Montage n° 18 Expériences portant sur les

Montage n° 18
Expériences portant sur les phénomènes d'induction et d'auto-induction ;
applications.
Introduction
En 1820, Oersted découvre par hasard qu’un fil parcouru par un
courant dévie l’aiguille aimantée d’une boussole. Donc, un courant qui
traverse un conducteur crée donc un champ magnétique.
Vers 1822, A.M. Ampère étudie l’influence des courants sur les
aimants. Il remarque qu’un petit anneau de cuivre placé à l’intérieur
d’une bobine de fil enroulé en hélice, était parcouru par un courant
dès qu’elle était reliée à une pile de Volta.
Nous sommes maintenant en 1830, Faraday a pris connaissance des
travaux d’Ampère sur l’influence des courants sur les aimants. Déjà, il
a réussi à créer des courants dans une bobine en introduisant puis en
retirant un barreau aimanté à l’intérieur de celle-ci. Il enroule alors un
fil de cuivre isolé autour d’un cylindre de bois. La bobine ainsi
constituée est reliée à une pile de Volta. Autour du même cylindre, il
bobine un autre fil de cuivre. Cette seconde bobine est connectée à
un galvanomètre (petit appareil* permettant de mettre en évidence la
présence d’un courant). Le montage est représenté ci-contre. Lorsqu’il
connecte la pile, il s’aperçoit que l’aiguille du galvanomètre dévie puis revient à sa position de
repos. De même, lorsqu’il déconnecte la pile, l’aiguille dévie dans
l’autre sens, puis revient à sa position initiale. Faraday met en évidence le phénomène
d’induction électromagnétique, c'est l'expérience réciproque : un champ magnétique crée un
courant dans un conducteur placé dans ce champ.
I. Phénomène d’induction
I.1 Mise en évidence du phénomène d’induction [2]
Un oscilloscope est branché aux bornes de la bobine (circuit ouvert !!! on ne parlera donc que de
fem induite). On peut fermer le circuit si on veut parler de courant induit en ajoutant une résistance et en
mettant l’oscillo aux borne de la résistance pour visualiser I.
• On approche rapidement l’aimant de la bobine par l’un de ses pôles. On observe une
ddp aux bornes de la bobine.
• On retire rapidement l’aimant : ddp inverse
• Si l’aimant est immobile : rien ne se passe.
Conclusion : c’est la variation d’un champ magnétique de l’inducteur qui entraine l’apparition
d’une fem induite aux bornes de la bobine que l’on appelle l’induit.
• On fait tourner l’aimant : on approche alternativement le pôle sud et le pôle nord de
l’aimant. Lors de la rotation de l'aimant (inducteur), la bobine sera soumise à un champ
magnétique variable.
Conclusion :
Lors de la rotation de l'aimant,
une tension alternative est
détectée avec les
propriétés suivantes :
- sa fréquence est égale à la
fréquence de rotation de l'aimant
( tour/seconde );
- son amplitude augmente avec la
fréquence de rotation de l'aimant.
Remarque : on peut faire
l’expérience inverse : inducteur fixe, induit mobile. Le résultat sera le même.

