E3A Physique PSI 2010

Thème de l'épreuve Effet Hall et applications
Principaux outils utilisés électromagnétisme, électronique

Corrigé

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

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 10PS|12 935 CONCOURS ARTS ET MÉTIERS ParisTech - ESTP - ARCHIMEDE Épreuve de Physique PSI Durée 3 h Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, d'une part il le signale au chef de salle, d'autre part il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre. L'usage de calculatrices est interdit. A rendre avec la copie 1 document--réponse non--plié Le problème comporte deux parties : l'étude de l'effet Hall en régime permanent ainsi qu'en régime variable, puis son application dans la détermination des positions et vitesses angulaires de systèmes tournants. Remarques préliminaires importantes : il est rappelé aux candidat(e)s que ' o les explications des phénomènes étudiés interviennent dans la notation au même titre que les développements analytiques et les applications numériques ; . tout au long de l'énoncé, les paragraphes en italique ont pour objet d'aider à la compréhension du problème ; . tout résultat fourni dans l'énoncé peut être admis et utilisé parla suite, même s'il n'a pas été démontré par les candidat(e)s ; - aucune connaissance particulière sur les semi--conducteurs n'est requise. L'effet Hall a été découvert en 1879 par E.H. HALL; celui--ci observe, sur des bandes de cuivre parcourues par un courant, l'apparition d'une différence de potentiel lorsqu'un champ magnétique leur était appliqué. Jusqu'aux années 1960, l'effet Hall a été principalement utilisé pour analyser la nature et la concentration des porteurs de charge présents dans un solide. L'introduction plus récente de composants à matériaux semi--conducteurs, comme l'arséniure d'indium lnAs et l'antimoniure d'indium lnSb a permis d'obtenir des tensions de Hall suffisamment élevées pour justifier leur emploi dans l'industrie. Les principales applications de cet effet concernent les gaussmètres, ampèremètres, wattmètres, multimètres analogiques, compas magnétiques nombre d'instruments et dispositifs exploitant la mesure de l'intensité et/ou la direction d'un champ magnétique ou d'un courant dans un conducteur. Tournez la page S.V.P. PREMIERE PARTIE ETUDE DE L'EFFET HALL Le référentiel d'étude est rapporté à trois axes orthogonaux Ox, Oy, Oz ; ( u;...u y,Uz ) est la base orthonormée directe associée. A I REGIME STATIQUE Une plaquette parallélépipédique réalisée dans un semi--conducteur dopé n, d'épaisseur h, de largeur EUR et de longueur finie L, est utilisée pour réaliser un capteur à effet Hall. Les seules charges libres sont des électrons de charge de q = ----e ; N,, représente leur nombre par unité de volume et a désigne la conductivité électrique du matériau semi--conducteur. La plaquette est traversée par un courant électrique d'intensité constante la > O, uniformément réparti sur la section transversale avec la densité volumique de courant j : J üy, de sorte que 10 : JhEUR , comme le montre la figure 1 ci--dessous ; le champ électrique associé est noté Ë0 : EO üy (l'alimentation extérieure n'est pas représentée pour simplifier le schéma). Le capteur est placé au centre O du repère cartésien, dans un champ magnétique uniforme et indépendant du temps (créé par un dispositif extérieur non représenté) de vecteur --> B : Büz avec 8 > 0. Dans cette sous--partie, le champ magnétique créé par le courant la dans la plaquette est supposé négligeable devant Ë. Figure 1 A._'l_ Exprimer la relation liant la densité de courant 3 et la vitesse de déplacement \7 des électrons dans la plaquette. Préciser les caractéristiques de \7 . A.2 