INDUCTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE Buts! Matériel Théorie!
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NfAp : ____________________ Lab No 7 Montage : ________ NfAp : __________________________ INDUCTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE Buts! Toutefois, ce qui sera important de constater, c’est qu’à chaque fois qu’il y aura variation du flux magnétique φ à travers la surface délimitée par le circuit, une f.é.m. induite (ε) apparaîtra et fera circuler un courant dans le circuit. ! Étudier les lois d’induction électromagnétique. Étudier les principales caractéristiques d’un transformateur. Loi de Faraday Matériel ! Source c.a. (6,3 V) Source c.c. Multimètre numérique Galvanomètre (0 - 500 µA) Enroulements de fil (300, 600 et 1 200 tours) Boussole Pile (1,5 V) Résistances (1 kΩ et 10 kΩ) Ampoule (24 V) Aimant Barreaux de fer laminé (droit et en forme de U) Interrupteur Fils de raccordement Théorie! Nous aborderons, dans ce laboratoire, les différentes façons d’induire une f.é.m. (ε) dans un circuit électrique. Il y aura dans chacune des situations que nous allons considérer, un champ magnétique produisant un flux magnétique à travers en présence d’un circuit électrique. Cette expression représente la loi d’induction électromagnétique qui stipule que la f.é.m. d’induction (ε) [que l’on devrait mieux appeler électromotance] dans un circuit est égale (exception faite du signe négatif) au taux de variation du flux magnétique (dφB/dt) dans le circuit. C’est à la suite d’expériences semblables à celle que vous allez effectuer qu’il trouva cette loi. Lorsque le circuit électrique induit est fermé, un courant y circule sous l’effet de la f.é.m. induite. 1 La loi de Lenz, justement établie par Lenz, dont les 2 prénoms sont ___________________ et __________________ permet de déterminer le sens de ce courant. Cette loi [remémorée par le signe négatif] stipule que le courant induit a un sens tel qu’il s’oppose à la variation du flux magnétique. Autrement dit, la polarité de la force électromotrice induite, que l’on appelle « électromotance » est telle qu’elle tend à faire circuler un courant créant un flux magnétique qui s’oppose à la variation du flux qui se manifeste. Le signe négatif de la loi d’induction indique donc cette opposition. Vous pouvez désormais déterminer le sens du courant induit dans un circuit à partir du sens de la déviation de l’aiguille du galvanomètre. Manipulations a) Sens du courant induit par un flux magnétique variable 2) Reliez l’enroulement de fil d’une bobine de 300 tours à votre galvanomètre. Attendre l’autre page avant de toucher à l’aimant. 1) Afin de vérifier la loi de Lenz, il faut déterminer expérimentalement le sens de circulation du courant induit. Indiquez les polarités de votre galvanomètre sur la figure La déviation de l’aiguille d’un galvanomètre polarisé monté dans le circuit nous indique le sens du courant induit. Cette déviation étant fonction de la borne d’entrée du courant dans le galvanomètre, il faut déterminer la relation entre le sens de la déviation de l’aiguille et le sens du courant. Il se peut que la polarisation de votre galvanomètre ne soit pas indiquée il faudra donc la déterminer par une expérience. Montez en série la pile de 1,5 V, la résistance de 10 kΩ (brun, noir, orange) et le galvanomètre. Étudiez bien cette bobine dont les caractéristiques [ mH = milliHenry unité de mesure de sa propriété magnétique et WDG = windings (enroulements ] sont fournis. Le sens de l’enroulement du fil est indiqué clairement sur le côté de celle-ci, à vous de visualiser. Selon la configuration ci-bas, aimant d’abord immobile, dessinez partout dans le cadre, des lignes de champ magnétique qui, entre autres, traverseront la section de la bobine. Prenez note du sens de la déviation de l’aiguille en constatant la borne par laquelle le courant entre et vous pourrez déduire la polarisation de votre galvanomètre. Vous l’indiquer sur petit ruban cache collé tout près. L’aiguille du galvanomètre dévie vers la lorsque le courant entre par la borne de 2 3 Sans le faire, si vous approchiez brusquement cet aimant vers la bobine de fil, prédisez le sens de la déviation de l’aiguille de votre galvanomètre : Voici ma déduction : Aiguille vers ___________ 4 Approchez maintenant le pôle nord de l’aimant vers votre bobine (sans entrer à l’intérieur) et votre prédiction est (encerclez) bonne ou mauvaise 5 Dans le cas où votre prédiction ne s’est pas avérée exacte, recommencez en modifiant votre raisonnement. Approchez + ou - rapidement ! 4) Les courants induits sont-ils les mêmes en approchant un pôle nord qu’en éloignant un pôle sud de la bobine? : _____________ b) Détermination de la f.