1 TSMP Cours Physique Chap 3 : L`induction électromagnétique

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TSMP
Cours Physique
L’induction électromagnétique
Chap 3 :
Dans le chapitre précédent, nous avons vu qu’un conducteur
électrique plongé dans un champ magnétique pouvait se mettre en
mouvement sous l’effet de la force de Laplace.
Ici nous allons nous intéresser au phénomène contraire : nous
verrons que le mouvement d’un circuit électrique dans un champ
magnétique provoque l’apparition d’un courant induit dans le circuit.
Michael Faraday
C’est le phénomène d’induction électromagnétique mis en
évidence par Faraday en 1831 et qui est à la base de l’électricité
moderne.
En effet, à la sortie de toute centrale électrique (thermique, hydraulique, nucléaire…) on trouve une turbine en mouvement qui
génère un courant alternatif…
I.
Mise en évidence expérimentale :
1)
Dispositif
Borne COM = référence permettant de
connaitre le sens du courant i : si le
courant sort par la borne COM,
l’ampèremètre donnera une valeur i > 0 ;
dans le cas contraire (courant entrant par
COM) il donnera une valeur i < 0.
(+) : sens > 0 choisi
A

S
(+)
Zone d’action de

B
 La bobine est traversée par le
flux total
2)
Variation de
Φ
 
=
N. B . S

B en intensité
Représenter le sens du courant i dans les expériences ci-dessous :
A
a)
S
A
b)
N
N S
A
c)
S
N
A
d)
N S
3) Variation de
2

B en direction
i ………. puis i ………
Une ………………………………………
Donc i ……………………………
apparait aux bornes de la bobine.
A
XY
S

N

V/ cm
L’aimant tourne
devant la bobine
fixe.
4) Variation de
M
0,
YB
0
2s

S en direction
Le dispositif est identique mais c’est la bobine qui tourne devant un aimant fixe.
i ………. puis i ………
Donc i ……………………………
Une ………………………………………
apparait aux bornes de la bobine.
A
XY
S

N

V/ cm
0,
M
YB
0
2s
5) Variation de

S en intensité
Animation : http://www.physics.uoguelph.ca/applets/Intro_physics/kisalev/java/indcur/index.html
On déforme une bobine (souple) dans un champ magnétique uniforme (animation) : noter pour chaque situation le signe de
l’intensité du courant induit. En déduire son sens (à représenter sur les schémas).
compression
Variation de S :

B
S …………………..

B
Signe i ………..
dilatation

B
Variation de S :
S …………………..
Signe i ………..

B
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6) Conclusion
L’aimant, source du champ magnétique est appelé …………………………………… , la bobine qui subit le champ magnétique est
appelée ……………………………………………
Conclusion : toute variation de ……………………………………………………… à travers un circuit fermé entraine l’apparition
d’un ………………………. induit dans ce circuit. Ce courant n’existe que pendant la ……………………………………………….
Rem : ce courant apparait bien que le circuit ne contienne aucun générateur ! C’est le phénomène d’induction où un travail
…………………………………….. est transformé en travail ……………………………………
II. Force électromotrice (fém) d’induction
1) Présentation
Dans les expériences précédentes, on peut imaginer un générateur fictif à l’origine du courant induit. Comme tout générateur, celuici serait caractérisé par une force électromotrice (fém), c’est-à-dire une tension à ses bornes lorsqu’il ne délivre aucun courant.
Cette fém est appelée : fém d’induction ou fém induite.
2) Généralisation des phénomènes d’induction
 Une fém d’induction apparait aux bornes d’un conducteur lorsque le ……………………… du champ magnétique
inducteur varie à travers ce conducteur.
 Si le conducteur est un circuit fermé, cette fém d’induction s’accompagne d’un …………………………………………
dans le circuit.
Rem : le flux magnétique peut varier de différentes façons :
a) Intensité et / ou direction de
b) Intensité et / ou direction de

