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Induction électromagnétique

Quand le flux magnétique à travers une bobine change, une fem apparaît dans cette bobine : ε = −N dΦ/dt (Faraday). Le signe moins est la loi de Lenz : le courant induit s'oppose toujours au changement qui l'a créé. Une tige qui se déplace dans un champ donne la fem motionnelle ε = Blv. Un courant qui varie crée une fem dans sa propre bobine (auto-induction, L) et dans une bobine voisine (induction mutuelle, M).

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Une bobine est reliée à un galvanomètre. Un aimant droit reste immobile tout près. L'aiguille reste sur 0, parce que rien ne change.
  2. Pousse doucement l'aimant dans la bobine. Plus de lignes de champ traversent la bobine, donc le flux augmente. L'aiguille bouge. Quand l'aimant s'arrête, l'aiguille revient à 0.
  3. Pousse le même aimant vite. Le flux change en moins de temps, donc l'aiguille dévie davantage. Un changement plus rapide donne une fem plus grande.
  4. Maintenant, retire l'aimant. L'aiguille dévie dans l'autre sens. La face de la bobine devient un pôle sud et essaie de retenir l'aimant. C'est la loi de Lenz.
  5. Remplace l'aimant par une deuxième bobine et allume-la. Son courant grandit, son flux grandit, et notre aiguille bouge d'un coup. C'est l'induction mutuelle.
  6. Jeu libre : fais glisser l'aimant, change le nombre de spires et appuie sur l'interrupteur. Regarde le flux briller et le nombre de la fem.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Pourquoi n'y a-t-il pas de courant quand l'aimant est dans la bobine mais ne bouge pas ?

Une fem demande un changement de flux. Un aimant immobile donne un flux constant, donc dΦ/dt = 0 et ε = 0.

Est-ce que déplacer la bobine au lieu de l'aimant marche aussi ?

Oui. Seul le mouvement relatif compte ; dans les deux cas, le flux à travers la bobine change.

Pourquoi une poussée plus rapide donne-t-elle une déviation plus grande ?

La même variation de flux se fait en moins de temps, donc dΦ/dt et la fem sont plus grands.

Pourquoi l'aiguille tourne-t-elle dans l'autre sens quand l'aimant s'en va ?

Le flux diminue maintenant au lieu d'augmenter. Le courant induit s'inverse pour essayer de garder le flux.

Comment une bobine sans aimant peut-elle créer du courant dans une autre bobine ?

Un courant crée son propre champ magnétique. Quand ce courant change, son flux à travers la deuxième bobine change, et cela induit une fem (induction mutuelle).

Pourquoi plus de spires donnent-elles plus de fem ?

Chaque spire reçoit la même fem et les spires sont en série, donc les fem s'additionnent : ε = N dΦ/dt.

Flux magnétique : compter les lignes de champ à travers une boucle

Le flux magnétique (Φ) indique quelle quantité de champ magnétique traverse une surface. Imagine-le comme le nombre de lignes de champ qui passent à travers une boucle.

Φ = B A cos θ. Ici B est le champ, A est l'aire de la boucle et θ est l'angle entre B et la normale (la droite qui sort perpendiculairement de la face de la boucle). Unité SI : weber (Wb) ; 1 Wb = 1 T m².

Le flux est maximal quand la boucle fait face au champ (θ = 0) et nul quand la boucle est vue par la tranche (θ = 90°).

Les lois de Faraday sur l'induction

Michael Faraday et Joseph Henry ont découvert qu'un flux qui change crée une fem. Un champ constant, même très fort, ne crée rien.

Première loi

Chaque fois que le flux à travers un circuit change, une fem est induite. Si le circuit est fermé, un courant circule. Cela dure seulement tant que le changement dure.

Deuxième loi

La valeur de la fem induite est égale à la vitesse de variation du flux : |ε| = N dΦ/dt pour une bobine de N spires.

Tu peux changer le flux de trois façons : changer B (déplacer un aimant), changer A (étirer ou faire glisser une partie de la boucle) ou changer θ (faire tourner la boucle).

Fem induite et courant induit

La fem apparaît même dans une bobine ouverte. Le courant ne circule que si le circuit est fermé : I = ε / R.

La charge qui circule dépend seulement de la variation totale du flux, pas de la vitesse : q = N ΔΦ / R. Une poussée lente et une poussée rapide envoient la même charge ; la rapide l'envoie en une impulsion plus forte et plus courte.

Fem motionnelle

Une tige de longueur l qui glisse à la vitesse v dans un champ B (les trois directions à angle droit) balaie une aire l v chaque seconde. Donc ε = B l v. On peut aussi le voir ainsi : la force magnétique qvB pousse les électrons libres vers une extrémité de la tige.

Courants de Foucault

Un flux qui varie à travers une plaque de métal pleine crée de petits courants tourbillonnants à l'intérieur, appelés courants de Foucault (ou courants de Foucault, eddy currents en anglais). Ils chauffent le métal et s'opposent au mouvement. On les utilise dans les plaques à induction et les freins de trains ; on les réduit dans les transformateurs avec des tôles fines feuilletées.

Loi de Lenz : dans quel sens circule le courant

Loi de Lenz : le courant induit circule dans le sens qui s'oppose à la variation de flux qui l'a causé. C'est pour cela que la loi de Faraday a un signe moins : ε = −N dΦ/dt.

Un pôle nord d'aimant qui s'approche → la face proche de la bobine devient N (elle le repousse). L'aimant qui s'éloigne → la face proche devient S (elle le retient).

La loi de Lenz, c'est la conservation de l'énergie. Tu dois fournir un travail contre cette force qui s'oppose, et ce travail devient de l'énergie électrique. Si le courant aidait le changement, tu aurais de l'énergie gratuite, ce qui est impossible.

