Orientation Satellite via Dipôle Magnétique

Orientation Satellite via Dipôle Magnétique

Comprendre l’Orientation Satellite via Dipôle Magnétique

Un petit satellite est équipé d’un système de contrôle d’attitude magnétique qui utilise un dipôle magnétique pour manipuler son orientation dans l’espace.

Ce système s’appuie sur l’interaction du moment magnétique du dipôle avec le champ magnétique terrestre pour ajuster l’orientation du satellite.

Pour une mission prochaine, les ingénieurs doivent calculer la force et le couple exercés sur le dipôle magnétique du satellite lorsqu’il passe à une altitude où le champ magnétique terrestre est modifié.

Données fournies:

  • Moment magnétique du dipôle, \(\vec{m}\) : \(2.5 \times 10^{-2}\) Am\(^2\) (vecteur pointant initialement vers le nord).
  • Champ magnétique terrestre local, \(\vec{B}\) : \(50 \times 10^{-6}\) T (vecteur faisant un angle de \(30^\circ\) vers le bas par rapport à l’horizontale).
  • Position du satellite : à une altitude de 400 km au-dessus du niveau de la mer.
    Orientation Satellite via Dipôle Magnétique

    Questions de l’exercice:

    1. Calcul du couple (torque) sur le dipôle magnétique

    • Calculer le couple agissant sur le dipôle magnétique. Fournir la magnitude et la direction du couple résultant.

    2. Calcul de l’énergie potentielle magnétique

    • Calculer l’énergie potentielle magnétique du dipôle dans le champ magnétique.
    • Évaluer comment l’orientation du dipôle affecte son énergie potentielle.

    3. Étude de l’effet d’un changement d’orientation du dipôle

    • Si le moment magnétique est pivoté pour s’aligner parfaitement avec le champ magnétique, recalculer l’énergie potentielle. Comparer cette énergie à celle obtenue précédemment.

    4. Discussion sur les implications pratiques

    • Discuter comment les résultats obtenus peuvent influencer la conception du système de contrôle d’attitude du satellite.
    • Examiner les avantages et les inconvénients de l’utilisation de dipôles magnétiques pour le contrôle d’orientation dans l’espace.

    Correction : Orientation Satellite via Dipôle Magnétique

    1. Calcul du Couple (Torque) sur le Dipôle Magnétique

    Données :

    • Moment magnétique, \(\vec{m} = 2.5 \times 10^{-2} \, \text{Am}^2\) (dirigé vers le nord).
    • Champ magnétique terrestre, \(\vec{B} = 50 \times 10^{-6} \, \text{T}\) (angle de 30° vers le bas par rapport à l’horizontale).

    Composantes de \(\vec{B}\) :

    \[ B_x = B \cos(30^\circ) \] \[ B_x = 50 \times 10^{-6} \times \cos(30^\circ) \] \[ B_x = 43.3 \times 10^{-6} \, \text{T} \]

    \[ B_y = -B \sin(30^\circ) \] \[ B_y = -50 \times 10^{-6} \times \sin(30^\circ) \] \[ B_y = -25 \times 10^{-6} \, \text{T} \]

    Calcul du couple \(\vec{\tau}\) :

    • Le moment magnétique pointe vers le nord, donc \(\vec{m} = (0, 2.5 \times 10^{-2}, 0)\).
    • \(\vec{B}\) se décompose en \((43.3 \times 10^{-6}, -25 \times 10^{-6}, 0)\).

    Le couple est donné par le produit vectoriel:

    \[ \vec{\tau} = \vec{m} \times \vec{B} \] \[ \vec{\tau} = \begin{vmatrix}
    \hat{i} & \hat{j} & \hat{k} \\
    0 & 2.5 \times 10^{-2} & 0 \\
    43.3 \times 10^{-6} & -25 \times 10^{-6} & 0
    \end{vmatrix} \] \[ \vec{\tau} = \hat{k} (0 – (-25 \times 10^{-6} \times 2.5 \times 10^{-2})) \] \[ \vec{\tau} = 0.625 \times 10^{-6} \hat{k} \, \text{Nm} \]

    Résultat du couple :

    \[ \vec{\tau} = 0.625 \times 10^{-6} \hat{k} \, \text{Nm} \]

    2. Calcul de l’Énergie Potentielle Magnétique

    Formule :

    \[ U = -\vec{m} \cdot \vec{B} \] \[ U = -(2.5 \times 10^{-2}) \times (50 \times 10^{-6} \cos(30^\circ)) \] \[ U = -(2.5 \times 10^{-2}) \times (43.3 \times 10^{-6}) \] \[ U = -1.083 \times 10^{-6} \, \text{J} \]