B

S
: déplacements de l’inducteur par rapport à l’induit (voir I. 2) et I.3)).
: déformation ou déplacements de l’induit par rapport à l’inducteur (voir I. 4) et I.5)).
3) Origine de la fém d’induction et du courant induit
Ex : conducteur électrique CD en mouvement (à la vitesse v) dans
un champ magnétique :

B
D
Les électrons libres du conducteur se déplacent à la vitesse v par
rapport au sol. Ils sont donc soumis à la force magnétique (à
représenter) :

 
Fm = q.(v  B )

v
 
=  e.(v  B ) dirigée de ………………….
Ce mouvement d’e- est à l’origine du …………………………..
……………………… i dans le conducteur (à représenter) dirigé de
…………………..
Ce courant induit crée une accumulation de charges < 0 en ………
et > 0 en ………….. (à représenter) ; donc une différence de
potentiel (tension) entre C et D. Cette tension induite en circuit
ouvert représente la ………………………………………………..
C
Sol

B
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III. Sens du courant induit : loi de Lenz (1833)
Il existe plusieurs façons d’énoncer la loi de Lenz. Selon la situation, il convient d’utiliser l’expression la plus pratique.
1) 1ère expression de la loi : déplacement relatif inducteur / induit
Loi n°1 :
Le sens du courant induit est tel qu’il tend, par ses effets, à ………………………………..………. au déplacement qui lui
donne naissance.
Ex : compléter les trous :
On approche un pôle ………………..
A
Pour s’opposer au déplacement, il apparait une face ……………..
devant l’aimant (à gauche), donc une face ………………. à droite
de la bobine.
S
N
Représenter cette face et en déduire le sens du courant induit.
A
On éloigne un pôle ………………..
Pour s’opposer au déplacement, il apparait une face ……………..
devant l’aimant (à gauche), donc une face ………………. à droite
S
de la bobine.
N
Représenter cette face et en déduire le sens du courant induit.
Exo1 : trouver le sens du courant induit dans les 2 cas suivants :
A
A
Aimant fixe
S
Aimant fixe
N
S
N
2) 2ème expression de la loi : pas de déplacement relatif inducteur / induit
Loi n°2 :
Le champ magnétique induit créé par le courant induit, tend à ………………………………. à la variation du flux
magnétique inducteur qui lui donne naissance.
Ex : compléter les trous :
On suppose que Binducteur  en intensité.
a)

Binducteur
créé par un
système
extérieur non
représenté.
A
Pour s’opposer à cette augmentation, le courant induit crée un
champ magnétique induit

Binducteur .


B ' en sens ……………..…………. de
Représenter B ' et en déduire le sens du courant induit (règle de la
main droite).
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On suppose que Binducteur  en intensité.
b)

Binducteur
A
Pour s’opposer à cette diminution, le courant induit crée un
champ magnétique induit
créé par un
système
extérieur non
représenté.


B ' de …………... sens que Binducteur .

Représenter B ' et en déduire le sens du courant induit (règle de la
main droite).
Exo2 : a) Quelle(s) situation(s) a) , b), c) ou d) du I. 2) correspond au 1 er cas du III. 2) a) ?
b) Quelle(s) situation(s) a) , b), c) ou d) du I. 2) correspond au 2 ème cas du III. 2) b) ?
3) Expression générale de la loi
Loi n°3 :
Le phénomène d’induction électromagnétique est tel que, par ses effets (courant induit, champ magnétique induit,
tension induite ou force de Laplace induite), il …………………………….. à la cause qui lui donne naissance.
Rem : c’est une loi de modération qui évite les effets « boule de neige » et permet une physique « raisonnable » (non chaotique) en
permettant un retour à l’équilibre général des choses. Essayez d’imaginer une loi qui amplifierait la cause qui lui donne naissance,
cela risque d’être assez drôle…et chaotique ! Dans le cas contraire, les physiciens parlent dans ce cas d’ « effet larsen » ou
« rétroaction positive »).

