Expériences de cours concernant l`induction électromagnétique et

Expériences de cours concernant l’induction électromagnétique
et les ondes
Mise en évidence de l’induction
On met en évidence plusieurs façons de créer une FEM dans une bobine (Fig. 1) :
1. Deux bobines sont disposées côte à côte sur le même axe. A l’enclenchement du courant dans une
des bobines, on mesure une tension aux bornes de l’autre bobine.
2. On maintient un courant constant dans la bobine primaire et on déplace une des bobines.
3. On introduit/retire rapidement un aimant permanent à l’intérieur de la bobine.
Moteurs et générateurs électriques
Le montage 2 est constitué d’un électroaimant (stator) et d’une bobine montée sur un axe (rotor)
dans l’entrefer de l’aimant. En modifiant le branchement des divers éléments, le montage peut fonctionner
dans différents modes : 1 = Générateur DC (dynamo), 2 = Générateur AC, 3 = Moteur AC série, 4 =
Moteur DC série, 5 = Moteur DC parallèle
Figure 1 – Mise en évidence de l’induction.
Figure 2 – Moteur de démonstration.
Induction par déplacement d’un fil en boucles
On fait passer un courant continu à travers un long fil gainé. Le fil, tenu par le démonstrateur, fait
des grandes boucles (Fig. 3). Lorsqu’on déplace les boucles, on observe une variation de l’intensité du
courant traversant le fil. On explique ce phénomène par l’auto-induction : une boucle de fil est une spire
qui crée un champ magnétique B dans la zone de l’espace qu’elle encercle. Quand on change la surface
de la boucle, le flux de B à travers la boucle change, ce qui cr´’ee une tension d’induction − dΦ
dt (loi de
Lenz-Faraday).
Freinage magnétique (courant de Foucault)
On fait osciller une plaque métalique entre les pôles d’un puissant aimant. On observe que la plaque
s’arrête rapidement. Ceci est dû au courant induit par la variation de flux (courant de Foucault) et à la
force magnétique sur ce courant. Cette force agit dans le sens opposé au mouvement de la plaque. Ce
type de freinage magnétique est utilisé sur les poids lourds.
Une plaque pleine s’arrête dès le premier passage entre les pôles tandis qu’une plaque segmentée en
forme de peigne s’arrête après 3 ou 4 passages. Dans ce dernier cas, les courants induits sont confinés
dans l’épaisseur des lames individuelles. Le courant moyen est inférieur à celui circulant dans une plaque
pleine.
Soudure par points
La figure 4 présente le dispositif. On applique une tension alternative de 220 V sur un bobinage
primaire de 500 spires (à droite). Aux bornes du bobinage secondaire qui comporte 5 spires, la tension
1
Figure 3 – Le dispositif expérimental consiste simplement en un fil en boucles relié à un ampèremètre
et une source de courant continu.
vaut alors
N2
· 1 = 2.2 V
N1
La résistance de l’enroulement secondaire est inférieure à 0,01 Ω. La résistance du circuit secondaire
est donc dominée par celle du matériau à souder. Si celle-ci est de 0.2 Ω, la puissance de chauffage au
point de soudure vaut :
2
P = 2 = 48 W
2R
Le facteur 2 provient du fait que l’on calcule une puissance moyenne pour une tension alternative.
2 =
Fusion par induction
La figure 5 présente le dispositif. On applique une tension alternative de 220 V sur un bobinage
primaire de 500 spires. Un creuset en fer est employé comme bobine secondaire à spire unique. La FEM
produite dans le creuset vaut
N2
2 =
· 1 = 0.44 V
N1
La circulation du courant dans le creuset produit un dégagement de chaleur par effet Joule. Le creuset
atteind rapidement une température de 350˚C qui permet de faire fondre du fil de soudure.
Les plaques à induction fonctionnent sur le même principe. Un courant alternatif circule dans une
bobine plaçée sous la plaque vitrocéramique. Ce courant produit un champ magnétique qui induit un
courant de Foucault dans le fond de la casserole. Ce courant de Foucault génère un dégagement de chaleur
par effet Joule.
