PC 13/14 TD INDUCTION AC1 : Loi de Lenz On considère une spire circulaire (C) fixe, conductrice de résistance R soumise à un champ magnétique extérieur uniforme variable et orthogonal à la surface du circuit B(t) = Bz (t)ez . € Déterminer le sens du courant induit dans la spire sachant que Bz (t) est une fonction croissante du temps. Que peut-on dire si Bz (t) est une fonction décroissante ? € Que peut-on dire si Bz (t) est une fonction quelconque ? Peut-on traduire la loi de Lenz par : « le courant induit crée un champ magnétique qui € s’oppose au champ magnétique extérieur » ? € AC2 : Spire soumise à un champ magnétique variable Un solénoïde d’axe (Oz), suffisamment long pour que les effets de bord soient négligeables, comporte n spires par unité de longueur parcourues par un courant d’intensité I(t). Les spires de ce solénoïde sont circulaires de rayon a. Un circuit filiforme en forme de spire unique de rayon b et de résistance R entoure ce solénoïde. 1. Rappeler l’expression du champ magnétique créé par le solénoïde. 2. Déterminer le courant i(t) circulant dans la spire en fonction de I(t). 3. Vérifier la validité de la loi de Lenz AC3 : Inductance propre d’une bobine On reprend le même solénoïde qu’à AC2 et on en considère une longueur . Il n’y a plus la spire extérieure de rayon b. 1. Déterminer successivement : - le flux ϕ à travers une spire quelconque du solénoïde - le flux propre à travers toutes les spires de la tranche de longueur - l’inductance propre correspondante 2. Déterminer l’énergie emmagasinée de deux manières différentes. Exercice 1 : Pince Ampèremétrique Sur la notice de fonctionnement d’une pince Ampèremétrique de la marque ChauvinArnoux, on peut lire l’extrait suivant : 1. Justifier la relation indiquée dans le texte et donner les hypothèses implicites 2. Doit-on tenir compte des phénomènes d’auto et de mutuelle induction dans ce dispositif ? Pourquoi ? 3. Proposer un circuit électrique plus réaliste pour illustrer l’intégration du signal. 4. Pourquoi ce dispositif n’est-il pas adapté pour mesurer des courants continus ? Proposer un type de capteur permettant d’accéder à la mesure de courants continus. Exercice 2 : déplacement d’un aimant Un petit aimant est déplacé de haut en bas devant un bobinage relié à un oscilloscope. La manipulation est représentée sur les photos ci-dessous. Commenter les courbes obtenues. Exercice 3 : Chauffage par induction Le champ magnétique B(t) = B0 cos(100πt)ez est uniforme dans le cylindre (non conducteur) de rayon a et nul en dehors. Un disque troué en Cuivre, de conductivité € γ , de rayon b et d’épaisseur e entoure le cylindre. On donne γ =5,9.10-7 S.m-1. On négligera le phénomène d’auto-induction. 1. Quelles dimensions maximales (on ordre de grandeur) doit-on donner au conducteur pour que l’effet de peau ne soit pas limitatif ? 2. Justifier que le champ électrique dans le conducteur est de la forme E = E(r, z, t)eθ . 3. Calculer la puissance moyenne perdue par effet Joule dans le disque conducteur. € Exercice 4 : Freinage par courants de Foucault Un disque métallique de rayon a, d’épaisseur e et de conductivité électrique γ est en rotation uniforme autour de son axe Oz à la vitesse angulaire ω0. A partir de l’instant t = 0, on impose un champ magnétique constant et uniforme B = B0 ez . 1. Déterminer la densité volumique de courants j( M, t) dans le métal. On admettra que le potentiel électrique est nul dans le conducteur, ce qui revient à supposer que € celui-ci reste localement neutre et on négligera le phénomène d’auto-induction. € 2. En déduire, par une méthode énergétique, l’évolution de la vitesse angulaire ω(t). On notera J le moment d’inertie du disque par rapport à son axe. 3. On note τ le temps de relaxation et on suppose que le mouvement du disque est totalement arrêté pour une durée de l’ordre de 5τ. Déterminer l’intensité du champ magnétique nécessaire à un arrêt au bout de 5 secondes. On donne, pour un disque en cuivre : µCu = 8,96.103 kg.m-3 et γCu = 5,96.107 S.m-1 4. Le système de freinage ne produit pas un champ magnétique uniforme sur le disque mais localisé sur une zone limitée de ce disque grâce à un électroaimant (figure