B
Ex : compléter les trous :
D
---

B
a) La tension induite créée par le déplacement des e- libres
s’accompagne d’un champ électrique induit

Einduit
(à représenter)

v
dont le sens est de : ……………….
Ce champ électrique induit provoque alors une force électrique
induite

Fe induite (à représenter) de sens ……………… qui tend à
ramener les e- libres à leur place d’origine.
C
+++
Sol
b)
compression

B
Le sens du courant
induit i est tel qu’il
apparait des forces de
Laplace élémentaires
induites

B
 

dF  i.(dl  B )
(à représenter) qui

B
………………………
à la compression ou à
la dilatation.
dilatation

B
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Animation loi de Lenz : http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electri/lenz.html
IV. Expression de la fém d’induction
Les expériences et les animations précédentes montrent que l’intensité du courant induit augmente avec la rapidité du déplacement
ou de la déformation, donc avec la variation du flux magnétique ressenti par l’induit. Le courant induit, tout comme la fém
d’induction sont donc proportionnels à la variation temporelle du flux magnétique inducteur ; c’est ce qu’exprime la relation de
Faraday-Lenz.
1)
Relation de Faraday-Lenz
La fém d’induction est égale à l’opposé de la dérivée par rapport au temps du flux magnétique inducteur :
Préciser les unités des grandeurs intervenant dans cette relation.
Rem : le signe « - » présent dans la formule traduit la loi de Lenz.
2)
Intensité du courant induit
Si R est la résistance électrique totale du circuit induit, en l’absence de toute autre fém dans le circuit (générateur ou autre
phénomène d’induction…), l’intensité du courant induit i vaut :
i
e
1 d
 .
R
R dt


i > 0 signifie que le courant induit circule dans le sens > 0 d’orientation du circuit,
i < 0 signifie que le courant induit circule dans le sens contraire.
Préciser les unités des grandeurs intervenant dans cette relation.
Rem 1 : d’après nos conventions, e est toujours du même signe que i.
Rem 2 : pour les exercices, on peut calculer l’intensité du courant induit , sons sens étant déterminé par la loi de Lenz.
Animations
loi de Lenz : https://www.youtube.com/watch?v=bkSsgTQOXVI
loi de Faraday : http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electri/faraday.html
V. Applications de l’induction
1)
Alternateurs
Animation http://www.cea.fr/multimedia/Pages/animations/energies/turbine-et-alternateur.aspx
….………...
Description : le rotor (mobile) est composé d’une série d’aimants collés
sur la roue et entraînés par l’axe (en bleu).
Le stator (fixe) est constitué de bobines en série (en rose).
….………...
...................
….………...
But : les alternateurs sont des générateurs de courants (tension)
alternatifs. Ils transforment une énergie mécanique (rotation d’une
turbine) en travail électrique (électricité).
….………...
Principe : la source d’énergie primaire (vapeur d’eau sous pression dans
les centrales thermiques ou nucléaires, eau ou vent dans les centrales
hydrauliques ou éoliennes) fait tourner la turbine (en gris) ainsi que l’axe
et le rotor qui lui sont solidaires.
La rotation d’aimants induit une fém et un courant alternatifs dans les
bobines fixes.
Principe (2min10) : https://www.youtube.com/watch?v=0j2uS78H8Qs
Pour tout savoir (5min19 si temps) : https://www.youtube.com/watch?v=tiKH48EMgKE
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2)
Transformateurs
But : transférer l’énergie d’une bobine primaire à
une bobine secondaire en faisant varier les
grandeurs électriques.
Principe : deux bobines comportant N1 et N2 spires
sans aucun lien électrique entre elles, sont enroulées
autour d’un noyau ferromagnétique refermé sur luimême. Une tension sinusoïdale u1 de valeur maximale
U1 est appliquée aux bornes de l’une des bobines
appelée « primaire ». Cela induit un champ
magnétique alternatif dans le noyau de fer où il se
trouve canalisé. Les variations de flux au niveau de
l’autre bobine appelée « secondaire » y induisent une
fém sinusoïdale u2 de valeur maximale U2.
Lorsque le transformateur est en fonctionnement
(idéal), des courants sinusoïdaux d’intensité i1 et i2 (de
valeurs maximales I1 et I2) passent dans le primaire et
le secondaire.
Le rendement des transformateurs est excellent et dépasse 99 %. Ainsi, si on néglige les pertes, la puissance est transmise
intégralement, U2.I2 = U1.I1
Les grandeurs précédentes sont alors liées le « rapport de transformation » :
U 2 I1 N 2


