Induction électromagnétique (1) - Cours d'Electricité avec Maxicours

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Induction électromagnétique (1)

1. Introduction

L'induction électromagnétique est le résultat des influences exercées entre les conducteurs, les courants électriques et les champs magnétiques.

Elle se manifeste principalement de trois façons :

• lorsqu'on déplace un conducteur dans un champ magnétique, on induit une tension dans ce conducteur (action génératrice) ;
 lorsqu'on place un conducteur porteur de courant dans un champ magnétique, le conducteur tend à se déplacer (action motrice) ;
 lorsqu'on fait varier le champ magnétique autour d'un conducteur fixe, on induit une tension dans ce conducteur (inductance mutuelle).

Dans cette étude, vous étudierez:

  • l'action génératrice;
  • l'action motrice;
  • l'inductance mutuelle; dues à l'induction électromagnétique.
2. Action génératrice

Lorsqu'un conducteur se déplace dans un champ magnétique, une différence de potentiel s'établit aux extrémités du conducteur.

La différence de potentiel ainsi créée se nomme force électromotrice (f.é.m.). Le courant induit est le résultat d'une action génératrice, car le travail mécanique pour mettre le conducteur en mouvement est converti en énergie électrique.

La figure ci-après montre un conducteur qui se déplace horizontalement entre les deux pôles d'un aimant permanent. Il coupe à cet instant les lignes du champ magnétique, induisant ainsi une tension à ses extrémités.

Si le mouvement du conducteur était parallèle aux lignes de champ (de haut en bas), la tension induite serait nulle, car le conducteur ne couperait pas de lignes de champ. De même, si le conducteur cessait de se déplacer, la tension induite deviendrait nulle.

Mouvement d'un conducteur dans un champ magnétique :

a. Valeur de la tension induite

La valeur de la tension induite dans un conducteur dépend de trois facteurs :

 la longueur du conducteur soumis au champ magnétique ;
 la vitesse de déplacement du conducteur ;
 l'intensité du champ magnétique (induction magnétique).

On peut donc calculer la valeur de la tension induite dans un conducteur à l'aide de la formule suivante :

Dans laquelle :
E = tension induite en volts (V) ;
B = induction magnétique en teslas (T) ;
l = longueur du conducteur en mètres (m) ;
v = vitesse de déplacement du conducteur en mètres par seconde (m/s).

b. Sens de la tension induite

Le sens de la tension induite dans un conducteur dépend de deux facteurs :

• le sens de déplacement du conducteur ;
• le sens des lignes de champ.

La figure suivante montre les quatre possibilités de sens de la tension induite selon le sens du déplacement du conducteur et le sens des lignes de champ.

Règle des trois doigts de Fleming :

 

En se reportant à la figure ci-dessus, on peut déterminer la polarité de la f.é.m. induite en utilisant la règle des trois doigts de Fleming, qui s'énonce comme suit :

1. Placer le pouce, l'index et le majeur afin qu'ils soient à un angle de 90° les uns des autres.

2. Pointer le pouce dans le sens du déplacement du conducteur.

3. Pointer l'index dans le sens des lignes de champ.

4. A cet instant, le majeur indique l'extrémité positive du conducteur.

c. Tension induite dans un cadre

Le principe de fonctionnement des alternateurs se base sur le mouvement d'un cadre dans un champ magnétique.
La figure suivante montre un cadre mobile se déplaçant dans un champ magnétique produit par un aimant permanent.

Induction dans un cadre mobile :

 

Analysons le comportement de la tension induite dans chacun des conducteurs (AB et CD).

A l'instant t0 le déplacement des conducteurs AB et CD est perpendiculaire aux lignes de champ. Par conséquent, la tension induite dans chacun des conducteurs est maximale (supposons + 5 V). La polarité des f.é.m. induites dans chacun des conducteurs (AB et CD) est inverse.

En effet, pendant que le conducteur AB coupe les lignes de champ de bas en haut, le conducteur CD coupe ces mêmes lignes de champ de haut en bas. Les tensions induites dans chacun des conducteurs agissent comme deux piles branchées en séries et s'additionnent pour donner une tension totale de + 10 V.

A l'instant t1, le cadre s'est déplacé de 90° dans le sens horaire. A cet instant, le mouvement des conducteurs AB et CD est parallèle aux lignes de champ et la tension induite dans chacun des conducteurs est nulle. Donc, durant le déplacement du cadre entre les instants t0 et t1, la tension induite est passée de sa valeur maximale (10 V) à sa valeur minimale (0 V).

A l'instant t2, le cadre s'est encore déplacé de 90° dans le sens horaire. Le mouvement des conducteurs AB et CD redevient perpendiculaire aux lignes de champ, provoquant des tensions induites maximales dans les conducteurs. Toutefois, le déplacement des conducteurs est inversé par rapport à l'instant t0, induisant des tensions de polarité inverse dans les conducteurs pour donner une tension totale de - 10 V.

A l'instant t3, le cadre tourne de nouveau d'un quart de tour ; sa f.é.m. est nulle, car le déplacement des conducteurs est à nouveau parallèle aux lignes de champ magnétique.

A l'instant t4, le cadre revient à sa position de départ et la tension induite revient à + 10 V. Le processus recommence pour chaque quart de tour que le cadre effectue.

On peut représenter graphiquement les différentes valeurs que prend la tension. On obtient alors une courbe ondulée comme celle qui apparaît à la figure suivante :

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