cidessous). Commenter. Exercice 5 : Mesure d’un coefficient d’inductance mutuelle On considère deux bobines identiques, formées de N spires circulaires de rayon R (bobines plates bobinées sur une seule épaisseur), d’inductance L, que l’on place de telle façon que les deux bobinages soient coaxiaux, avec le même sens d’enroulement, la distance entre leurs centres étant repérée le long de l’axe commun Oz par la longueur d. On se propose de mesurer le couplage entre les deux bobines en envoyant dans l’une d’elles, dite la première, une tension triangulaire et en comparant à l’oscilloscope cette tension avec la tension induite dans l’autre, celle-ci étant en circuit ouvert. On a branché en série entre le générateur de fonction et la première bobine une résistance R′ = 100 Ω. On néglige la résistance R des bobines. 1. Faire le schéma du montage 2. Les traces observées à l’oscilloscope ont l’allure suivante : Les réglages de l’oscilloscope sont les suivants : ➜ balayage horizontal : 0,2 ms/div ➜ trace supérieure : 1 V/div ➜ trace inférieure variable (voir tableau). En faisant varier la distance d entre les bobines, on observe pour l’amplitude crête à crête A du signal induit, mesurée en divisions de l’écran, les valeurs suivantes : Calibre d (cm) A 0,01 V/div 4 5 6 4,3 3,3 2,6 5 mV/div 7 8 10 4,3 3,4 2,3 2 mV/div 12 16 4,0 2,1 1 mV/div 20 2,4 2.a. Ecrire les équations électriques du circuit. 2.b. Etablir l’expression de l’inductance mutuelle M entre les deux bobines en fonction de la période T du signal d’entrée, de son amplitude crête à crête ∆e, de l’amplitude crête à crête A du signal induit et de la résistance R′. (on pourra utiliser le fait que la tension induite est visiblement un carré « parfait ») 2.c. Calculer alors, en mH, l’inductance mutuelle entre les deux bobines pour chaque valeur de d. Exercice 6 : Principe d’un alternateur Un alternateur est constitué d’un cadre carré, de côté a = 10 cm, plongé dans un champ magnétique uniforme et constant créé par un aimant permanent. Ce cadre, qu’un opérateur extérieur fait tourner à une vitesse angulaire ω constante, est relié électriquement (grâce à un système appelé balais) à un oscilloscope qui permet de visualiser la tension aux bornes de l’alternateur. 1. Expliquer le fonctionnement du dispositif 2. Etablir l’expression du flux du champ magnétique à travers le cadre et en déduire la fem induite. 3. On double la vitesse angulaire. Que devient l’oscillogramme ? 4. Les calibres de l’oscilloscope sont 1V/div et 5 ms/div. Estimer la norme du champ magnétique créé par l’aimant. Exercice 7 : Freinage par induction Une spire carrée de côté a, de masse m, tombe dans le champ de pesanteur. Dans le demi-espace x > 0, règne un champ magnétique uniforme et permanent B = B0 ez . A l’instant t = 0, la spire se trouve dans la situation représentée sur la figure ci-contre, sa vitesse est € en x = 0. v(0) = v 0 ex et son côté inférieur est 1. Mettre en place une analyse qualitative de la situation et dégager deux phases distinctes. € 2. Justifier que le mouvement de la spire reste vertical. 3. On suppose que la spire admet une résistance R et on néglige le phénomène d’autoinduction. Déterminer la loi de vitesse v(t) de la spire dans la 1ère phase. Que peut-on dire de l’évolution de la vitesse dans la phase 2 ? 4. On suppose maintenant que la spire est dans un matériau supraconducteur : sa résistance électrique est nulle. On ne peut plus négliger l’auto-induction de la spire et on note L son inductance propre. Reprendre l’étude de la question 3 et préciser la condition d’oscillation de la spire. Exercice 8 : Barre mobile sur un rail circulaire Une barre conductrice est mobile sur un fil circulaire conducteur. Le circuit est fermé par un fil. La barre, de masse m et de longueur , est lâchée à l’instant t = 0, l’angle θ0(0) étant petit, dans le champ magnétique B = B0 ez . La liaison avec l’axe est parfaite. La résistance de la barre est notée R, les résistances des autres éléments du circuit étant négligeables. € 1 On donne le moment d’inertie de la barre J = JOz = m 2 3 1. Effectuer une analyse qualitative de la situation. 2. Déterminer le mouvement de € la barre. 3. Effectuer un bilan énergétique.