Démonstrations de cours

Expériences de cours concernant l’induction électromagnétique et les ondes
Mise en évidence de l’induction
On met en évidence plusieurs façons de créer une FEM dans une bobine (Fig. 1):
(a) Deux bobines sont disposées côte à côte sur le même axe. A l’enclenchement du courant dans
une des bobines, on mesure une tension aux bornes de l’autre bobine.
(b) On maintient un courant constant dans la bobine primaire et on déplace une des bobines.
(c) On introduit/retire rapidement un aimant permanent à l’intérieur de la bobine.
Moteurs et générateurs électriques
Le montage 2 est constitué d’un électroaimant (stator) et d’une bobine montée sur un axe (rotor)
dans l’entrefer de l’aimant. En modifiant le branchement des divers éléments, le montage peut
fonctionner dans différents modes: 1 = Générateur DC (dynamo), 2 = Générateur AC, 3 = Moteur
AC série, 4 = Moteur DC série, 5 = Moteur DC parallèle
Figure 1: Mise en évidence de l’induction.
Figure 2: Moteur de démonstration.
Induction par déplacement d’un fil en boucles
Un long fil forme une boucle connectée à un ampèremètre sensible. Ce dernier indique qu’un
courant circule (et donc une force électromotrice) qui fluctue quand on bouge la boucle dans le
dΦ
champ magnétique terrestre. Cela est exprimé par la loi de Lenz-Faraday V = − . On peut
dt
faire varier le flux Φ du champ magnétique dans la boucle en modifiant son orientation par rapport
à la direction du champ magnétique terrestre, ou en modifiant sa surface. Pour avoir un effet plus
important, on utilise un aimant permanent. Avec cet aimant on peut aussi vérifier la troisième
possibilité qui nous permet de changer Φ: par le changement de l’intensité du champ magnétique.
Cela peut s’obtenir en rapprochant ou en éloignant l’aimant de la boucle.
Figure 3: Le dispositif expérimental consiste simplement en un fil en boucles relié à un ampèremètre.
Freinage magnétique (courant de Foucault)
On fait osciller une plaque métalique entre les pôles d’un puissant aimant. On observe que la plaque
s’arrête rapidement. Ceci est dû au courant induit par la variation de flux (courant de Foucault)
et à la force magnétique sur ce courant. Cette force agit dans le sens opposé au mouvement de la
plaque. Ce type de freinage magnétique est utilisé sur les poids lourds.
Une plaque pleine s’arrête dès le premier passage entre les pôles tandis qu’une plaque segmentée
en forme de peigne s’arrête après 3 ou 4 passages. Dans ce dernier cas, les courants induits sont
confinés dans l’épaisseur des lames individuelles. Le courant moyen est inférieur à celui circulant
dans une plaque pleine.
Soudure par points
La figure 4 présente le dispositif. On applique une tension alternative de 1 = 230 V sur un
bobinage primaire de 500 spires (à droite). Aux bornes du bobinage secondaire qui comporte 5
spires, la tension vaut alors
N2
· 1 = 2.3 V
2 =
N1
La résistance de l’enroulement secondaire est inférieure à 0.01 Ω. La résistance du circuit
secondaire est donc dominée par celle du matériau à souder. Si celle-ci est de 0.1 Ω, la puissance
de chauffage au point de soudure vaut :
P =
22
= 53 W
R
Notez que les i sont des tensions effectives.
Fusion par induction
La figure 5 présente le dispositif. On applique une tension alternative de 220 V sur un bobinage
primaire de 500 spires. Un creuset en fer est employé comme bobine secondaire à spire unique. La
FEM produite dans le creuset vaut
2 =
N2
· 1 = 0.44 V
N1
La circulation du courant dans le creuset produit un dégagement de chaleur par effet Joule. Le
creuset atteind rapidement une température de 350◦ C qui permet de faire fondre du fil de soudure.
Les plaques à induction fonctionnent sur le même principe. Un courant alternatif circule dans
une bobine plaçée sous la plaque vitrocéramique. Ce courant produit un champ magnétique qui
induit un courant de Foucault dans le fond de la casserole. Ce courant de Foucault génère un
dégagement de chaleur par effet Joule.
Figure 4: Dispositif de soudure par points.
Figure 5: Dispositif de fusion par induction.
Mise en évidence de différents types d’ondes
(a) Les ondes électromagnétiques: Une antenne dipôle émet à une fréquence de 400 MHz.
L’antenne réceptrice est connectée à une ampoule. Lorsque l’on rapproche suffisement les
antennes et qu’on les oriente dans la même direction, l’ampoule s’allume.
