Doc10_Séance1_Induction_Lenz

L'induction électromagnétique
C'est le principe de fonctionnement des machines qui produisent la quasi-totalité de l'énergie
électrique mondiale, les seules susceptibles de fournir actuellement des puissances allant jusqu'au
gigawatt. Elles sont donc au cœur de la conversion de puissance à l'échelle industrielle.
Une longue lignée de physiciens qui « sèchent » sur l'interprétation d'une
curiosité de laboratoire qui prendra une importance considérable
Au départ, le phénomène est une curiosité de laboratoire. Tout au long du XIXème siècle, de
nombreux physiciens se sont penchés sur l'électromagnétisme, c'est-à-dire sur les interactions
champs électrique et magnétique ↔ tensions et courants électriques : Ørsted, Weber, Ampère, Lenz,
Faraday, Maxwell, Hertz, Einstein, ....
Les travaux du Germano-Balte (donc sujet russe) Heinrich Friedrich Emil Lenz [Эмилий
Христианович Ленц (при рождении 1 Генрих Фридрих Эмиль Ленц )] ont été éclipsés par ceux
de son contemporain Michael Faraday mais leur valeur a été reconnue 2. Les deux ont eu le mérite,
dans la mesure des moyens qui étaient à leur disposition, de correctement interpréter le phénomène.
Relisons Richard Feynman, pour une fois un peu grandiloquent :
From a long view of the history of mankind ─ seen from, say, ten thousand years from now ─ there
can be little doubt that the most significant event of the 19th century will be judged as Maxwell's
discovery of the laws of electrodynamics. The American Civil War will pale into provincial
insignificance in comparison with this important event of the same decade.
Feynman Lectures on Physics Tome 1 Ch 1 p. 11 Addison-Wesley nombreuses éditions (op. cit.)
Dans les lois de l'électrodynamique, figurent en toute première place celles de l'induction.
Un phénomène déroutant
Le phénomène est déroutant car il échappe à l'intuition qu'on peut en avoir a priori : un courant
(variable, il est vrai) dans un circuit (l'inducteur) peut créer du courant dans un circuit voisin
(l'induit), les deux circuits étant électriquement isolés l'un de l'autre. Voilà qui est peu banal.
Et où est le générateur de l'induit ?
Ajoutons que dans un transformateur alimenté par une tension au primaire alternative, la tension
aux bornes du secondaire peut être très supérieure : par ex. 20 V au primaire, 240 V au secondaire.
Le phénomène peut être interprété dans le cadre des lois de la physique (induction, énergie) mais il
surprend.
Ampère en a raté de peu la découverte, largement parce que les instruments de mesure peu sensibles
qu'il avait à sa disposition nécessitaient des précautions d'utilisation extrêmement contraignantes :
inducteur et induit étaient placés dans une pièce, les instruments de mesure dans une autre pour
éviter que ces derniers soient perturbés. Il est vraisemblable que Ampère n'avait pas le temps de se
déplacer pour observer un phénomène fugace. Mais il attendait probablement une relation champ
inducteur - tension induite alors que celle-ci dépend de la vitesse de variation du champ.
Pendant longtemps, en France, on a accordé à Lenz le seul mérite d'avoir précisé le caractère
modérateur de la loi qui régit l'induction : les effets s'opposent à la cause qui leur donne naissance.
Une telle considération est en effet très commode pour trouver le sens ou le signe des courants ou
tensions qui apparaissent. Mais on a maintenant pris l'habitude d'appeler loi de Lenz-Faraday
1 = de naissance
2 Néanmoins, dans plusieurs encyclopédies, scientifiques ou non, qui traitent ou évoquent l'induction électromagnétique,
le nom de Lenz est absent.
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l'expression de la force électro-motrice qui apparaît dans l'induit en fonction de la variation dans le
temps du flux inducteur. Justice a donc été rendue.
Définition sommaire du phénomène
On s'en tient aux cas simples car il existe des situations-pièges qui ne sont pas à évoquer dans une
présentation élémentaire.
On distingue donc deux systèmes qu'on appelle respectivement inducteur et induit.
Le premier (aimant, circuit parcouru par un courant) crée un champ magnétique dans lequel baigne
le second. L'induction apparaît quand la situation de l'inducteur par rapport à l'induit varie dans le
temps : ce peut être l'intensité du champ inducteur, la position relative de l'inducteur et de l'induit,
leur surface, …
On appelle courants de Foucault les courants électriques induits apparaissant dans des masses
métalliques (et non des circuits). Ces courants sont souvent non désirés parce qu'ils consomment de
la puissance et peuvent donner un effet Joule important (par ex. noyaux métalliques dans les
machines, notamment les transformateurs). Ils sont parfois utilisés (ralentisseurs électromagnétiques, systèmes « récupérateurs d'énergie »). Sur les automobiles, la mise au point de
systèmes hybrides essence (ou diesel) – électrique a entraîné la nécessité de recharger à moindre
frais les batteries embarqués et considérablement renforcé l'intérêt accordé à ce genre de
phénomène. Les courants de Foucault peuvent donner lieu à des expériences spectaculaires.
