Induction électromagnétique (2) - Cours d'Electricité avec Maxicours

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Induction électromagnétique (2)

1. Action motrice

Vous avez déjà appris, qu'un conducteur parcouru par un courant électrique s'entoure d'un champ magnétique.

Si l'on place ce conducteur dans un autre champ magnétique produit par des électro-aimants, l'interaction entre les deux champs magnétiques force le conducteur à se déplacer.

C'est ce que l'on appelle l'action motrice de l'induction électromagnétique. Ce phénomène se trouve à la base du fonctionnement des moteurs électriques. La figuresuivante représente les champs magnétiques produits par la circulation du courant dans un conducteur et par un électro-aimant.

Champs magnétiques :

a. Conducteur rectiligne
Si l'on place le conducteur dans le champ magnétique de l'électro-aimant, on constate que les lignes de champ des deux champs magnétiques ne peuvent se croiser. Le champ magnétique résultant a l'aspect montré à la figure ci-après. On observe qu'en haut du conducteur, les lignes vont dans la même direction, et qu'en bas du conducteur, elles vont dans la direction contraire.
Il en résulte une augmentation des lignes de champ au-dessus du conducteur, et par le fait même, une diminution en bas du conducteur. A cet instant, la force de répulsion tend à repousser le conducteur vers le bas.

Lorsqu'on inverse le sens du courant dans le conducteur, la direction de la force change de sens. Il en est de même si l'on inverse les pôles qui produisent le champ magnétique. Pour déterminer la direction de déplacement du conducteur, on utilise la règle de la main gauche de Fleming. Cette règle est semblable à la règle de la main droite pour les générateurs. Elle s'énonce comme suit :

1. Placer le pouce, l'index et le majeur de la main gauche à un angle de 90˚ les uns des autres.

2. Pointer l'index dans la direction du champ magnétique de l'électro-aimant.

3. Pointer le majeur dans la direction du courant dans le conducteur.

4. Le pouce indique alors la direction du déplacement du conducteur.

La figure suivante montre les quatre possibilités de déplacement d'un conducteur porteur de courant dans un champ magnétique. Vérifiez, à l'aide de la règle de la main gauche, la direction du déplacement du conducteur pour chacune des situations.

On peut donc conclure que l'intensité de la force électromagnétique exercée sur un conducteur rectiligne parcouru par un courant électrique obéit aux principes suivants :

• plus le courant est élevé dans le conducteur, plus la force est grande ;

 plus la densité du champ magnétique de l'électro-aimant est grande, plus la force est grande ;

 plus la partie du conducteur exposée au champ magnétique est longue, plus la force est grande ;

 plus la direction du conducteur est perpendiculaire aux lignes de champ, plus la force est grande. Si le conducteur est parallèle aux lignes de champ, la force résultante est nulle.

b. conducteur parallèle
La figure suivante montre un conducteur parallèle aux lignes de champ, engendrant à cet instant une force nulle sur le conducteur.

Conducteur parallèle au champ magnétique :
 

2. Inductance mutuelle

Vous avez appris que le mouvement d'un conducteur dans un champ magnétique permettait d'induire une f.é.m. dans ce conducteur.

Il est possible d'obtenir le même résultat en gardant le conducteur fixe et en faisant varier le champ magnétique.

Lorsque deux bobines de fil se trouvent à proximité l'une de l'autre et que l'une d'elle est alimentée, le champ magnétique produit à cet instant coupe la seconde bobine et y induit une tension.

Cet effet de l'induction électromagnétique entre deux bobines s'appelle inductance mutuelle. Ce phénomène est exploité dans les transformateurs que vous pourrez étudier en détail dans un autre module.

a. Inductance mutuelle avec courant continu
Supposons deux bobines, A et B, montées sur un même noyau ferromagnétique, comme montré à la figure suivante. La bobine A est branchée à une source à courant continu par l'intermédiaire d'un interrupteur. Dès que l'interrupteur est fermé, le courant augmente dans le circuit de la bobine, provoquant une variation du champ magnétique de sa valeur minimale à sa valeur maximale.
La bobine B, montée sur le même noyau, subit cette variation du flux magnétique. D'après la loi de l'induction, lorsqu'un conducteur est soumis à une variation d'un champ magnétique, il y a induction d'une f.é.m. dans le conducteur. Pour cette raison, l'aiguille du galvanomètre se déplace pour indiquer une circulation de courant électrique. La figure suivante représente cette situation.

b. Loi de Lenz

Lorsque le courant a atteint sa valeur nominale (maximale) dans la bobine A, il n'y a plus de variation du champ magnétique. Alors, la tension induite dans la bobine B devient nulle et le galvanomètre indique 0.
Si l'on ouvre l'interrupteur, le courant dans la bobine A est coupé, provoquant une diminution du champ magnétique de sa valeur maximale vers sa valeur minimale. Cette nouvelle variation du flux magnétique provoque de nouveau une tension induite dans la bobine B, mais de sens contraire. La figure 5.30d montre cette situation.

On remarque que la tension induite dans la bobine est inversée selon que le flux magnétique qui la traverse augmente ou diminue. La loi de Lenz explique cette situation :

• La polarité de la tension induite est alors telle qu'elle tend à faire circuler un courant dont le flux magnétique s'oppose à la variation du flux inducteur dans le noyau de la bobine.

Lorsque la tension varie continuellement dans la bobine A, comme c'est le cas pour la tension alternative, une tension demeure toujours présente dans la bobine B. Vous aurez l'occasion d'étudier ce phénomène en détail dans un prochain module, lorsque vous vous pencherez sur le fonctionnement des transformateurs monophasés.

3. Résumé sur l'induction électromagnétique

A la suite de cette étude, vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants :

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

• L'induction électromagnétique se manifeste principalement de trois façons :

- induction d'une tension dans un conducteur qui se déplace dans un champ magnétique ;

- force exercée sur un conducteur parcouru par un courant électrique et placé dans un champ magnétique ;

- induction dans un conducteur fixe soumis à une variation d'un champ magnétique.

• La valeur de la tension induite dans un conducteur qui coupe un champ magnétique dépend de trois facteurs :

- la longueur du conducteur ;

- la vitesse de déplacement du conducteur ;

- l'intensité du champ magnétique.

 Le sens de la tension induite dans un conducteur dépend du sens de déplacement du conducteur et du sens des ligne de champ.

• On utilise la règle des trois doigts de Fleming pour déterminer la polarité de la tension induite dans un conducteur.

• La valeur de la tension induite dans un cadre mobile prend la forme d'une courbe ondulée et varie d'un maximum positif à un maximum négatif.

• Si l'on place un conducteur porteur de courant dans le champ magnétique produit par un électro-aimant, il en résulte une force magnétique exercée sur le conducteur.

• On utilise la règle de la main gauche de Fleming pour déterminer la direction de la force exercée sur le conducteur.

 La force exercée sur le conducteur est proportionnelle à l'intensité du courant circulant dans le conducteur, à la densité du champ magnétique, à la longueur du conducteur soumis au champ magnétique et à l'angle de déplacement du conducteur.

• Lorsque deux bobines sont placées à proximité l'une de l'autre, la variation du champ magnétique produit par l'une induit une tension dans l'autre.

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