Pour déplacer l’aimant, il faut fournir de l’énergie mécanique. Celle-ci est convertie en énergie électrique
dans l’induit. C’est le principe qui est utilisé dans le fonctionnement des alternateurs.(dynamo de
bicyclette, rechargement des batteries dans une voiture). Une application inverse est le moteur
électrique : on transforme de l’énergie électrique en énergie mécanique.
I.2 Loi de Lenz
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♦ Expérience
Un ampèremètre à aiguille est branché en série avec une bobine. Un aimant droit, placé devant
la bobine sera mis en mouvement.
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♦ Observations
Lorsque l'aimant s'approche de la
bobine, un courant prend naissance
dans la bobine dont le sens est donné
par la figure ci-dessus.
Si on inverse un seul des paramètres
suivants :
• sens de l'aimant,
• sens de déplacement,
• sens d'enroulement de la
bobine,
alors le courant change de sens.
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♦ Interprétation
La variation du champ B à travers la bobine entraîne la circulation d'un courant induit qui
s'oppose à la cause qui lui a donné naissance. Ce courant va donc créer un champ magnétique
qui va s'opposer aux variations de B.
Le déplacement de l'aimant produit une augmentation du champ B vers le fond de la figure, la
bobine réagit en créant un courant qui donne un champ magnétique vers l'avant de la figure.
La règle du tire-bouchon nous confirme le sens du courant induit.
Remarque : Si le circuit est fermé, c'est la fém d'induction e qui est responsable du courant induit i. Si le
circuit a une résistance R, on a alors e = R.i .
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♦ Loi de Lenz
Le courant induit, par ses effets, s'oppose à la cause qui lui a donné naissance.
La loi de Lenz permet de trouver le sens du courant induit. Pour un circuit ouvert, la loi de Lenz permet
aussi de trouver le sens de la fém e ( le potentiel le plus fort sera sur la borne où sortira le courant induit
: convention générateur ).
I.3 Loi de Faraday [1 p.71] [2 p.73]
On alimente la grosse bobine avec un signal
triangulaire. Une bobine parcourue par un courant
est le siège d’un champ magnétique. Comme le
courant est variable, le champ magnétique sera
variable. Cette bobine sera notre inducteur.
On introduit dans l’inducteur, une bobine de plus
faible diamètre.
On observe la fem aux bornes de la bobine n°2 (la
plus petite) et le courant circulant dans l’inducteur.
L1 : N
1
, ℓ
1
L2 : N
2
, ℓ
2
R=300Ω >> r
bob
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♦♦
♦ Observations :
• Une fem induite aux bornes de la bobine 2,
l’inducteur. Ce signal est carré.
• Plus on introduit un nombre de spire important de L2 à l’intérieur de L1, plus la valeur
Umax de la fem aux bornes de L2 augmente.
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♦ Théorie :
• Pour un solénoïde infini : B
1
= µ
0
i = µ
0

Alimentation
• Flux dans l’inducteur : φ
1
= N
1
B
1
.S
1
• Flux dans l’induit : φ
2
=N
2
.B
1
.S
2
• loi de Faraday : e
2
= - = - µ
0
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♦ Valeurs expérimentales :
• la dérivée d’un signal triangulaire est bien un carré. On vérifie le signe -.
• On mesure (pente du signal sur Y1)
• On mesure e
2exp
= ½ signal crête à crête sur Y2
• On calcule e
2théo
et on comparer les 2 valeurs.
I.4 Applications
I.4.1 ralentissement par courants de Foucault [1 p.72] [2 p.68 et 77]
Ce type de ralentisseur, utilisé sur les camions et les autocars, ne permet pas l’arrêt complet du
véhicule. Il est d’autant + efficace que la vitesse est
élevée. Ce système est utilisé en complément du
système de freinage classique.
Sans alimentation : la plaque métallique oscille.
Avec une alimentation de 2A, la plaque ralentit. (il y a
création de courants induits dans la plaque métallique en
mouvement dans un champ magnétique constant.
Ces courant tendent à s’opposer à la cause qui
leur a donné naissance (loi de Lenz), donc ils
s’opposent au déplacement de la plaque. D’où un
ralentissement de la plaque.
Si on présente l’autre partie de la plaque qui est
feuilletée, les courants de Foucault diminuent.
Donc si on veut diminuer les courants de
Foucault, qui sont souvent indésirables car ils
occasionnent des pertes par effet joule notamment, il suffit de
feuilleter le matériau (car les courants de Foucault sont des courants volumiques). Application :
feuilletage du noyau de fer doux dans les transformateurs. Dans d’autres cas, ils sont
souhaitables (ralentisseur comme on vient de le voir) : par exemple : cuisson par induction : les
courants de Foucault provoquent un échauffement.
I.4.2 Chauffage par induction [3 p.494]
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♦♦
♦ Protocole : on utiliser un noyau de fer doux
d’un transformateur. On monte une bobine de 250
spires au primaire que l’on alimente en alternatif
(pour obtenir un champ B variable et créer le
phénomène d’induction).
Au secondaire, on met une spire
dans laquelle on a mis un fil d’étain.
Aucun contact entre la spire et le
noyau de fer doux.
Dès qu’on alimente le primaire,
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♦♦
♦ Observation : le fil d’étain fond.
♦
♦♦
♦ interprétation : l’apport d’énergie
pour permettre au fil de fondre est
apporté par effet joule. En effet, au