Pour une tige droite en mouvement, utilise la règle de la main droite de Fleming : pouce = mouvement, index = champ, majeur = courant induit.

Auto-induction et inductance propre (L)

Quand le courant dans une bobine change, son propre flux change, donc une fem apparaît dans la même bobine. C'est l'auto-induction. Cette fem s'oppose à la variation du courant, on l'appelle donc force contre-électromotrice.

N Φ = L I et ε = −L dI/dt. L est l'inductance propre ; unité : le henry (H). 1 H = 1 V s/A.

Pour un long solénoïde : L = μ₀ n² A l = μ₀ N² A / l. Mettre un noyau de fer à l'intérieur multiplie L par μᵣ.

Une bobine se comporte comme l'inertie du courant. Énergie stockée dans son champ magnétique : U = ½ L I².

Induction mutuelle et inductance mutuelle (M)

Quand le courant dans la bobine 1 change, le flux à travers une bobine 2 voisine change, et une fem apparaît dans la bobine 2. C'est l'induction mutuelle.

N₂ Φ₂ = M I₁ et ε₂ = −M dI₁/dt. Pour deux longs solénoïdes coaxiaux (rayon intérieur r₁, longueur l) : M = μ₀ n₁ n₂ π r₁² l. De plus M₁₂ = M₂₁.

M est plus grand quand les bobines sont proches, enroulées sur le même noyau de fer et sur le même axe. Les transformateurs et les chargeurs sans fil utilisent l'induction mutuelle.

À toi de jouer : une manip

Essaie : dans la 3D, règle le nombre de spires N = 4 et fais glisser l'aimant dedans ; note le « Last kick ». Ensuite règle N = 16 et fais glisser à la même vitesse. Le coup est environ 4 fois plus grand, parce que ε = −N dΦ/dt. À la maison : un petit haut-parleur ou un moteur de jouet relié à une LED peut allumer la LED si tu fais tourner l'axe du moteur très vite. Tu fais fonctionner un générateur.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Une boucle d'aire 0.02 m² est placée dans un champ de 0.5 T. Trouve le flux quand (a) le champ est le long de la normale, (b) le champ fait 60° avec la normale.

(a) Φ = BA cos 0 = 0.5 × 0.02 × 1 = 0.01 Wb. (b) Φ = 0.5 × 0.02 × cos 60° = 0.01 × 0.5 = 0.005 Wb.

2. Le flux à travers une bobine de 200 spires passe de 4 mWb à 1 mWb en 0.1 s. Trouve la fem induite moyenne.

ΔΦ = 1 − 4 = −3 mWb = −3 × 10⁻³ Wb. ε = −N ΔΦ/Δt = −200 × (−3 × 10⁻³)/0.1 = 6 V.

3. Une tige de 0.5 m se déplace à 4 m/s à angle droit d'un champ de 0.3 T. La tige fait partie d'un circuit de résistance 2 Ω. Trouve la fem et le courant.

ε = B l v = 0.3 × 0.5 × 4 = 0.6 V. I = ε / R = 0.6 / 2 = 0.3 A.

4. Le courant dans une bobine de L = 50 mH passe de 5 A à 0 en 10 ms. Trouve la fem d'auto-induction.

ε = −L dI/dt = −0.05 × (0 − 5)/0.01 = +25 V. La fem essaie de maintenir le courant (elle s'oppose à sa chute).

5. Trouve L d'un solénoïde à noyau d'air de 500 spires, de longueur 0.5 m et d'aire 4 × 10⁻⁴ m². (μ₀ = 4π × 10⁻⁷)

L = μ₀ N² A / l = 4π × 10⁻⁷ × 250000 × 4 × 10⁻⁴ / 0.5 = 4π × 10⁻⁷ × 200 ≈ 2.51 × 10⁻⁴ H ≈ 0.25 mH.

6. Deux bobines ont M = 1.5 H. Le courant dans la première passe de 0 à 20 A en 0.5 s. Trouve la fem dans la seconde bobine et la variation de flux à travers elle.

ε₂ = M dI₁/dt = 1.5 × 20 / 0.5 = 60 V. Variation du flux total = M ΔI₁ = 1.5 × 20 = 30 Wb (spires).

7. Une tige métallique de 1 m tourne à 20 rad/s autour d'une extrémité dans un champ de 0.2 T dirigé selon son axe de rotation. Trouve la fem entre ses extrémités.

ε = ½ B ω l² = 0.5 × 0.2 × 20 × 1² = 2 V.

8. Le flux d'une bobine de 100 spires et de résistance 5 Ω varie de 2 × 10⁻³ Wb. Quelle charge circule ?

q = N ΔΦ / R = 100 × 2 × 10⁻³ / 5 = 0.04 C. Elle ne dépend pas de la rapidité du changement.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. L'unité SI du flux magnétique est :
2. La fem induite dans une bobine dépend :
3. La loi de Lenz découle de la conservation de :
4. Une tige de longueur l se déplace à la vitesse v perpendiculairement au champ B. La fem est :
5. Le henry est égal à :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que l'induction électromagnétique, en mots simples ?

C'est produire de l'électricité avec un champ magnétique qui change. Si le champ magnétique à travers une bobine change, une tension apparaît dans la bobine.

Quelle est la différence entre auto-induction et induction mutuelle ?

En auto-induction, le courant qui change crée une fem dans la même bobine. En induction mutuelle, il crée une fem dans une bobine voisine.

Pourquoi y a-t-il un signe moins dans la loi de Faraday ?

Le signe moins, c'est la loi de Lenz. Il montre que la fem induite s'oppose à la variation du flux.

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