    Résultat de l’énergie potentielle :

    \[ U = -1.083 \times 10^{-6} \, \text{J} \]

    3. Étude de l’Effet d’un Changement d’Orientation du Dipôle

    Nouvelle orientation :

    \[ U_{\text{nouveau}} = -|\vec{m}| \times |\vec{B}| \] \[ U_{\text{nouveau}} = -(2.5 \times 10^{-2}) \times (50 \times 10^{-6}) \] \[ U_{\text{nouveau}} = -1.25 \times 10^{-6} \, \text{J} \]

    Résultat de l’énergie potentielle avec nouvelle orientation :

    \[ U_{\text{nouveau}} = -1.25 \times 10^{-6} \, \text{J} \]

    4. Discussion:

    Les calculs montrent que pivoter le dipôle pour s’aligner avec le champ magnétique réduit l’énergie potentielle, ce qui est favorable pour une stabilisation efficace du satellite avec une moindre dépense énergétique.

    Cette méthode est donc bénéfique pour la conception du système de contrôle d’attitude du satellite, mais elle doit être utilisée judicieusement en tenant compte des limites dues à la force du champ magnétique et aux interférences possibles dans l’espace.

    Orientation Satellite via Dipôle Magnétique

    D’autres exercices d’electromagnetique:

    0 commentaires

    Soumettre un commentaire

    Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

    Calcul de l’Énergie Stockée dans un Solénoïde

    Calcul de l'Énergie Stockée dans un Solénoïde Comprendre le Calcul de l'Énergie Stockée dans un Solénoïde Un solénoïde est un dispositif électromagnétique capable de générer un champ magnétique quasi-uniforme en son intérieur lorsqu'il est parcouru par un courant...

    Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée

    Calcul de l'Inductance et de l'Énergie Stockée Comprendre le Calcul de l'Inductance et de l'Énergie Stockée Vous travaillez comme ingénieur(e) dans une entreprise spécialisée dans la conception de dispositifs électromagnétiques. Vous êtes chargé(e) de concevoir un...

    Champ Magnétique Variable sur une Plaque

    Champ Magnétique Variable sur une Plaque Comprendre le Champ Magnétique Variable sur une Plaque Dans une étude sur les interactions électromagnétiques dans les matériaux composites utilisés dans l'aviation, il est nécessaire d'analyser la distribution des charges et...

    Calcul de la constante k de Coulomb

    Calcul de la constante k de Coulomb Comprendre le Calcul de la constante k de Coulomb Dans le cadre de l'électromagnétisme, la constante \( k \) est cruciale pour décrire la force entre deux charges électriques. Selon la loi de Coulomb, la force électrostatique \( F...

    Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique

    Loi d'Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique Comprendre la Loi d'Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique Considérons un câble coaxial utilisé pour la transmission de signaux électriques, composé d'un conducteur central cylindrique, entouré d'un diélectrique et...

    Interactions Magnétiques avec le Césium-137

    Interactions Magnétiques avec le Césium-137 Comprendre l'Interactions Magnétiques avec le Césium-137 Dans un laboratoire de recherche en physique, les scientifiques étudient les effets des champs électromagnétiques sur la désintégration radioactive. Ils utilisent un...

    Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde

    Calcul de la Vitesse de Phase d'une Onde Comprendre le Calcul de la Vitesse de Phase d'une Onde En physique, la vitesse de phase d'une onde électromagnétique dans un milieu donné est cruciale pour comprendre la propagation de la lumière et d'autres formes de...

    Puissance Transportée par un Câble Coaxial

    Puissance Transportée par un Câble Coaxial Comprendre la Puissance Transportée par un Câble Coaxial Dans les systèmes de communication, les câbles coaxiaux sont couramment utilisés pour transporter des signaux électromagnétiques. La qualité de la transmission dépend...

    Calcul de la Densité Surfacique de Courant

    Calcul de la Densité Surfacique de Courant Comprendre le Calcul de la Densité Surfacique de Courant Dans le cadre d'une étude sur les champs magnétiques générés par des courants électriques dans des conducteurs plats, vous êtes chargé de déterminer la densité...

    Calcul de la densité moyenne d’énergie

    Calcul de la densité moyenne d'énergie Comprendre le Calcul de la densité moyenne d'énergie En physique, la densité moyenne d’énergie dans un champ électromagnétique est une grandeur importante pour comprendre comment l'énergie est répartie dans les champs électrique...