Chapitre 3 : Le Phénomène d'induction L auto induction I- L'induction électromagnétique. 1)- Mise en évidence expérimentale. a)- Montage 1 : Matériel : une bobine, un aimant, un ressort, un ordinateur et le logiciel (oscillant). - Schéma :
- Observation : si la bobine est immobile, la tension aux bornes de la bobine est nulle. Si la bobine oscille, une tension variable alternative apparaît aux bornes de la bobine. - Terminologie : la tension qui apparaît aux bornes de la bobine est appelée tension induite ou f.e.m induite. La bobine constitue l'induit et l'aimant, l'inducteur. b)- Montage 2 : Matériel : Un galvanomètre, une bobine et un aimant. - Schéma :
- Un galvanomètre est un instrument qui permet la mesure de l'intensité de courants très faibles (jusqu'à 1 nA). - Observations : lorsque l'on approche un pôle Nord d'aimant de la bobine, le spot du galvanomètre se déplace dans un sens, si l'on éloigne un pôle Nord d'aimant, le spot du galvanomètre se déplace dans le sens inverse. On peut refaire l'expérience en approchant un pôle sud d'aimant ou en éloignant un pôle sud d'aimant (l'expérience est exploitée plus loin). - Terminologie : on dit qu'il apparaît un courant induit dans le circuit constitué par la bobine est le galvanomètre. c)- Remarques : - Le courant induit n'apparaît que lors du déplacement de l'aimant ou de la bobine. - Le sens du courant dépend du sens de déplacement et du pôle de l'aimant en regard de la bobine. - L'intensité instantanée du courant dépend de la vitesse de déplacement. 2)- Interprétation. L'aimant crée un champ magnétique dans tout l'espace environnant. Un déplacement de l'aimant entraîne une variation du champ magnétique dans le temps et dans l'espace. En conséquence, le champ magnétique dans la bobine varie au cours du temps. La variation de la valeur du champ magnétique dans la bobine est à l'origine d'une f.e.m induite et par conséquent d'un courant induit si le circuit est fermé. La f.e.m. induite dépend de la rapidité de la variation du champ magnétique à l'intérieur de la bobine. II- La Loi de Lenz. 1)- Expérience. Matériel : galvanomètre, bobine, aimant. a)- Expérience 1. - Schéma :
- Lorsque l'on approche l'aimant de la bobine, la valeur du champ magnétique
créé par l'aimant augmente, alors, la bobine crée un courant induit i qui
engendre un champ magnétique induit qui s'oppose à l'augmentation du champ magnétique - La bobine présente donc une face Nord en regard du pôle Nord de l'aimant. b)- Expérience 2. - Schéma :
1
créé par l'aimant.
- Lorsque l'on éloigne l'aimant de la bobine, la valeur du champ magnétique
créé par l'aimant diminue, alors, la bobine crée un courant induit i qui
engendre un champ magnétique induit qui s'oppose à la diminution du champ - La bobine présente donc une face Sud en regard du pôle Nord de l'aimant. 2)- Loi de Lenz. Si l'on obtient un courant induit par variation du champ magnétique inducteur :
créé par l'aimant.
- Quand la valeur du champ magnétique inducteur vecteur champ magnétique inducteur .
augmente, le courant induit engendre un vecteur champ magnétique induit
- Quand la valeur du champ magnétique inducteur celui du vecteur champ magnétique inducteur . 3)- Applications. - Schéma 1:
diminue, le courant induit engendre un vecteur champ magnétique induit
en sens inverse du
de même sens que
- Représenter sur la figure :
- Le vecteur champ magnétique inducteur en regard de l'aimant.
, le vecteur champ magnétique induit
, le sens du courant induit i dans le circuit et la face de la bobine
, le vecteur champ magnétique induit
, le sens du courant induit i dans le circuit et la face de la bobine
- Réponse 1 : - Schéma 2 :
- Représenter sur la figure :
- Le vecteur champ magnétique inducteur en regard de l'aimant.
- Réponse 2 :
- Remarque : le champ induit
ne s'oppose pas au champ inducteur
mais à sa variation.
III- Bobine inductrice. 1)- Expérience. Matériel : deux bobines, G.B.F et oscilloscope. - Schéma :
2
- On remplace l'aimant par une seconde bobine que l'on alimente en série avec un G.B.F qui délivre une tension variable alternative. Ici l'inducteur et l'induit sont fixes.