U 1 I 2 N1
Principe (36s à 3min08) : https://www.youtube.com/watch?v=vh_aCAHThTQ
a) transformateurs élévateurs (de tension)
Ils comportent plus de spires au secondaire qu’au primaire : N2 > N1 donc U2 > U1 : la tension secondaire est donc plus élevée que
celle de départ.
Ex : transport d’énergie électrique : le rôle de ces transformateurs est d'élever la tension électrique à la sortie des centrales
électriques. En effet, le passage d'un courant électrique dans un câble occasionne des pertes d'énergie, une partie de l'énergie
électrique est dissipée en chaleur par effet joule. Afin de limiter ces pertes d'énergie, il est nécessaire de diminuer l'intensité du
courant donc d'augmenter la tension aux bornes de la ligne.
Animation : http://www.cea.fr/multimedia/Pages/animations/energies/de-la-centrale-a-la-ville.aspx
b) transformateurs abaisseurs
Ils comportent moins de spires au secondaire qu’au primaire : N2 < N1 donc U2 < U1 : la tension
secondaire est donc moins élevée que celle de départ ce qui peut être utile pour des questions de
sécurité (230 V pour la tension des prises électriques, 12 V pour de nombreux objets de notre
quotidien : jouets, téléphones portables, console de jeux…).
Un autre intérêt est l’obtention de grandes intensités possibles au secondaire puisque I2 = I1*(N1 / N2 ) > I1 :
les applications sont la soudure par point et le four à induction. En effet, la grande intensité dans le petit
nombre de spires du secondaire suffit à faire fondre les métaux en contact (soudure) ou à l’intérieur (four).
Vidéo (1min40) : https://www.youtube.com/watch?v=BZLmD3SOR_Y
c) transformateurs d’isolement
Ils permettent d’isoler un circuit d’un autre pour des raisons techniques (attendre la partie « électricité » du
cours). Leur rapport de transformation est égal à 1. Les tensions primaires et secondaires sont donc égales.
3) Courants de Foucault
Ce sont des courants induits qui apparaissent dans des conducteurs lors des variations de flux magnétique.
a) Inconvénients
Les courants de Foucault prennent naissance dans les carcasses métalliques des moteurs, des transformateurs, des alternateurs…
L’échauffement par effet joule (à cause de la résistance électrique) qui en résulte constitue une perte d’énergie, ce qui diminue le
rendement de ces appareils.
b) mise à profit
 Plaque à induction
Une plaque à induction produit un champ magnétique sinusoïdal à 50 kHz. Ce champ induit des courants de Foucault dans la
casserole (surtout le fond). Le fond de la casserole doit être suffisamment résistif pour que le courant induit génère de la chaleur par
effet joule ce qui chauffe le contenu.
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Intérêt : La surface de la plaque reste presque froide, chauffée uniquement
(par conduction) par le récipient. Il y a donc moins de risques de se brûler
en touchant la plaque après retrait de l'ustensile. Les parois du récipient
sont aussi moins chauffées, ainsi que le couvercle éventuel.
Le nettoyage de la surface vitrocéramique est facilité car, en cas de
débordement, les salissures ne brûlent pas sur la plaque qui chauffe peu.
Les plaques à induction sont très intéressantes en cuisine, car elles n'ont
pas d'inertie thermique du fait qu'il n'y a pas d'intermédiaire et que la
chaleur est directement produite dans le fond du récipient. Lorsque l'on
coupe l'alimentation électrique, ou qu'on retire le récipient, la chauffe