é.m. induite (aimant) 1) Approchez et éloignez lentement et au même rythme l’aimant d’une bobine et notez la grandeur moyenne de la déviation maximale de l’aiguille du galvanomètre. Explication scientifique pour expliquer le mouvement de votre aiguille : Répétez pour chacune des bobines (même pôle et au même rythme) et complétez le tableau ci-après (grandeurs et unités, voir matériel). Prédisez le sens de la déviation de l’aiguille du galvanomètre dans le cas où vous approchez le pôle sud de l’aimant de l’enroulement : _________ Approchez effectivement le pôle sud de l’aimant de votre bobine (sans entrer à l’intérieur) et votre prédiction (encerclez) Bonne ou mauvaise Sans le faire, prédire le mouvement de l’aiguille du galvanomètre si vous approchez le pôle nord de votre aimant de l’autre bout de la bobine? Aiguille vers _________parce que :_____________________________ 6 Faites-le et honnêtement aviez-vous raison ? __________________ 7 3) Placez maintenant l’aimant immobile près de l’enroulement, notez la valeur du courant : ________. Que concluez-vous?___________________________________________ Quel est l’effet du nombre de tours de fil sur le courant induit et sur la f.é.m induite? _______________________________________________ Avant d’éloigner l’aimant de l’enroulement, prédisez le sens de déviation de l’aiguille (donc du courant) : _______________________ 2) Changez le rythme d’approche de l’aimant ; que concluez-vous? Éloignez ensuite l’aimant et commencez-vous à comprendre : _________ ___________________parce que : ______________________________ c) Détermination de la f.é.m. induite (courant dans une bobine) ! Montez le circuit suivant en utilisant une source de tension continue initialement éteinte et ses boutons à zéro : Reliez maintenant la bobine de 600 tours au galvanomètre et approchez-la de l’autre bobine , à 2 cm de celle-ci, pour obtenir le circuit suivant : Fermez l’interrupteur, allumez la source et augmentez graduellement le voltage jusqu’à ce que l’affichage de la source indique 3 A, soit presque la valeur maximale suggérée par le fabricant de la bobine. Approchez l’aimant sur l’axe de la bobine. Que se passe-t-il? ______________________________________________________ parce que : _______________________________________________ Vérifiez l’orientation du champ magnétique autour de la bobine, à l’aide de la boussole. Conclusion personnelle. Indiquez sur le circuit le sens du courant et représentez sur la figure cihaute l’allure du champ magnétique au voisinage de la bobine par des lignes de champ appropriées en n’oubliant pas d’identifiez ses pôles magnétiques. Mesurez la résistance interne du galvanomètre RG à l’aide du multimètre numérique et notez-la ici : RG= ______________ ohms Ouvrez l’interrupteur du circuit et attendez avant de le refermer Question cruciale qui mérite d’être bien analysée avant de le faire et qui confirmera que vous comprenez bien ce qui se passe 8 Dans cette configuration, si vous fermez l’interrupteur du circuit alors l’aiguille du galvanomètre irait d’abord : ________________________ 9 Une fois certain de votre analyse, fermez l’interupteur : 10 bon ou mauvais ? Vous venez de reproduire la célèbre expérience de Michael Faraday et si votre prédiction s’est avérée exacte, elle témoigne peut-être d’une bonne compréhension de la loi de l’induction électromagnétique assortie des éclaircissement de Lenz et non pas de Helmholtz dont tous les prénoms sont : 11 ____________________________________________________ Dans le cas contraire, vous devriez réviser ces notions ! L’enroulement de 300 tours de la bobine du circuit est appelé primaire parce qu’il est branché à la source. d) Effet de la géométrie Utilisez le montage de l’étape précédente avec l’interrupteur fermé. Faites maintenant osciller (éloignez et approchez) une des bobines dans la direction de leur axe. En ouvrant et en fermant l’interrupteur à un rythme régulier, observez ce qui se passe dans l’enroulement secondaire grâce aux fluctuations que vous pouvez noter à l’aide de la déviation de l’aiguille du galvanomètre. On appelle l’enroulement de 600 tours l’enroulement secondaire, parce qu’il n’est pas branché à la source. Qu’observez-vous? : ________________________________________ Placez maintenant les enroulements perpendiculairement l’un à l’autre comme sur la figure suivante. À partir de la lecture de votre galvanomètre et basée sur tout ce que vous venez de faire, déterminez la grandeur du courant induit iG ainsi que son sens ( + = horaire = aiguille vers droite) Vue à partir du dessus des bobines placées perpendiculairement : en ouvrant l’interrupteur : iG = ______________ sens : _______ 12 en fermant l’interrupteur : iG = ______________ sens : _______ 13 La détermination de la f.