Des expériences de Lenz et Faraday aux manipulations envisageables sur une
paillasse de lycée
Lenz et Faraday n'avaient à leur disposition que de faibles aimants, de très faibles courants et
surtout des galvanomètres à champ constant de très faible sensibilité qu'ils devaient tenir éloignés
de l'expérience proprement dite.
Les expériences actuellement envisageables sur l'induction sont spectaculaires et convaincantes.
Elles font même partie de la liste des manipulations enregistrées sous la rubrique « Physique
amusante » : faire Expériences amusantes induction électromagnétique sur un moteur de recherche.
À titre indicatif, mentionnons quelques suggestions.
• Un aimant au néodyme (ou au samarium) et un morceau de fer de même forme cylindrique et
de mêmes dimensions glissent dans deux tubes de même diamètre, l'un en cuivre et l'autre en PVC
(il faut faire l'expérience et la contre-expérience)
• et aussi le tube électroluminescent sous une ligne à haute tension, …
• Une expérience parfois réalisée en Allemagne met en scène une personne qui est allongée
immobile sur une planche horizontale placée sur deux rouleaux de PVC (Ø ~ 15 cm) posés sur le sol
et orientés perpendiculairement à l'axe du personnage (ou de la planche). Un aimant cylindrique
attaché à la planche pénètre dans un solénoïde fixe par rapport au laboratoire. Le signal à ses bornes
est envoyé sur un oscilloscope. On laisse au lecteur le soin de faire la « manipe » et de conclure.
• Plus classiques mais étonnants sont les effets d'un champ magnétique tournant. Celui-ci peut
être obtenu au voisinage du point de concours des axes de 3 bobines décalées de 120° et alimentées
par 3 tensions sinusoïdales de même amplitude et déphasées du même angle. On peut également se
contenter de 2 bobines d'axes perpendiculaires alimentées par 2 tensions en quadrature. Un petit
cylindre d'aluminium mobile sans frottements autour d'un axe vertical se met à tourner (moteur
asynchrone). On peut faire la même expérience avec une aiguille de boussole (moteur synchrone) et
discuter. Il est à noter que la commande correspond à une rotation fictive puisque aucun organe
mécanique n'est en mouvement.
De fait, les composants disponibles sont susceptibles de provoquer des effets importants. C'est ainsi
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que les aimants aux terres rares possèdent une grande densité d'énergie magnétique et donnent dans
leur voisinage des champs très intenses. De l'autre côté, les diodes électroluminescentes ne
consomment très peu de puissance ce qui facilite la détection. Les capteurs de champ comme ceux
utilisant l'effet de magnéto-résistance géante rendent facile la détection de champs très faibles ou
leurs variations ; ils constituent une solution alternative à l'effet Hall et s'associent facilement aux
tableurs-grapheurs et autres outils informatiques.
On peut estimer que Lenz manipulait les ordres de grandeur qui valaient au maximum :
B = 1mT , S = 10-2 m2 , Φ = 10-4 Wb , Δt = 0,1 s soit e = ΔΦ /Δt = 1 mV,
tension qui n'était pas très facile à détecter avec les instruments disponibles en 1830.
Un facteur 10 ou 100 (dans le sens voulu) peut être aisément gagné sur chaque grandeur et on se
retrouve avec des tensions de dizaines ou des centaines de volts qui permettent, même sans artifice,
(commutation, amplification) de montrer des effets étonnants.
Des la curiosité de laboratoire à la conversion d'énergie à l'échelle industrielle
L'intérêt de l'induction est perçu assez tôt mais il faut du temps pour que les espoirs placés en elle se
concrétisent.
La seconde moitié du XIXème siècle et le début du XXème voient de nombreux physiciens,
ingénieurs, bricoleurs, inventeurs, .. faire preuve de génie pour construire des machines industrielles
mettant en œuvre l'induction : Pixii, Gramme, Pacinotti, Jedlik, von Siemens, Brush, … pour la
dynamo3 ; Sturgeon pour les électroaimants, Gaulard pour le transformateur ; Trouvé pour le micro
portatif et le téléphone ; Dolivo-Dobrovolsky et Leblanc pour le moteur asynchrone ; …
La découverte de l'intérêt du champ tournant par Nikola Tesla a été d'une grande importance.