cesse immédiatement.
Elles sont aussi intéressantes car il n'y a pas d'émission de chaleur ailleurs
que dans la casserole ainsi qu'une moindre déperdition énergétique et donc
une moindre dispersion de chaleur dans la cuisine.
Le rendement d'une plaque à induction est excellent : entre 80 et 90 %.
A l’intérieur d’une plaque à induction (6min17) :
https://www.youtube.com/watch?v=OIAR11kJZlg
 Freinage
Lorsque le chauffeur de camion appuie
sur la pédale de frein, il alimente en
courant les bobines des électroaimants.
Le flux variable résultant, traverse le
disque dans lequel apparaît des courants
de Foucault induits. Ces courants
génèrent des forces de Laplace qui
s’opposent à la rotation du disque et
freinent le camion.
Les camions et les vélos
de salon et certains trains
rapides (TGV) possèdent
un frein à courant de
Foucault.
Principe (1min50) :
https://www.youtube.com/watch?v=1ew
hzD2mo8A
Effet spectaculaire (2min
à 5min 26) :
https://www.youtube.com
/watch?v=PARIvZw4Ag8
Expérience du
cours (2min02) :
https://www.youtube.com
/watch?v=xOXwk6XtabE
 Supraconducteurs et effet Meissmer
L’aimant tient en suspension au-dessus de la
céramique du fait de l’apparition d’un courant
induit qui provoque un champ magnétique qui
s’oppose à l’aimant (effet Meissmer).
Une des applications les plus prometteuses des
supraconducteurs est le train à lévitation
magnétique ou train Maglev (Maglev pour
magnetic levitation en anglais). Ce type de train
est maintenu en lévitation par effet Meissner: il
est équipé de boucles de matériaux
supraconducteurs qui lui permettent de léviter
sous l'action des aimants placés sur la voie. Le
train ne touche donc pas les rails: il reste
suspendu à quelques centimètres du sol.
Pour en savoir plus : l'effet Meissner est l'exclusion totale de tout flux magnétique de l'intérieur d'un supraconducteur.
L'exclusion du flux magnétique est due à des courants électriques d'écrantage qui circulent à la surface du supraconducteur et qui
génèrent un champ magnétique qui annule exactement le champ appliqué. Ces courants d'écrantage apparaissent quand un matériau
supraconducteur est soumis à un champ magnétique.
En effet, si l'on refroidit un matériau supraconducteur en présence d'un champ magnétique, le champ est expulsé au moment de la
transition supraconductrice. En fait, l'effet Meissner ou diamagnétisme parfait est la propriété caractéristique principale d'un
supraconducteur. Mais, cela ne peut se comprendre seulement par le fait que la résistance électrique d'un supraconducteur est nulle :
les courants de Foucault induits par les mouvements ultérieurs du matériau dans le champ magnétique, ne sont pas atténués.
Explication (5min03) : https://www.youtube.com/watch?v=2E6_6IELvKw
Idem avec guidage (2min37) : https://www.youtube.com/watch?v=GHtAwQXVsuk
Guitare électrique (30s) : http://videosphysique.blogspot.fr/2011/06/guitare-electrique-induction.html
La dynamo du vélo (1min47) : https://www.youtube.com/watch?v=a4pOJONgUe4
Et la lampe Flashlight : (1min27) : https://www.youtube.com/watch?v=gfJG4M4wi1o
Mise en mouvement par induction (1min02) : https://www.youtube.com/watch?v=s38vCA7T2co
Loi de Faraday (aide pour l’ex 2) (16s) : https://www.youtube.com/watch?v=6NDztGfWpe4
Animations pour s’amuser : (Loi de Faraday, transformateur et alternateur) http://phet.colorado.edu/en/simulation/generator