Ecrire, sous sa forme vectorielle, la force Fmag à laquelle est soumis l'électron de la part du champ magnétique, en supposant qu'il est animé de la vitesse de dérive \7 . En déduire la force de Laplace FL qui s'exerce sur la plaquette. Préciser l'effet du champ magnétique sur la trajectoire des électrons dans la plaquette. A3 Montrer que, sous peine de voir disparaître le régime permanent d'écoulement des charges dans le conducteur, un champ électrique, appelé champ de Hall, apparaît et qu'il s'écrit ÊH : kE (Ü /\ Ë) , où kg est un coefficient à déterminer ; préciser la direction et le sens de ce champ à l'aide d'un schéma. A.4 En déduire l'existence d'une tension VH : V(P,) --V(P2) dite tension de Hall, qui apparaît entre les deux faces opposées @ et @ de la plaquette, puis l'écrire sous la forme R . . . . V : ----"-- 10 B , où RH est le coefficient de Hall qu'il conwendra d'exphmter en fonchon de H h Nn ete. Analyser le signe de RH. A.5 Application numérique : Calculer la constante RH et la valeur de B a l'aide des données suivantes: 10 = 100 mA, |le =126,7 mv, |\|n =1,7.1022 m'3, e =1,6.10"19 c, h=0,3mm, EUR=1cm, L=3cm. A.6 En pratique, un capteur est caractérisé par sa sensibilité. Définir puis calculer la sensibilité SB de ce capteur vis-à-vis du champ magnétique. La constante de Hall varie avec la température ---- carla densité de charges libres en dépend -- selon la loi : RH(t)= RH(O).exp(--at), où la température t s'exprime en degrés Celsius, avec a = 0,014 ( °C)" pour un capteur en InSb. _AJ_ Evaluer la variation relative de la tension de Hall VH quand la température au niveau du capteur s'élève de 10 degrés. Commenter cette valeur. _A;._$_ Montrer qu'il existe une relation simple entre la force de Laplace È et la tension de Hall, de la forme VH : t', ËL --üx , où Q est un coefficient à déterminer. Désignons par Ë le champ électrique résultant dans la plaquette traversée par la densité de courant J, en présence du champ magnétique B. _I_\_._9_ Montrer que Ê, Îl et B vérifient la loi d'Ohm locale : 3= o[Ê ---kJ (Ü AB):|, où kJ est un coefficient à déterminer. En déduire l'expression de Ê en fonction de 3 et B. 3 - -- -- . .10 Représenter, dans le plan Oxy, les vecteurs --, E et k J(J AB). Tracer les lignes de O' courant, les lignes de champ et les surfaces équipotentielles associées, en distinguant deux cas : absence ou présence du champ magnétique. > : Montrer que les lignes de champ électrique et les lignes de courant font un angle ||| qui sera exprimé en fonction de B, o et RH. Calculer cet angle \|J pour un champ B =1T, sachant que o = 2.104 Q"'.m". Les deux fils conducteurs sont soudés à la plaquette aux points P1 et P2, de coordonnées respectives (Æ/2, y,,0) et (--EUR/2, y,,0) avec, théoriquement, y2 : y,. _A__.12 Estimer le décalage maximum admissible ô=|y2--y1| par rapport à leur position théorique, sachant que la mesure doit fournir une tension de Hall V... à 1% près. Commenter le résultat; proposer un montage complémentaire pour compenser ce décalage et préciser le protocole de réglage. A. __1_3 Etablir, qu'en présence du champ magnétique, la conductivité du conducteur devient : o . . . . . , . o' : -------------------- pws exphcûer le coefflment ?|. Calculer numenquement o'. \/1+7æ282 , 4 B I REGIME DYNAMIQUE La plaquette est maintenant placée dans un champ magnétique extérieur variable dans le temps Bex, : bm (t) üz. Elle possède désormais une longueur L extrêmement grande devant les autres dimensions, si bien qu'elle sera considérée comme infinie selon l'axe Oy. En l'absence de toute alimentation ( 10 = 0), il apparait dans la plaquette une densité volumique de courant électrique induit Î: j(x,t)üy et un champ magnétique 5 == b(x, t) üz. La densité volumique de charges électriques dans la plaquette est nulle et les propriétés diélectriques et magnétiques du matériau constituant la plaquette seront assimilées à celles du vide (80 =8,85. 