(b) Les ondes mécaniques:
• La propagation d’une onde dans une corde: onde transversale.
• La propagation d’une onde dans un ressort: onde longitudinale.
• Les vagues: une surface d’eau calme est excitée par une buse qui émet un jet d’air pulsé.
Lorsque la buse est immobile, on observe des fronts d’onde circulaires. Losrqu’elle se
déplace lentement, les front d’ondes sont plus rapprochés à l’avant de la buse (effet
Doppler) qu’à l’arrière. Lorsque la buse se déplace plus vite que la vitesse de propagation
de l’onde, le front d’onde forme un cône à l’arrière de la buse. Ce cône est d’autant plus
étroit que la vitesse de la buse est élevée. Le même phénomène se produit pour les sons
dans l’air (bang supersonique) ainsi que pour la lumière (effet Cherenkov).
Interférence, fentes de Young
Dans un bac d’eau des ondes se propagent parallèlement et arrivent sur une barrière avec deux trous
Interférences
a quelques cm de distance. Les ondes traversent les deux trous et forment des figures d’interférence
6, avec des région plus claires et plus obscures (maxima et minima d’intensité). Une deuxième
expérience
est faite
avec un émetteur
d’ondes radio qui sont envoyées sur un écran avec deux fentes
peuvent s'additionner
et former
des figures
complexes.
7. A environ 1.5m, une antenne réceptrice mesure l’intensité du champ électromagnétique. Un
a(t) = A1 sin(ω1maximum
t + φ1) + A
φ2) l’antenne est exactement alignée avec le centre du système (c. à
est2 sin(ω
enregistré
2t + quand
d. entre les deux fentes). Si l’on change l’angle on observe une diminution de l’intensité, puis de
un max,
Cela montre
e de superposition nouveau
est valable
si le etc...
phénomène
est la nature ondulatoire des deux phénomènes: ondes dans l’eau,
et ondes électromagnétiques).
re on a, p. ex., un phénomène de saturation, l'amplitude
être plus petite que
néaire.
Les ondes d'eau
peuvent se croiser sans
se détruire.
11
Figure 7: Expérience des fentes de Young avec des
Figure 6: Expérience des fentes de Young avec ondes électromagnétiques. L’émetteur est caché
des ondes d’eau.
derrière les fentes.
Cavité acoustique
La figure 8 présente le montage. Le tube vertical peut être rempli d’un niveau variable d’eau. Le
son produit par un haut-parleur entre par l’extrémité ouverte du tube (ventre de la perturbation
sonore). Le son est réfléchi à la surface de l’eau, ce qui entraîne à cet endroit la formation d’un
noeud.
Pour une colonne fermée à une extrémité et ouverte à l’autre, les fréquences propres sont
données par (formule 22.4 du livre):
(2n − 1)c
fn =
4l
où c est la vitesse du son dans l’air, l est la longueur de la colonne d’air, n=1 correspond à la
fréquence fondamental, n=2 à la première harmonique, n=3 à la deuxième harmonique etc...
c
On fixe la longueur (hauteur) de la colonne d’air, l ≈
cm . Ainsi, f1 = =
Hz .
4l
Cette fréquence de résonance fondamentale de la colonne est environ égale à la fréquence f du son
Hz . Celui-ci fait donc résonner la colonne d’air, à la
produit par le haut-parleur, égale à
fréquence fondamentale, mais aussi à la fréquence des harmoniques.
On va calculer la fréquence et la longueur d’onde de plusieurs harmoniques, à l’aide de l’équation
fondamentale des ondes : c = λf .
f1 =
Hz , f2 =
Hz , f3 =
λ1 =
cm , λ2 =
cm , λ3 =
Figure 8: Cavité acoustique.
Hz
cm
Figure 9: Effet Doppler.
L’effet Doppler
On utilise le montage de la figure 9 pour mettre en évidence l’effet Doppler. On fait tourner un
émetteur sonore. La fréquence perçue est alors modifiée périodiquement. Lorsque le haut-parleur
s’éloigne, elle est plus faible (son plus grave). Lorsqu’il s’approche, elle est plus élevée (on plus
aigu).
Les battements
On produit deux ondes sonores de fréquences f1 et f2 très proches par deux diapasons légèrement
décales en fréquence. On entend alors un battement (variation du niveau sonore) dont la fréquence
est égale à (f1 − f2 )/2. On obtient le même résultat avec deux haut parleurs connectés à deux
générateurs d’ondes sinusoïdales. Dans ce cas on peut aussi visualiser sur l’oscilloscope les deux
signaux séparément, et leur somme: le battement.