Inductance

Les inductances - généralement sous forme de bobines - sont couramment utilisées dans de nombreuses applications de circuits. Leur but est de stocker de l’énergie magnétique lorsqu’un courant à l’état stationnaire circule.

Dans une boucle qui forme un circuit fermé, le champ magnétique changeant induit une force électromotrice qui entraîne le courant. Ce phénomène est appelé induction électromagnétique. Une inductance est simplement une bobine de fil et elle a la propriété d’auto-inductance, qui relie la tension à ses bornes à la variation de son propre champ magnétique.

Cette vidéo illustrera les concepts sous-jacents à l’inductance, puis fera la démonstration d’une expérience d’induction à l’aide d’une barre magnétique et d’une bobine. Enfin, nous passerons en revue certaines des applications actuelles des inductances.

Le flux magnétique peut être considéré comme la quantité de champ magnétique traversant une zone. Pour un champ magnétique B uniforme perpendiculaire à une aire A, le flux magnétique phi est simplement le produit des deux. Selon la loi d’induction de Faraday, un flux magnétique changeant dans une boucle de fil génère une force électromotrice, ou CEM, le long de la boucle. Cette CEM est égale au négatif du taux de variation du flux magnétique au cours du temps.

Le taux de variation du flux magnétique détermine la polarité de la force électromotrice induite. Le signe négatif dans l’expression de la loi de Faraday signifie que si le champ magnétique diminue avec le temps, la CEM est positive. S’il augmente avec le temps, la CEM est négative. Lorsque la boucle est un circuit fermé, la CEM induite entraîne un courant qui génère à son tour son propre champ magnétique. Ce champ magnétique a une orientation donnée par la règle de la main droite. Si les doigts de la main droite s’enroulent autour de la direction du courant dans la boucle, alors le pouce de la main droite pointerait dans la direction du champ magnétique généré. Le courant induit doit circuler dans la direction qui crée un champ magnétique opposé au taux de variation du champ magnétique externe.

Par exemple, le champ magnétique de cet aimant pointe vers le haut à travers une seule boucle de fil. En éloignant l’aimant de la boucle, l’intensité du champ magnétique diminue l’intensité du champ magnétique à travers la boucle. La variation du flux magnétique, représentée par un vecteur pointant vers le bas, induit une force électromotrice positive qui entraîne le courant dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, comme indiqué. Selon la règle de la main droite, le courant crée un champ magnétique qui pointe vers le haut dans la boucle pour s’opposer au champ magnétique ou au flux décroissant. En revanche, le déplacement de l’aimant vers la boucle augmente le champ magnétique à cet endroit. La variation du flux magnétique est représentée par un vecteur pointant vers le haut. Dans ce cas, il induit une CEM négative qui entraîne le courant dans le sens des aiguilles d’une montre. Selon la règle de la main droite, le courant dans cette direction crée un champ magnétique qui pointe vers le bas dans la boucle pour s’opposer à l’augmentation du champ magnétique ou du flux.

Passons maintenant d’une boucle à un solénoïde, qui est simplement plusieurs boucles de fil enroulées autour d’un noyau d’air ou de matériau magnétique. C’est une inductance couramment utilisée dans les circuits électriques. Si le courant circule à travers un solénoïde, il crée un champ magnétique à l’intérieur de l’inductance. La direction de ce champ magnétique est donnée par la règle de la main droite. Ce champ produit à son tour un flux magnétique dans la même direction que celle du champ, et la quantité de ce flux est proportionnelle au courant. Par conséquent, si le courant change avec le temps, le flux magnétique change également. Selon la loi de Faraday, le flux changeant induit une tension qui entraîne le courant à travers la bobine de sorte que le champ magnétique du courant induit s’oppose au changement du flux d’origine. Ce phénomène d’induction de tension à travers ses propres bornes en réponse à un courant variable est appelé auto-induction, et la tension induite totale aux bornes du solénoïde est le nombre de tours N, multiplié par la force électromotrice d’une seule boucle.

Maintenant que nous avons expliqué les bases, voyons comment étudier l’induction électromagnétique dans un laboratoire de physique.

Toutes les expériences suivantes utilisent un ampèremètre bipolaire analogique, dont l’aiguille dévie vers la droite ou la gauche du point zéro, en fonction de la direction du flux de courant.

Tout d’abord, procurez-vous un solénoïde à noyau creux, un aimant à tige avec des pôles nord et sud clairement étiquetés, et l’ampèremètre bipolaire analogique. Connectez ensuite le solénoïde à l’ampèremètre. Pour le premier essai, insérez le pôle nord de l’aimant dans l’extrémité du solénoïde relié à la borne négative de l’ampèremètre. Observez l’ampèremètre et notez la polarité et l’amplitude approximative de la déviation de l’aiguille. Retirez l’aimant du solénoïde et notez la polarité et l’amplitude approximative de la déviation de l’aiguille de l’ampèremètre.