- L'inducteur est la bobine 1 qui est parcourue par un courant variable. Elle crée un champ variable dans tout l'espace environnant. La bobine 2 "voit" un champ magnétique variable. - C'est ce phénomène qui est responsable de l'apparition de la f.e.m. induite et d'un courant induit dans la bobine 2. - Si on augmente la fréquence de l'inducteur, on augmente la valeur de la f.e.m. d'induction. - Si l'on introduit un noyau de fer doux dans la bobine, on augmente la valeur de la f.e.m. d'induction. 2)- Application du phénomène d'induction. C'est le phénomène d'induction qui est à la base de la production et de la distribution des courants alternatifs que chacun utilise (alternateurs, transformateurs). - Autres applications : la cuisinière à induction, freins électromagnétiques.
II- phénomène d'auto-induction. 1)- Expériences. - Montage : visualisation du phénomène à l'oscilloscope.
- Il comprend : - Un G.B.F qui délivre une tension carrée. - Un conducteur ohmique de résistance R1 réglable de 0 à 500 Ω. - Une bobine d'inductance L = 20 mH et de résistance r = 20 Ω. - Un conducteur ohmique de résistance R = 18 Ω. - Que visualise-t-on à la voie A de l'oscilloscope ? On visualise les variations de la tension aux bornes du G.B.F, c'est-à-dire la tension u AM. - Que visualise-t-on à la voie B de l'oscilloscope ? On visualise les variations de la tension aux bornes du conducteur ohmique de résistance R1, c'est-à-dire la tension uBM. Si l'on considère qu'au temps t, le courant circule dans le sens positif choisi,
. On visualise les variations de l'intensité en fonction du temps, ceci à une constante près. - Observations : La courbe qui apparaît à la voie B, ne suit pas exactement les variations de celle qui apparaît à la voie A. Il y a un retard à l'établissement et à l'annulation du courant dans le circuit. 2)- Interprétation.
Premier temps : -
: régime transitoire, établissement du courant dans la bobine.
: régime permanent, le courant est établi. - La bobine s'oppose à l'établissement du courant dans le circuit. Deuxième temps : -
: régime transitoire, annulation du courant dans la bobine.
: régime permanent, le courant est nul. - La bobine s'oppose à l'annulation du courant dans le circuit. Lorsque l'on ferme ou ouvre le circuit, on fait varier l'intensité i du courant dans la bobine.
3
Cette variation de i produit une variation du champ magnétique créé par la bobine. Cette variation du champ magnétique propre de la bobine entraîne l'apparition d'une f.e.m d'induction dans la bobine. La bobine crée un courant induit qui engendre un champ magnétique induit qui s'oppose au champ magnétique propre qu'elle produit. Ce phénomène est appelé : phénomène d'auto-induction (la bobine agit sur elle-même) C'est un phénomène transitoire. II- F.e.m d'auto-induction. 1)- Expression de la f.e.m : e. a)- Établissement du courant : - Au cours de l'établissement du courant, la valeur de l'intensité augmente : . - Pour s'opposer à cette croissance, tout se passe comme si la bobine se comportait comme un générateur , monté en opposition, de f.e.m négative, donnant un courant induit i' de sens opposé au courant i. La bobine se comporte comme un récepteur de f.c.e.m : e < 0. b)- Annulation du courant : - Au cours de l'annulation du courant, la valeur de l'intensité diminue : . - Pour s'opposer à cette décroissance, la bobine se comporte comme un générateur de f.e.m positive donnant un courant induit i'de même sens que le courant i. c)- Conclusion : En régime variable, le courant ne s'établit pas instantanément. La bobine se comporte comme un électromoteur ceci tant que i varie. d)- La Loi de LENZ - FARADAY.
- L'inductance propre L de la bobine est une constante positive qui ne dépend que des caractéristiques géométriques de la bobine ( pour un solénoïde de longueur ℓ, qui possède N spires de surface S). 2)- Loi d'Ohm aux bornes d'une bobine. Schéma équivalent.
- Une bobine est caractérisée par son inductance L et sa résistance r. - Tant que i varie, la bobine se comporte comme un électromoteur, elle est donc équivalente à l'association série d'une générateur de tension de f.e.m : e (grandeur algébrique) et d'un conducteur ohmique de résistance r.
- Ceci aux bornes d'une bobine (L, r) de bornes A et B, orientée de A vers B.
4