Figure 4 – Dispositif de
soudure par points.
Figure 5 – Dispositif de fusion
par induction.
2
Mise en évidence de différents types d’ondes
1. Les ondes électromagnétiques : Une antenne dipôle émet à une fréquence de 400 MHz. L’antenne
réceptrice est connectée à une ampoule. Lorsque l’on rapproche suffisement les antennes et qu’on
les oriente dans la même direction, l’ampoule s’allume.
2. Les ondes mécaniques :
– La propagation d’une onde dans une corde : onde transversale.
– La propagation d’une onde dans un ressort : onde longitudinale.
– Les vagues : une surface d’eau calme est excitée par une buse qui émet un jet d’air pulsé. Lorsque
la buse est immobile, on observe des fronts d’onde circulaires. Losrqu’elle se déplace lentement,
les front d’ondes sont plus rapprochés à l’avant de la buse (effet Doppler) qu’à l’arrière. Lorsque
la buse se déplace plus vite que la vitesse de propagation de l’onde, le front d’onde forme un
cône à l’arrière de la buse. Ce cône est d’autant plus étroit que la vitesse de la buse est élevée.
Le même phénomène se produit pour les sons dans l’air (bang supersonique) ainsi que pour la
lumière (effet Cherenkov).
Cavité accoustique
La figure 6 présente le montage. Le tube vertical peut être rempli d’eau jusqu’à n’importe quel niveau.
Le son produit par un haut-parleur entre par l’extrémité ouverte du tube. Le son est réfléchi à la surface
de l’eau, ce qui entraı̂ne à cet endroit la formation d’un noeud. On observe que l’intensité sonore passe
par des maximums et des minimums suivant la hauteur de la colonne d’air. La plus petite différence de
hauteur qui sépare deux minimums est de 0.05 m.
Pour une colonne fermée à une extrémité et ouverte à l’autre, les fréquences propres sont données
par (formule 22.4 du livre) :
(2n − 1)c
fn =
4l
où c est la vitesse du son dans l’air, l est la longueur de la colonne d’air, n=1 correspond à la fréquence
fondamental, n=2 à la première harmonique, n=3 à la deuxième harmonique etc...
c
La longeur l de la colonne mesure environ 25 cm. Ainsi, f1 = = 344 Hz. La fréquence de résonance
4l
fondamentale de la colonne est environ égale à la fréquence f du son produit par le haut-parleur, égale
à 322.3 Hz. Celui-ci fait donc résoner la colonne d’air, à la fréquence fondamentale, mais aissi aux harmoniques.
c
λ1
c
4l
=
, où λ1 = 4l =
= 0.2498 m.
=
fn
2n − 1 2n − 1
4f
λ1
λ1
= 0.0833 m et λ3 =
= 0.05 m. La résonance perçue durant l’expérience est
On trouve λ2 =
3
5
celle de la deuxième harmonique : Deux minimums consécutifs correspondent à une différence de hauteur
de 0.05 m. Les fréquences de la fondamentale et des harmoniques 1 et 2 sont respectivement 322.3 Hz,
1 kHz et 3 kHz. Or, l’oreille humaine est environ 10 fois plus sensible à la fréquence de 3 kHz qu’à celle
de 1 kHz, et 100 fois plus sensible à la fréquence de 3 kHz qu’à celle de 322.3 Hz.
λn =
Figure 6 – Cavité acoustique.
Figure 7 – Effet Doppler.
3
L’effet Doppler
On utilise le montage de la figure 7 pour mettre en évidence l’effet Doppler. On fait tourner un
émetteur sonore. La fréquence perçue est alors modifiée périodiquement. Lorsque le haut-parleur s’éloigne,
elle est plus faible. Lorsqu’il s’approche, elle est plus élevée.
Les battements
On produit deux ondes sonores de fréquences f1 et f2 très proches. On entend alors un battement
dont la fréquence est égale à f1 − f2 .
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