é.m. induite se fera par la mesure du courant dans le galvanomètre et par la résistance équivalente du circuit dont fait partie l’enroulement secondaire de 600 tours. Lorsque le courant circule dans le secondaire, le circuit équivalent peut se représenter de la façon suivante : Ouvrez et fermez l’interrupteur et déterminez la f.é.m. induite moyenne : ε = ____________________________ où : Réquivalente = RG + Rbobine = _____________________ 14 Expliquez le résultat observé à la lueur de votre compréhension de ce qui se passe : ________________________________________________________ Déduisez la valeur de la f.é.m. (ε) pour les 600 tours : ________________________________________________________ ε = Réquivalentte × iG = _____________________ 15 Dessinez sur la figure les lignes de champ magnétique émanant de la bobine de gauche lorsqu’un courant y circule. e) Effet d’une substance magnétique Modifiez le montage afin d’introduire une résistance de protection de 1 kΩ dans le circuit du secondaire. Déterminez la nouvelle f.é.m. induite moyenne en ouvrant et en fermant l’interrupteur comme dans l’expérience précédente : Ouvrez et fermez l’interrupteur et déterminez la f.é.m. induite moyenne : ε = ____________________________ Expliquez votre résultat comparé au précédent ? : ________________________________________________________ ________________________________________________________ Diminuez énormément le courant dans le primaire. Un courant de 0,2 A est très suffisant. Maintenant, reliez le primaire et le secondaire avec la structure métallique en forme de U et complétez le cadre rectangulaire comme sur la figure suivante vue de côté : Insérez, dans les enroulements primaire et secondaire, la tige métallique rectangulaire en fer doux (voir figure suivante) tout en réduisant l’écart au minimum. Cet agencement particulier est-il plus efficace que le précédent? ______ Expliquez : ______________________________________________ Dessinez les lignes de champ magnétique partout dans l’encadré de la figure précédente quand un courant circule dans le circuit primaire qui serait situé à gauche en indiquant les fils de branchement et le sens du courant dans celui-ci. Quand ou ouvre l’interrupteur , le courant du primaire devient nul. Y a-t-il alors un flux magnétique affectant le secondaire? _________________ 2) Montez le circuit suivant (vue de côté) : Avec l’interrupteur fermé (un courant circule au primaire), essayez d’enlever la tige supérieure du cadre métallique, est-ce normal ? ______ Expliquez ? ________________________________________________ _________________________________________________________ Y a-t-il induction au secondaire lorsque vous enlevez la tige? ________ Expliquez. ______________________________________________ _________________________________________________________ f) Transformateur et source alternative (A.C) 15 1) Montez le circuit ci-après en reliant la sortie 6,3 V de la source de tension alternative à l’ampoule : Observez la luminosité de l’ampoule. Conclusion : _________________ Votre hypothèse : ____________________________________________ Remplacez le secondaire par l’enroulement de 1 200 tours. Observez la luminosité de l’ampoule. Conclusion : _________________ Observez la luminosité de l’ampoule après avoir allumé? Cachez vous de la lumière autour peut-être ! Qu’est-ce qui a changé fondamentalement d’une situation à l’autre? 16 ____________________________ Ici la notion importante en un seul mot crucial c’est : 17 _____________________________ 3) Après avoir débranché l’ampoule et à l’aide du multimètre numérique (en position ), mesurez alors les tensions efficaces au primaire et au 19 20 secondaire pour chaque configuration en complétant le tableau suivant : Enroulements Enroulements au primaire N1 au secondaire N2 600 300 600 1200 Tension efficace au primaire Tension efficace au primaire V1 V2 À la lueur de ces résultats, seriez-vous capable d’établir la relation entre les tensions efficaces (primaire et secondaire) et le nombre de tours des enroulements (primaire et secondaire) ? (Équation et/ou preuve) Pourquoi précisément la tige métallique gronde-t-elle lorsque vous essayez de la séparer de celle en forme de U et caractérisez si vous le pouvez les paramètres du son que vous entendez ? 18 _________________________________________________ 18 __________________________________________________ Rendu ici avec les bonnes réponses vérifiées à certains endroits stratégiques, cela pourrait résulter en la remise d’un petit sac spécial à certaines meilleures performances mesurées. Petit bonus pour les noms de deux personnages illustres parmi les suivants ! !@#$ %?&* C’est finiiiiiiiiiiii Codesecretcourrielpourobtenirunlemotdepassedusite : TeyiMeyi