10 --'2 F.m'7, ,uo =47r.10 "7 H.m"'}. Æ Rappeler les équations de Mame" au sein de la plaquette, en se plaçant dans l'approximation des régimes quasi stationnaires (ARQS). B.2 Calculer divÎ, puis écrire ËtÎ en fonction d'une dérivée temporelle de b, en supposant vérifiée la loi d'Ohm locale établie en A.9. g.; Etablir la relation Iiantj(x,t) à ôb(x't), puis celle entre ô'éx't) et ôbâÏ't) . x .. . .,. . . . _62j ôj. En deduwe que ](X,t) verifie lequaüon aux denvees partielles suwante . --â--2 = kD --ô--t, ou x ko est un coefficient à déterminer. De quel type d'équation s'agit--il ? Pour résoudre cette équation différentielle en régime harmonique, écrivons le champ magnétique extérieur Bex, : bOex, cos oet üZ avec bOex, cos oet : OEe{bOext e'""} et la densité de courant induit _Î : j(x) cos (æt + ça(x)) üy avec j(x) cos(æt + ça(x)) : 'Be{j{x) eir(Xl efwî} _ gg Ecrire l'équation différentielle vérifiée par la densité complexe de courant 1 (X) = 100 ei...)- Soient 5 : a(1+i) avec i2 = --1 et 2052 : ,u0a)o. B.5 Justifier, en raisonnant sur les symétries, que j(x,t) est une fonction impaire par rapport à la variable x, puis écrire la relation entre _| (--x) et j(x). Vérifier que j(x) peut s'écrire sous la forme j(x) =A.f(g x), où A est une constante complexe et f (Ex) est une fonction à expliciter. B.6 En déduire l'expression de lg(x). Préciser la parité de cette fonction. Justifier qualitativement la condition aux limites: lg(iÆ/2)=b.... Ecrire les expressions complètes de j(x) et de i3(x) en fonction de b..., k, EUR, 03 et o. La plaquette est de nouveau traversée par un courant constant d'intensité ] , de densité uniforme JO : JO üy, se superposent à la densité de courant induit Î= j(x,t)üy ; ce courant constant crée dans la plaque un champ magnétique Ëo. ÈZ_ Montrer, grâce à des considérations de symétrie, que pour un point M (x, y,z << h) le champ ËO s'écrit: ËO =Bo(x)üz. Préciser la parité de la fonction Bo(x), ainsi que la valeur de Bo(0). Etablir l'expression du champ B0 =kB x üz, où kg est un coefficient à expliciter. --h ---+ Il sera admis que le potentiel vecteur A est de la forme A =A(x,t) Üy et qu'il n'intervient pas dans la tension de Hall instantanée VH(t) entre les faces opposées de la plaquette. Ecrire la superposition des champs magnétiques (È0 et B) et des densités de courant (Îlo et Î) dans la plaquette. En déduire le champ de Hall total, ÊH. En examinant la parité des fonctions JoBo, jb, Job et jB... établir que : 6/2 _. 6/2 R Ô [EH-fix dx= --ï--[BO (x,t)b(x,t)] dx. 4/2 --e/2 "0 ôX En déduire l'expression de VH(t). L'amplitude de cette tension de Hall dépend-elle ou non de l'existence des courants induits dans la plaque ? --> Déterminer la force de Laplace FL qui s'exerce sur la plaquette. En admettant que la relation V = t; - Ê --üX établie en A.8 reste valable, retrouver simplement le résultat de la question 8.9. C [ CAPTEUR DE ROTATION D'UN ARBRE DE MACHINE TOURNANTE Afin de déterminer la position et la fréquence de rotation d'un arbre de machine tournante, l'échantillon constituant le capteur prend la forme d'un parallélépipède à section carrée (de côté a) ; il est constitué d'un semi--conducteur de type n et est traversé du même courant la (figure 2). Dans un premier temps, le champ magnétique B est parallèle a 02 et la tension de Hall mesurée est notée VH, . Dans un deuxième temps, le champ magnétique Ë est dirigé selon Ox et la tension de Hall mesurée vaut VH2 . Figure 2 C.1 Déterminer la tension VH2 après avoir