Exetat · Physique

Induction et auto-induction

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Quand le champ magnétique qui traverse une bobine change, une tension apparaît à ses bornes : c'est l'induction, le principe des alternateurs, des dynamos et des transformateurs. L'Exetat demande la f.é.m. induite (loi de Faraday), le flux, et l'énergie stockée dans une bobine.

L'essentiel

  • Le flux magnétique mesure « combien de champ » traverse une spire : Φ = B·S·cos θ, où θ est l'angle entre le champ et la perpendiculaire à la spire. Si le champ est perpendiculaire au plan de la spire, Φ = B·S. Unité : le weber (Wb). S en m² (1 cm² = 10⁻⁴ m²). Si on donne l'excitation H, calcule d'abord B = μ₀·H.
  • Loi de Faraday : une variation de flux crée une f.é.m. induite. Sa valeur moyenne pour une bobine de N spires vaut e = N·ΔΦ/Δt, où ΔΦ = Φ(final) − Φ(initial) est la variation du flux à travers UNE spire. Plus la variation est rapide, plus la f.é.m. est grande.
  • Il faut une VARIATION : un aimant immobile devant une bobine immobile ne crée rien. On fait varier le flux en déplaçant un aimant, en changeant le courant d'un électroaimant ou en faisant tourner une bobine.
  • Loi de Lenz : le courant induit circule dans le sens qui s'oppose à la cause qui l'a produit. Si on approche le pôle nord d'un aimant, la face de la bobine tournée vers lui devient un pôle nord et le repousse.
  • Si le circuit est fermé, la f.é.m. induite fait circuler un courant induit I = e/R (R : résistance totale du circuit).
  • Auto-induction : une bobine parcourue par un courant variable crée elle-même un flux variable, donc une f.é.m. qui s'oppose aux variations de son propre courant. Son inductance L, en henrys (H), mesure cet effet : e = L·ΔI/Δt (en valeur).
  • Une bobine parcourue par un courant I stocke une énergie magnétique W = ½·L·I² (en joules). La résistance de la bobine ne sert pas à calculer cette énergie : elle donne seulement les pertes par effet Joule.

Les formules

Flux à travers une spire
Φ = B·S·cos θ ; champ perpendiculaire à la spire : Φ = B·S
Wb ; S en m²
Loi de Faraday
e = N·ΔΦ/Δt = N·S·ΔB/Δt
ΔΦ : variation pour une spire
Formes isolées
Δt = N·ΔΦ/e ; ΔΦ = e·Δt/N ; N = e·Δt/ΔΦ
écris toujours la formule avant de remplacer
Courant induit
I = e/R
circuit fermé
F.é.m. d'auto-induction
e = L·ΔI/Δt
L en henrys
Énergie magnétique
W = ½·L·I², donc L = 2W/I²
W en J

La méthode

  1. 1Convertis : cm² en m² (× 10⁻⁴), ms en s, et calcule B = μ₀·H si on te donne H.
  2. 2Calcule la variation de flux pour une spire : ΔΦ = Φ(final) − Φ(initial), ou S × ΔB si seul le champ change.
  3. 3Multiplie par le nombre de spires N, puis divise par la durée Δt de la variation.
  4. 4Si on cherche Δt, ΔΦ ou N, écris d'abord e = N·ΔΦ/Δt puis isole l'inconnue.
  5. 5Pour l'énergie d'une bobine : W = ½·L·I², sans utiliser la résistance.

Un exemple résolu

Une bobine de 50 spires, de section 20 cm², est placée dans un champ magnétique perpendiculaire à ses spires. Le champ passe de 0 à 0,4 T en 0,02 s. Quelle est la f.é.m. induite moyenne ?

  1. 1.Section en m² : S = 20 cm² = 20 × 10⁻⁴ = 2 × 10⁻³ m².
  2. 2.Variation du flux à travers une spire : ΔΦ = S × ΔB = 2 × 10⁻³ × (0,4 − 0) = 8 × 10⁻⁴ Wb.
  3. 3.Loi de Faraday : e = N·ΔΦ/Δt = 50 × 8 × 10⁻⁴/0,02.
  4. 4.e = 0,04/0,02 = 2 V.

Réponse : La f.é.m. induite moyenne vaut 2 V.

Les pièges à éviter

  • Oublier le nombre de spires : chaque spire produit sa f.é.m. et elles s'additionnent.
  • Laisser la surface en cm² : le résultat devient dix mille fois trop grand.
  • Utiliser le flux final au lieu de la variation de flux (de 2 Wb à 8 Wb, ΔΦ = 6 Wb).
  • Multiplier par Δt au lieu de diviser : une variation plus rapide donne une f.é.m. plus GRANDE.
  • Oublier le ½ ou le carré dans ½·L·I², ou utiliser la résistance R au lieu de l'inductance L.

À retenir

e = N·ΔΦ/Δt : il faut une variation de flux ; une bobine stocke W = ½·L·I².

Les outils utiles