L'intérêt économique de ces sujets a été perçu assez vite et a entraîné disputes, règlements de
compte, … La personnalité d'Edison n'en sort pas grandie.
Induction ou pas ?
Pour s'en tenir à des choses simples et pour éviter toute confusion, rappelons que l'induction
électromagnétique est le principe de fonctionnement des générateurs comme la dynamo 3,
l'alternateur et le transformateur ainsi que des moteurs asynchrones.
Mais la très grande majorité des moteurs électriques (courant continu, universels, synchrones, ..)
utilisent la force de Laplace sans rapport direct avec l'induction électromagnétique.
Il est sage d'avoir une idée du principe de fonctionnement des moteurs les plus courants. Il n'est pas
nécessaire d'aller au-delà.
De nos jours, nous avons peine à nous imaginer l'importance qu'a pu avoir ce sujet dans la société.
On peut mentionner " le plus grand tableau du monde ", La Fée Électricité, commandé à Raoul
Dufy pour le hall du palais de la Lumière et de l'Électricité. Le sujet a également inspiré de très
belles pages de prose à Paul Valéry dans lesquelles il imagine que Descartes et Newton découvrent
une dynamo 3.
Suggestions
3 On appelait dynamo la génératrice de courant approximativement continu (en réalité, on était satisfait s'il va toujours
dans le même sens sans s'annuler). Cet appareil a été supplanté par l'alternateur dont les performances sont très
supérieures mais dont la f.e.m. et le courant débité obtenus sont alternatifs. Un dispositif de redressement est donc
souvent nécessaire, par exemple dans une automobile si on veut recharger une batterie. De fait, on dispose maintenant
de composants de redressement (ponts de diodes, ..) susceptibles de fonctionner même dans des conditions
(température, humidité, ..) difficiles. En France, les Renault R4L de première génération ont été les dernières
automobiles équipées de dynamos. Dès le début des années 1970, sur les voitures comme ailleurs, l'alternateur s'est
imposé.
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Le document 2_Séance1_Induction_électromagnétique présente un questionnement possible.
D'autres suggestions sont précisées ci-dessous.
• Le phénomène vu d'un point de vue historique : expériences simples, difficultés rencontrées
par Ampère, mise en évidence par Lenz et Faraday, curiosité de laboratoire, … Ordres de
grandeur accessibles en 1840.
• Lenz vs Faraday : pourquoi Faraday a-t-il largement capté la gloire de la découverte ?
• De la curiosité de laboratoire à la machine industrielle
• Réalisation (bricolage) d'une petite génératrice électrique avec collecteur en laiton et
débitant un courant approximativement continu
• Conversion d'énergie par une machine industrielle (dans les lycées technologiques avec
sections industrie ou laboratoire) : expérience réalisée sur la paillasse (alternateur, groupe
électrogène, dynamo, …) ou présentation d'une vidéo
• Estimation du rendement d'une machine produisant de l'énergie électrique à partir d'une énergie
d'une autre nature et fonctionnant sur le principe de l'induction
• Autres machines utilisant l'induction : micro électrodynamique, transformateur, moteur
asynchrone, systèmes de récupération d'énergie (SREC, KERS en anglais sur les voitures de
formule 1). Présentation critique de machines utilisant ou n'utilisant pas l'induction
• Expériences amusantes utilisant des composants modernes, effets spectaculaires
(ralentissement d'un aimant, si possible au samarium, qui tombe à l'intérieur d'un tube de cuivre,
…), courants de Foucault, ...
• Caractère surprenant : présence d'un générateur (« diffus ») dans l'induit alors qu'on n'en a pas
mis, haut-parleur dont on déplace la membrane, ...
• Situation actuelle (ordres de grandeur) ; considérations sur la production d'énergie électrique ;
les alternateurs et la production industrielle, propulsion des véhicules hybrides, recharge des
accumulateurs embarqués
• Sur un bateau, le « loch » et le « speedomètre ». Une roue à aubes de petite taille, comportant
un ou plusieurs aimants, est mobile autour d'un axe. L'ensemble est fixé à la coque ainsi qu'une
bobine. Si le bateau est en mouvement par rapport à l'eau, celle-ci fait tourner la roue. La vitesse
de rotation est fonction de la vitesse relative bateau/eau. L'analyse du signal aux bornes de la
bobine permet de déterminer la vitesse du bateau. Une analyse vectorielle prenant en compte la
vitesse du courant et l'intégration dans le temps donnent le chemin parcouru. Bien entendu, tout
cela ne vaut pas le GPS.
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