précisé entre quelles faces elle était détectable. Le champ magnétique É, tout en demeurant de module constant et égal à B, est maintenant oblique, de composantes BX et 82, respectivement selon Ox et 02. Deux prises de Hall sont aménagées sur l'échantillon afin de détecter simultanément V... et VH2 . C.2 Montrer que la connaissance de V... et VH2 permet une détermination simple de la valeur de l'angle 9 que fait le champ Ë avec l'angle Oz. C.3 Calculer l'angle 9 à l'aide des données suivantes : V... = 38,0 mV et VH2 : 65,8 mV . Le montage pratique est représenté de façon simplifiée sur la figure 3. L'axe Oy de l'échantillon semi--conducteur est confondu avec l'axe de rotation du moteur sur lequel les mesures sont réalisées ; le capteur, placé à l'extrémité de l'arbre dans un évidement aménagé à cet effet, est fixe, solidaire du stator. Dans la cavité, sur la paroi interne et solidaire de l'arbre, sont collées deux « tuiles » en forme de quart de cylindre constituées par deux aimants permanents ; entre ces aimants sont placés deux compléments amagnétiques de même forme ; l'arbre de rotation, en acier magnétique feuilleté, assure la fermeture du flux. .... Le champ magnétique B est considéré comme uniforme dans la zone où se trouve le capteur; sa direction est repérée par l'angle & tel que : 9 = (02,8). La vitesse de rotation angulaire de l'arbre du moteur est notée .Q. _Ç_.5_ Déterminer, dans le cas d'une rotation uniforme de l'arbre et le capteur restant fixe, les lois d'évolution des tensions V...(t) et V...(t) en fonction du temps, sachant qu'au temps t = 0 , 9 vaut 90. Préciser la valeur de la tension maximale en fonction de RH, B, 10 et a. C.5 Etablir la relation existant entre f, la fréquence de la tension V...(t) et la vitesse de rotation Q = 9--9-- du moteur. dt C.6 Expliquer pourquoi l'extrémité de l'arbre doit être feuilletée. La machine qui est étudiée a deux enroulements de mêmes caractéristiques, a et ,B au stator et un aimant permanent au rotor; elle est représentée symboliquement en figure 4 (le capteur de position est au centre du repère en petites dimensions). La résistance de chaque enroulement vaut R. Lorsque la machine fonctionne en génératrice à vide (les courants ia et i 5 sont nuls), les tensions induites dans les bobines statoriques sont ea et el} et se retrouvent aux bornes des enroulements, de sorte que ua =ea et ufl =efl. Des mesures ont permis d'établir que : ea : OEo !? sin( 9 ) et efl : (Do !) cos(9} . _ç_J_ Donner un schéma électrique équivalent de chaque enroulement i (i= on ou B) faisant apparaître la tension d'alimentation u,, e, et R. Justifier la forme des tensions eu et e,. En fonctionnement moteur, les enroulements a et ,B sont alimentés par les courants la et i 3 sous les tensions U,, et ul}. C.8 En réalisant un bilan de puissance, déterminer l'expression du couple électromagnétique Tem en fonction de ea, eB, ia, iB et Q. Montrer que pour une position 9 donnée, il existe une infinité de couples (i iB) fournissant le couple (11 électromagnétique TemSOU souhaité. Représenter dans un repère cartésien (O,ia, il,) le lieu des points M de coordonnées (ia, iB) associés au couple TemSOU . C.9 Etablir l'expression des courants optimaux iQ,'OlDt et iB,Opt donnant le couple électromagnétique TemSOU et minimisant les pertes Joule au stator. Montrer comment les signaux issus du capteur de position peuvent être mis à profit pour générer les courants de référence dans un asservissement de couple. Îfifi\\ Î' ' III Tuile amagnétîque Figure 3 Figure 4 Proposons maintenant une détermination de la vitesse de rotation plus précise, afin d'assurer le contrôle de la dynamique latérale du véhicule en toutes circonstances (système