AUTO – INDUCTION ET BOBINES

AUTO – INDUCTION ET BOBINES
I ) Induction
1) Mise en évidence du phénomène d'induction
Le phénomène d’induction est l’apparition d’un courant électrique à l’intérieur d’un circuit ne
comportant pas de générateur.
N
S
Lorsqu'on déplace un aimant au voisinage d'une
bobine, on observe une déviation du voltmètre, il
apparaît donc aux bornes de la bobine une tension
induite.
V
Autre expérience.
G
Solénoïde
inducteur
On alimente un solénoïde à l'aide d'un générateur
Bobine de courant alternatif, on observe alors une
induite déviation du voltmètre situé aux bornes de la
bobine placée à l'intérieur du solénoïde.
V
2) Interprétation :
La variation dans le temps du champ magnétique (obtenu en déplaçant un aimant, ou en
alimentant un solénoïde avec un courant variable) engendre une force électromotrice induite
repartie le long du circuit induit qui se traduit par :
- Une différence de potentiel induite, si le circuit induit est ouvert.
- Un courant induit, si le circuit est fermé.
3) Loi de Lenz :
Le sens du courant induit est tel qu’il tend par ses effets, à s’opposer à la cause qui lui a
donné naissance.
La cause qui donne naissance au phénomène est la variation du champ magnétique.
→
- Quand le champ B augmente le courant induit engendre un champ B' de sens opposé
→
à B.
→
- Quand le champ B diminue le courant induit engendre un champ B' de même sens que
→
B.
→
→
B′
→
B′
B
→
B
i
i
Si B augmente
Si B diminue
La force électromotrice induite est proportionnelle à la vitesse de variation du champ
magnétique.
II) Auto-induction
1) Mise en évidence
R
L1
G
bobine
L2
K
Lorsque l'on ferme l'interrupteur K, la lampe L1 s'allume instantanément, alors que la lampe
L2 s'allume avec un retard de quelques secondes.
2) Interprétation
Lorsqu’un courant variable circule dans un circuit comportant une bobine, il crée un champ
magnétique variable.
Cette variation s’accompagne de la production d’une force électromotrice induite appelée
force électromotrice d’auto-induction.
Le courant d’auto-induction tend à s’opposer aux variations du courant qui lui donne
naissance.
Une bobine tend donc à s’opposer à l’établissement et à l’annulation du courant.
3) Expression de la force électromotrice d’auto-induction.
La force électromotrice d’auto-induction e est proportionnelle à la dérivée de l’intensité du
courant dans le circuit. Ainsi :
e = - L
di
dt
L représente l’inductance du circuit et s’exprime en Henry (H)
Inductance d’un solénoïde
L’inductance d’un solénoïde est donnée par la formule :
L =
µ
0
N² S
N : nombre de spires du solénoïde
: longueur du solénoïde
S : surface d’une spire
0 = 4
10 - 7 SI
µ
π
4) Tension aux bornes d’une bobine
Soit r est la résistance interne de la bobine et L son
inductance.
Le sens positif du courant est choisi arbitrairement.
di
- ri
dt
On a :
di
u2 = r i - e = r i + L
dt
u1 = e - r i = - L
Remarque :
En courant continu (i = constante), en régime permanent, on a alors
di
= 0.
dt
La bobine se comporte alors comme un résistor pur
5) Energie emmagasinée
Lorsqu’une bobine est traversée par un courant i, elle emmagasine de l’énergie.
L’énergie emmagasinée est donnée par la relation : E =
1
L i²
2
6) Etablissement du courant aux bornes d'un solénoïde
(+)
Montage :
K
E
L
UL
R
UR
Lorsque l'on ferme l'interrupteur K, le générateur établit une tension constante E aux bornes
d'un circuit comportant une bobine d'inductance L et de résistance négligeable et un résistor
de résistance R.
D'après la loi des mailles, on a : E = UR + UL
D'après les conventions choisies (voir schéma), on a UR = R i et U L = L
E = Ri + L
Ainsi, on aura :
di
dt
di
dt
équation différentielle du circuit.
La solution de cette équation différentielle est si l'on choisit t = 0 au moment où l'on ferme
l'interrupteur K (début du phénomène) :
E
i=
R
Le rapport
τ=
R
- t

1 - e L






L
est appelé constante de temps du circuit.
R
L'allure de la courbe donnant l'intensité i en fonction du temps sera donc :
i
E
R
Régime
transitoire
Régime
permanent
O
t
Le phénomène se décompose en deux phases :
• Une phase transitoire où la bobine par autoinduction crée un courant induit qui s'oppose
au passage du courant imposé par le générateur.
On dit que la bobine s'oppose à l'établissement du courant.
• Une phase permanente où la bobine se comporte comme un résistor.
Influence de l'inductance :
La durée d'établissement du courant augmente avec la valeur de l'inductance.
Si on fait l'expérience avec deux bobines d'inductances L1 et L2 avec L2 > L1, on aura :
i
E
R L
1
L2
O
t
7) Rupture du courant dans un solénoïde
(+)
Montage :
E
L
UL
2
R
1
UR
On
recommence l'expérience précédente, on laisse le régime permanent s'établir, et à l'instant t
= 0, on bascule l'interrupteur de la position 1 à la position 2
D'après la loi des mailles, on a : 0 = UR + UL
D'après les conventions choisies (voir schéma), on a UR = R i et U L = L
Ri + L
Ainsi, on aura :
A la date t = 0, on a i =
di
= 0
dt
di
dt
équation différentielle du circuit.
E
R
R
E -Lt
e
La solution de cette équation différentielle est i =
R
Le rapport
τ=
L
est appelé constante de temps du circuit.
R
L'allure de la courbe donnant l'intensité i en fonction du temps sera donc :
i
E
R
Régime
transitoire
Régime
permanent
O
t
Le phénomène se décompose en deux phases :
• Une phase transitoire où la bobine par autoinduction crée un courant induit dans le
même sens que celui qui était imposé par le générateur.
On dit que la bobine s'oppose à la rupture du courant.
• Une phase permanente où le courant circulant dans le circuit est nul.