème

B.13 Dans le cadre d'un régime ne dépendant pas du temps, établir l'équation 
différentielle vérifiée
par la fonction B (z ) .
B.14 Rappeler les conditions de passage pour le champ magnétique et en déduire 
les valeurs de
B (z ) en z = - et z = sachant qu'il n'y a pas de courants superficiels.
B.15 Résoudre complètement l'équation différentielle. On écrira B ( z ) sous la 
forme :
z
où ch est la fonction cosinus hyperbolique et D est une constante que l'on
B ( z ) = D ch

exprimera en fonction de B0,  et .
B.16 Tracer l'allure de B ( z ) en fonction de z dans le cas où  <<

. Proposer un commentaire.

B.17 Des courants volumiques sont créés dans la plaque selon la relation de 
London
1
rot j L = -
B vue auparavant. On admettra que le vecteur densité volumique de courant
µ0 2
est dirigé selon l'axe (Oy) : jL = jL ( z ) ey . Déterminer à partir du 
résultat de la question B.15
l'expression de la fonction j L (z ) . Tracer l'allure de cette fonction dans 
le cas où  << .
Pourquoi dit-on que la plaque supraconductrice plongée dans un champ magnétique 
extérieur
B0 est le siège de courants superficiels dus à la supraconductivité ?

B.18 Application

Figure 12 : lévitation d'un petit cylindre de niobium
Fin de l'énoncé
12/12

IMPRIMERIE NATIONALE ­ 12 1247 ­ D'après documents fournis

Le niobium est un métal qui devient supraconducteur au dessous d'une 
température de 23 K.
On plonge un petit cylindre de niobium dans un bain d'hélium liquide dont la 
température
d'ébullition est de 4,2 K. Le petit cylindre ainsi refroidi est ensuite placé 
au dessus d'un
aimant permanent qui a été préalablement refroidi. Le petit cylindre lévite au 
dessus de
l'aimant (figure 12). A la lumière des questions précédentes, comment faut-il 
placer
l'aimant par rapport au petit cylindre (faire un schéma pour expliquer). On 
justifiera
succinctement qu'il lévite à l'aide de la force de Laplace qui s'applique sur 
le petit cylindre.

Extrait du corrigé obtenu par reconnaissance optique des caractères



CCP Physique 1 PSI 2012 -- Corrigé
Ce corrigé est proposé par Grégoire Deback (ENS Lyon) ; il a été relu par 
Sandrine
Ngo (ENS Cachan) et Vincent Freulon (ENS Ulm).

Ce sujet est composé de deux problèmes indépendants : le premier porte sur 
l'étude
des phénomènes d'hystérésis et leurs applications, le second sur les effets des 
champs
magnétiques, dont l'effet Meissner sur les matériaux supraconducteurs.
· Dans la première partie, le phénomène d'hystérésis est mis en lumière dans des
domaines très variés de la physique. En électronique tout d'abord, avec
un montage « trigger de Schmidt » où un amplificateur opérationnel est utilisé
en mode non linéaire. En optique ensuite, avec une porte logique réalisée à
partir d'un interféromètre de Fabry-Pérot. La fin de cette sous-partie s'appuie
sur une analyse graphique pour comprendre et expliquer le cycle d'hystérésis
de l'intensité transmise en fonction de l'intensité incidente. En 
ferromagnétisme, où l'on se propose de trouver une méthode expérimentale 
permettant
de mesurer le cycle d'hystérésis du fer d'un transformateur. En mécanique, 
enfin, avec l'étude des déformations d'un matériau soumis à des forces de 
torsion.
· La seconde partie se compose de trois sous-parties. La première porte sur 
l'étude
des mouvements d'une particule chargée dans un champ magnétique et ne pose
pas de problème particulier. La deuxième traite du phénomène d'induction
avec les effets conjugués des forces électromotrice et de Laplace sur un système
à ressort plongé dans un champ magnétique. Cette deuxième sous-partie nécessite 
la résolution complète d'une équation différentielle du second ordre.
La dernière présente l'effet Meissner et fait appel aux équations de Maxwell.
Les questions portent ici sur l'interprétation des équations obtenues.
Le premier problème, mis à part la sous-partie sur l'interféromètre, est d'une 
difficulté raisonnable. Il permet de vérifier ses connaissances dans de 
nombreux domaines de la physique. Le second fait principalement appel aux 
équations de Maxwell
et laisse la part belle à l'interprétation des résultats.

Indications

A.