ESP : Electronic Stability Program). D ! CAPTEUR DE ROTATION (ESP) Le dispositif est constitué d'un disque muni de pignons {fabriqués dans un matériau magnétique) solidaire dela roue du véhicule, d'un aimant non représenté et de deux capteurs à effet Hall, fixes par rapport au châssis. La figure 10 montre en coupe (le schéma est simplifié, le rayon de la roue étant suffisamment grand pour que les arcs de cercles paraissent confondus avec des segments de droite) le profil d'une dent de pignon avec son bord d'attaque et son bord de fuite, ainsi que deux capteurs à effet Hall 1 et 2 dont les sorties sont amplifiées avec un gain supplémentaire. Les signaux E,(t) et E, (t) issus de ces capteurs correspondent alors au profil temporel de l'image du champ magnétique capté par les transducteurs de Hall (les lignes de champ sont modifiées périodiquement -- de période T -- par le passage de la denture du pignon). La distance séparant deux bords d'attaque successifs est p. Un modèle au premier harmonique s'écrit : E (t)--_-- 5 + 2, 5 cos(--2----;Ït] et E, (t): 5 + 2, 5 cos (%ï --%] {exprimés en volts). bord d'attaque bord de fuite sens de rotation \...Îi Capteur 1 Capteur 2 Figure 5 Il conviendra de noter le décalage temporel des deux signaux E1(t) et E2(t), lié au décalage d des positions des deux capteurs. La tension de différence E(t) : E1 (t)--EZ (t) est injectée a l'entrée du montage électronique à amplificateur opérationnel représenté sur la figure @. Les amplificateurs opérationnels (AO) utilisés dans la suite du problème sont supposés idéaux ; ils sont alimentés entre + VCC et -- VCC, mais leurs alimentations ne sont pas représentées pour la clarté du schéma. Dans la suite du problème, si un amplificateur opérationnel fonctionne en régime de saturation, les tensions de saturation seront notées ÎVSAT {avec VSAT =12 V). E(t) I'll III. V .Il. I'll '" SAT IIII III- Figure 7 Figure 6 0.1 De quels paramètres la période T des signaux E1 et E2 dépend-elle ? Que vaut la valeur numérique du rapport dlp ? La figure 7 montre la caractéristique dela tension S(t) en fonction dela tension E(t). D.2 Expliquer le fonctionnement de l'A05 et déterminer (en le justifiant) les expressions de EL et EH en fonction de R1, R2 et vs.... Orienter, si nécessaire, la caractéristique représentée sur la figure 7 et préciser le phénomène ainsi décrit. Déterminer numériquement EL et EH, sachant que R1 = 10 kg et R2 = 86 kg). g.g Représenter sur le document réponse, et pour deux périodes complètes, l'évolution des tensions E1(t) et E2(t), puis celle de E(t) et S(t). 0.4 Comment l'écart AE =EH ------E,_ est-il appelé ? Quel est l'intérêt d'un tel montage par rapport à un montage à comparateur simple ? D.5 Analyser la forme du signal S(t) et préciser l'intérêt d'un tel dispositif pour une utilisation en tachymètre. Quels sont ses avantages par rapport à un système optique ? FIN DE L'EPREUVE on .. o...m oe..._. ©ë .»... N..._. oe.o oe...o .».o Nd o _ m.u È . . . . |. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ . . . . . . . . _ _ . . . . . . . _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ï! lllll ... llllll .... !!!!!! . llllll .... llllll 4 llllll ... IIIIII ... llllll .| IIIIII . llllll .. OFI! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI... """ fi ...... ' ..... -- ..... J ...... 4 """" 4 ...... 1 ..... 1 ..... -- ..... .L ...! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I. ..... .. ...... ... |||||| . ...... ... ...... .. ...... ... ...... .. uuuuuu .. ...... . ::::::: O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I ..... .. ...... . ....... . ...... ... ...... .. ...... ._. ...... ... ...... .. ...... . ....... © . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Î ..... .. ...... . uuuuuuu _ ....... . ...... .. ...... .. |||||| .. uuuuuu . ||||||| . uuuuuuu O _' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ . _ _ . . DF .m=o>. Em ...s... à...... .....m 0...QOU OE_ 00>OE 0..-uCOE.. .....OE .OEHËQEOO @ OEOECOQ@.. uCOE--.OOD