primaire, on génère un champ magnétique de flux φ=N
1
BS. Ce flux est canalisé par le noyau de
fer doux et est transmis au secondaire. Il se créé des courants induits tels que
i
2
=-i
1
.N
1
/N
2
, donc 250 fois supérieurs au courant du primaire. D’où une grande énergie dissipée
par effet joule.
C’est ce principe qui est utilisé pour les transformateurs : il est alors possible d’élever ou
d’abaisser la tension ou le courant.
II. Phénomène d’auto-induction
II.1 Mise en évidence [1 p.74] [2 p.78]
Cette expérience permet d'observer la différence de comportement entre une résistance et une bobine
lors d'une apparition brutale de tension. Une lampe branchée en série avec chaque dipôle ( la résistance
et la bobine ) permettra d'observer l'établissement du courant lors de la fermeture de l'interrupteur.
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♦ Matériel : 2 lampes, un rhéostat, une bobine
avec noyau de fer, 1 interrupteur
Plusieurs précautions : utiliser une bobine de forte
inductance pour avoir τ=L/R le plus grand possible
(avec un noyau de fer), et placer en parallèle un
rhéostat réglé de telle façon que sa résistance soit
égale à la résistance interne de la bobine. On
utilisera deux lampes identiques.
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♦♦
♦ Observation : A la fermeture de l'interrupteur K,
la lampe L2 dans la branche inductive présente un
retard à l’allumage par rapport à L1 dans la
branche résistive qui elle, s'allume instantanément.
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♦♦
♦ Interprétation : Lors de la fermeture de l’interrupteur, l'augmentation de l'intensité dans la
bobine engendre une augmentation du champ magnétique. Il y a variation du flux magnétique,
donc un phénomène d'induction et la création de courants induits qui s’opposent au courant qui
lui a donné naissance (loi de Lenz). La bobine s'oppose donc à la variation du champ
magnétique qu'elle crée elle-même; d'où le terme auto-induction. Ce phénomène ne se produit
qu’à la fermeture de l’interrupteur, donc uniquement en régime transitoire. On voit bien qu’en
régime permanent, les 2 lampes brillent à l’identique.
♦
♦♦
♦ Inductance de la bobine ou coefficient d’auto-induction
B = µ
0
i φ= NBS e= - = - µ
0
= - L L=µ
0
avec L en Henry (H) ; S en mètres carrés (m2) ; l en mètres (m) et µ0 = 4π.10-7 H.m-1
Exemple : Une bobine de longueur l = 50cm, de diamètre D petit devant l et comportant N = 500
spires de surface S = 10cm
2
a une inductance : L= 628 µH.
II.2 Application : bobine de lissage [2 p.78]
II.2.1 Redressement double alternance d’une tension sinusoïdale
matériel : transformateur (et non GBF pour éviter les problèmes de masse), pont de diodes,
Rc=1kΩ. Visualiser la tension aux bornes de la résistance.
(on fait le montage ci-dessous) Y

II.2.2 Lissage du courant
Prendre Rc=33Ω.
On rajoute une bobine. Une bobine
s’oppose aux variations de courant, ce qui va permettre d’atténuer l’ondulation du courant. Le
fait de lisser le courant i circulant dans Rc provoque le lissage de la tension aux bornes de Rc.
(on prendra une bobine à noyau L=1H au départ. On fera varier L par la suite, pour montrer
l’influence de la variation de L sur le lissage)
Conclusion
Les phénomènes d’induction et d’auto-induction sont largement exploités, que ce soit en
électrotechnique (machines tournantes, transformateur) et en électronique (lissage, filtrage). Le
phénomène d’induction est aussi à l’origine du chauffage par induction, du microphone et des
haut-parleurs.
BIBLIO
• Expériences de physique – Duffait – ed Bréal [1]
• Montages de physique – Bellier – ed Dunod [2]
• Quaranta – électricité - transformateurs[3]
Questions
Q1 : démontrer la loi de Lenz à partir des équations de Maxwell
R1 :    (Stokes)
(Maxwell Faraday)
e= = -
Q2 : les phénomènes d’induction et d’auto-induction peuvent-ils avoir lieu dans des isolants ?
R2 : non car il faut qu’il y ait une mise en mouvement des charges., donc un matériau
métallique.. ça ne fonctionne donc pas dans le cas des isolants.
Q3 : B=µ
0
n I. quelles hypothèses sont faîtes ?
R3 : solénoïde infini
Q4 : freinage par courants de Foucault. Pourquoi y a-t’il freinage ?
R4 : il faut que B soit perpendiculaire à la plaque à freiner.
Q5 : quand parle-t’on d’auto-induction ?
R5 : quand on peut confondre inducteur et induit.
Q6 : que peut-on faire pour augmenter L ?
R6 : jouer sur les dimensions de la bobines ou ajouter un noyau de fer doux (µ
0
devient µ
0
µ
r
)
Q7 : discuter la différence de signe dans l’expérience n°1