Quelques phénomènes d'hystérésis en physique

A.3 Utiliser le résultat de la question A.1.
A.7 Penser à encadrer dans un premier temps les valeurs possibles de R.
A.8 S'appuyer sur la périodicité et la parité de la fonction à étudier pour 
limiter
l'intervalle d'étude.
A.10 Réutiliser l'expression de It de la question A.9. À noter que, 
contrairement
à l'énoncé, les résultats ne dépendent pas de .
A.11 Mettre l'équation de la question précédente sous la forme It /I0 , et 
montrer que
 doit également vérifier l'équation obtenue à la question A.7. Poser  = /I0
pour calculer les pentes des droites affines.
A.13 Remarquer la similarité avec le cycle d'hystérésis de la première partie.
A.16 Reconnaître l'expression de us obtenue à la question A.14 et ne pas oublier
la constante d'intégration.
A.17 Montrer qu'il est possible de construire une tension proportionnelle à 
M(t).
A.19 Utiliser la loi de Lenz-Faraday pour exprimer la tension aux bornes du 
circuit
primaire en fonction de B.
B.

Quelques effets des champs magnétiques

B.5 Reconnaître les conditions de la question B.3.
B.9 Remarquer que le courant résulte uniquement de la force électromotrice, 
utiliser
le résultat de la question B.6 pour obtenir l'équation différentielle sur z.
B.10 Calculer le discriminant réduit de l'équation du second ordre obtenue. 
Utiliser
les deux conditions initiales sur z et dz/dt pour déterminer la solution.
B.11 Se souvenir que la force de pesanteur dérive d'un potentiel pour appliquer 
le
théorème de l'énergie cinétique.

-
B.13 Chercher à faire apparaître le laplacien de B en utilisant la relation
 --
-

-
- - -
rot rot B = grad div B -  B
B.16 Donner une approximation de ch x lorsque x  1.
- .
B.17 Penser aux symétries du problème pour déterminer l'équation de 

A - Quelques phénomènes d'hystérésis en physique
Hystérésis en électronique : trigger de Schmidt
A.1 L'amplificateur opérationnel est supposé idéal, et fonctionne en régime non 
linéaire. Il vérifie la condition : s = +Vsat si
V+ > V- . La borne d'entrée inverseuse est
ici reliée à la masse, on obtient donc
e(t)

2R
R
V+

s = +Vsat si V+ > 0

+
-
V-

s(t)

A.2 On applique la loi des noeuds à l'entrée non inverseuse de l'AO, en tenant
compte du fait que le courant d'entrée i+ est nul. On obtient ainsi
V+ - e V+ - s
+
=0
R
2R
soit

V+ =

ou encore

R
2R
e+
s
R+2R
R+2R

V+ =  e +  s

avec

2

 = 3

 = 1
3

(1)

A.3 On suppose que s(t = 0) = -Vsat . D'après la question A.1, la tension s(t)
bascule à +Vsat lorsque V+ = 0, ce qui donne, en remplaçant dans l'équation (1),
une tension d'entrée V1 telle que
0=

soit

2
1
V1 - Vsat
3
3

V1 =

1
Vsat
2

De même, posons s(t = 0) = +Vsat . La tension de bascule est
0=

soit

2
1
V2 + Vsat
3
3

1
V2 = - Vsat
2
On peut vérifier que lorsque la tension e est inférieure à V2 , on obtient
dans les deux cas V+ < 0, soit une tension de sortie s égale à -Vsat .

A.4 D'après les résultats précédents, on obtient la caractéristique s(e) 
ci-contre.
s

Vsat

-Vsat /2

Vsat /2
e
-Vsat

Ce circuit permet ainsi de stocker un bit d'information :
· lorsque la tension d'entrée e est inférieure à -Vsat /2, on « enregistre »
la valeur -Vsat , ou un bit de valeur « 0 », lorsque la tension d'entrée e
est supérieure à Vsat /2, un bit de valeur « 1 » ;
· si aucune tension n'est appliquée en entrée, la tension en sortie représente 
la valeur du bit stocké.

A.5 Pour un code binaire de n chiffres, le plus grand nombre que l'on puisse 
écrire
est celui où tous les « bits » bk sont égaux à 1. On obtient ainsi l'équation
Nn =

n-1
P

1 × 2k =

k=0

n-1
P

2k

k=0

On reconnaît ici la série de 2k , ce qui donne
Nn = 2n - 20 = 2n - 1
On cherche à enregistrer un code formé de 4 chiffres, soit un nombre compris 
entre 0
et 9 999. L'application numérique donne
· pour n = 13,

N13 = 8 191

· pour n = 14,

N14 = 16 383

On a bien N14 > 9 999, et le montage doit donc contenir 14 circuits « trigger
de Schmidt », chacun correspondant à un « bit », pour stocker un code de 4 
chiffres.
Ce circuit peut également être utilisé :
· comme réducteur de bruit, lorsque l'amplitude du bruit crête à crête est 
inférieure à Vsat ;
· pour comparer deux tensions, ce qui améliore le montage classique du 
comparateur simple en éliminant l'instabilité au seuil (système « anti-rebond 
») ;
· pour la numérisation d'un signal (la discrétisation de son amplitude, l'autre
étape étant la discrétisation dans le temps, ou échantillonnage).