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 E3A Physique PSI 2010 -- Corrigé Ce corrigé est proposé par Julien Dumont (Professeur en CPGE) ; il a été relu par Stéphane Ravier (Professeur en CPGE). Le sujet est consacré à l'effet Hall et à des applications. Il comporte deux parties composées chacune de deux sous-parties. · La première sous-partie présente l'effet Hall dans le cas statique. L'étude est menée à partir de résultats correspondant assez largement au programme de première année mais nécessite une bonne maîtrise de ce dernier. C'est une partie relativement classique, dans laquelle les applications numériques sont cependant difficiles. · La deuxième sous-partie généralise l'approche précédente au régime dynamique. Les premières questions nécessitent de mener des calculs avec rigueur ; ils se compliquent rapidement en dépit des raisonnements de symétrie qui simplifient fortement le problème. · La troisième sous-partie propose une application de l'effet Hall aux mesures de la position et de la vitesse de rotation d'un arbre d'une machine tournante. Cette partie, plus abordable en termes de calculs, nécessite toutefois de faire très attention aux conventions d'orientation. · La dernière sous-partie, plus courte, est une amélioration du capteur précédent grâce à un contrôle électronique. Elle fait appel à des connaissances d'électrocinétique proches du cours. Ce sujet est trop long pour espérer le traiter entièrement en trois heures. Vraisemblablement, l'intention des concepteurs était de fournir suffisamment de questions faisant appel à des compétences différentes pour permettre à chaque candidat de se focaliser sur ses points forts. Ainsi, la première partie vérifie en quelque sorte que vous savez aborder le thème bien connu qu'est l'effet Hall. La deuxième nécessite de l'aisance dans les calculs, d'autant que la calculatrice n'était pas autorisée. Les deux dernières, enfin, ne se font bien que si l'on parvient à prendre du recul afin de restreindre autant que possible les calculs. Le jour du concours, il fallait savoir prendre la décision de cesser de chercher une partie et de passer à la suivante, quitte à revenir plus tard sur le point bloquant. Indications A.1 Cette question est la première du sujet, il importe de la réussir en faisant attention au signe. A.3 Le porteur de charge ne change pas de direction si la force totale qui s'exerce sur lui est nulle. -- -- - - A.4 On rappelle la relation E = - grad V ainsi que dV = grad V · d. A.6 La sensibilité d'un capteur est égale à la dérivée, calculée au point de mesure, de la grandeur mesurée par rapport à la grandeur que l'on veut mesurer. A.12 La différence entre les deux tensions s'évalue comme la tension due au décalage . selon - u y B.2 Calculer le rotationnel en coordonnées cartésiennes, sans aucune subtilité ! B.5 Étudier les symétries des causes (le champ magnétique extérieur) pour en déduire les symétries des conséquences (le courant). Réinjecter la forme proposée dans l'équation obtenue à la question précédente pour déterminer f . B.6 Penser à étudier les invariances et à calculer la divergence. B.8 Inutile de développer les calculs, garder les expressions générales. C.1 L'énoncé est ici ambigu. On choisit de prendre une tension négative lorsque le champ magnétique est orienté selon +- ux . C.7 Bien respecter les demandes de l'énoncé, à savoir u = e si i = 0. On a alors une