Maintenant, tournez l’aimant et insérez et retirez le pôle sud de l’extrémité du solénoïde connecté à la borne négative de l’ampèremètre. Répétez cette expérience en insérant le pôle sud de l’aimant dans la bobine, puis en le retirant, d’abord plus lentement, puis plus rapidement que lors du premier essai. Lorsque le pôle nord se rapproche et pénètre dans le solénoïde, il induit un courant qui provoque une déviation positive momentanée de l’ampèremètre. Lorsque le pôle nord est retiré du solénoïde, la déviation est négative. L’inversion de l’orientation de l’aimant inverse également la réponse de l’ampèremètre.

Enfin, la vitesse du mouvement affecte le changement du champ magnétique avec le temps, ce qui détermine la tension et le courant induits. Un mouvement plus lent induit moins de courant et une lecture plus petite, et un mouvement plus rapide induit plus de courant et une lecture plus grande.

Pour l’expérience d’auto-inductance, connectez une ampoule, une bobine d’inductance, une alimentation en tension réglée à positif un volt, un interrupteur et l’ampèremètre analogique comme indiqué. Assemblez le circuit avec l’interrupteur ouvert afin qu’aucun courant ne circule.

Fermez l’interrupteur pour connecter la source de tension à l’ampoule et à la bobine de l’inductance. Observez l’ampoule, qui semble être faiblement éclairée. Ouvrez l’interrupteur pour déconnecter l’alimentation en tension du circuit. Observez l’ampoule et l’ampèremètre au moment où l’interrupteur est ouvert, puis notez le résultat. L’ampoule s’allume brièvement et l’ampèremètre affiche en même temps une lecture positive. Cela se produit en raison de l’auto-induction et plusieurs événements se produisent au cours de cette brève période de temps.

Initialement, lorsque l’interrupteur est fermé, le courant circule à la fois dans la bobine et l’ampoule, mais beaucoup plus de courant circule dans la bobine par rapport à l’ampoule, car la bobine a une résistance inférieure à celle de l’ampoule. L’ouverture de l’interrupteur déconnecte la source de tension. Cela entraîne une diminution du courant à travers l’inductance.

Ce courant changeant à travers l’inductance provoque une modification de son flux magnétique, qui à son tour induit un courant transitoire qui s’oppose à la diminution en circulant dans la même direction que le courant d’origine. La combinaison des deux - courant d’origine et courant transitoire - produit le courant d’inductance total, qui traverse maintenant l’ampoule et l’allume brièvement, et provoque en même temps une déviation dans l’ampèremètre pour indiquer un courant positif.

L’induction électromagnétique a de nombreuses applications dans les appareils modernes et constitue une méthode fondamentale de transfert d’énergie et d’informations sans contact physique.

L’induction est le principe de base du fonctionnement des appareils appelés transformateurs. Un transformateur a une paire de bornes d’entrée connectées à un enroulement primaire - ou bobine - et une paire de bornes de sortie connectées à un enroulement secondaire. Un noyau constitué d’acier, de ferrite ou même simplement d’air, couple magnétiquement les deux enroulements. Une tension aux bornes d’un enroulement fait circuler le courant à travers celui-ci, créant un champ magnétique. Le flux magnétique, ou la densité du champ magnétique, est ensuite couplé à l’enroulement secondaire à travers le noyau, où il induit une tension. Ce principe s’appelle l’induction mutuelle.

Une autre application des inductances est celle des moteurs à induction à courant alternatif, qui sont les bêtes de somme de l’industrie moderne en raison de leur simplicité, de leur robustesse et de leur fiabilité. Un moteur à induction n’a que deux parties principales. La première est la partie stationnaire, appelée stator, qui se compose de bobines fixes autour d’une cavité. Le rotor est suspendu dans la cavité, qui est une paire d’anneaux d’extrémité coiffant un arrangement cylindrique de barres. Un moteur à induction triphasé à courant alternatif utilise une alimentation triphasée, chaque phase étant connectée à son propre ensemble séparé de bobines de stator. Les bobines sont disposées selon un motif qui génère un champ magnétique pour chaque phase de la puissance fournie. Le champ magnétique net résultant, appelé « champ magnétique du stator », tourne à vitesse constante.

Le flux magnétique rotatif induit du courant dans le rotor, de la même manière qu’un transformateur transfère l’énergie de la bobine primaire à la bobine secondaire. Le courant à travers les barres du rotor crée à son tour son propre champ magnétique, appelé « champ magnétique induit du rotor ». L’interaction entre ces deux champs produit une force sur le rotor, qui le fait suivre le champ magnétique du stator, comme une barre de fer suivant les aimants qui l’entourent.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à l’inductance électromagnétique. Vous devriez maintenant comprendre comment un champ magnétique variant dans le temps induit une force électromotrice dans un conducteur, et comment le courant résultant produit son propre champ magnétique. Merci d’avoir regardé !