convention récepteur. C.8 Exprimer i en fonction de i pour trouver la nature du lieu demandé. Les relations se simplifient si on se souvient que 1 + tan2 () = 1/ cos2 (). D.1 Rester simple en se demandant ce qui fixe la période, le dessin aide beaucoup. D.2 Ne pas se fier à l'échelle de la caractéristique pour calculer EH et EL . D.3 La tension E(t) n'a pas à être calculée, il suffit de faire une « soustraction graphique ». D.5 En vertu de la question D.1, de quoi dépend la période T ? I. Étude de l'effet Hall A. Régime statique A.1 Le vecteur densité de courant est relié par définition au vecteur vitesse de déplacement selon la relation - - J = -e Nn V où la charge est -e puisque l'on considère des électrons. Par conséquent, le vecteur - et donc à l'opposé du courant, ce qui est conforme avec vitesse V est dirigé selon - u y le fait que les électrons vont dans le sens contraire du courant. De plus, cette vitesse est uniforme dans la plaquette et indépendante du temps : il s'agit bien d'un régime statique. A.2 Un électron est soumis à la force magnétique - - - F mag = -e V B La force de Laplace est la force exercée sur l'ensemble des électrons de la plaquette. - - Puisque V et B sont uniformes, cette force est obtenue en multipliant la force subie par un électron par la quantité totale d'électrons présente dans la plaquette, c'est-àdire Nn hL. Ceci conduit donc à - - - FL = (-e V B ) × (Nn hL) ) - = -eVBNn hL (-- u u y z - - F = I LB u L 0 x Les électrons sont ainsi déviés vers la face numéro 1. On remarque que la même force aurait été obtenue en intégrant l'expression infinitésimale de la force de Laplace pour une longueur élémentaire dL de : plaquette orientée dans le sens du courant - u y - - - dFL = I0 dL B = I0 B dL - ux - . A.3 Le régime permanent est maintenu si le vecteur J reste orienté selon - u y Il faut donc une force qui compense, en régime permanent, la force de Laplace qui fait dériver les électrons vers la face numéro 1 (question A.2). Or, cette déviation des électrons tend à charger la face numéro 1 négativement tandis que la face numéro 2 se charge positivement. Il apparaît donc naturellement un champ électrique entre les deux plaques, dit champ de Hall, orienté de la face 2 vers la face 1 c'est-à-dire . selon +- u x On retrouve ici la loi de modération qui suggère qu'à tout phénomène physique est associé la création d'un autre phénomène physique tendant à s'opposer à celui qui lui a donné naissance. Ici, la déviation des électrons crée un champ électrique qui tend à replacer les électrons dans leur position d'origine et donc à faire disparaître le champ. Le champ de Hall doit permettre d'obtenir une résultante des forces nulle sur chaque électron. Or, un électron subit, en régime permanent, la force magnétique - déterminée à la question A.2 et la force électrique -e EH due au champ de Hall. On doit donc avoir - - F mag - e EH = 0 - - - EH = - V B autrement dit, - - Puisque J = -e Nn V , - - - EH = k E ( J B ) = k E J B - ux avec kE = 1 eNn Ainsi, le champ de Hall est dirigé selon +- ux . 2 - u y - ux - EH 1 A.4 La tension de Hall se calcule en intégrant le potentiel selon - ux : VH = V(P1 ) - V(P2 ) Z P1 = dV = Z = Z = Z P2 P1 -- - grad V · d par définition du gradient P2 P1 - - - EH · d P2 P1 · d - - k E JB - u ux x d'après A.3 P2 VH = -k E JB Puisque par ailleurs J = I0 /h, on a bien VH = RH I0 B h avec RH = -k E = - 1 eNn Cette constante est donc négative puisqu'on s'intéresse à des charges négatives. Le coefficient de Hall est donc du signe des porteurs de charges majoritaires. A.5 On obtient un premier résultat avec deux chiffres significatifs et un second avec un seul chiffre significatif : RH = -3,7.10-4 C-1 .m3 et B=1T