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Induction, loi de Lenz Faraday

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1/5 : Commençons par les aimants permanents !

Comportement des aimants


Rappel du comportement magnétique d'un aimant : les pôles opposés (Nord-Sud ou Sud-Nord) s'attirent alors que les pôles identiques (Nord-Nord ou Sud-Sud) se repoussent !




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Pôles par paires !

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La boussole, l'aimant de base !
Le champ magnétique terrestre est dû à plusieurs facteurs dont la présence de courants électriques qui orientent le pôle Nord d'un aimant vers le NordLe pôle Nord terrestre qui donc est un pôle Sud magnétique... de notre globe.
La boussole est un aimant, en s'orientant, elle nous permet de nous orienter !




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Court-circuit d'un aimant et attraction maximale aux extrémités





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Lignes de force

Lignes de force magnétique
Le champ magnétique, concentré aux extrémités des pôles, est représenté par des lignes de force. Celles-ci mettent en évidence l'importance de l'attraction magnétique aux extrémités de l'aimant et leur absence au centre comme le démontré la vidéo précédente.
C'est arbitrairement qu'il a été décidé que le sens du champ était du nord vers le sud à l'extérieur de l'aimant, car contrairement au courant électrique, il n'existe aucun mouvement mais une simple orientation...
Court-circuit magnétique
Pour optimiser la 'puissance' d'attraction des aimants il faut orienter les 2 pôles magnétiques vers l'élément métallique à attirer. Lorsqu'il est attiré, cet élément fermeEn refermant le circuit magnétique, on le met en cct : court-circuit, ainsi les pôles disparaissent et l'attraction est optimale ! le circuit magnétique.
En court-circuit, l'aimant n'offre plus d'extrémité ouverte et donc plus aucun pôle magnétique. Les lignes de force restent concentrées à l'intérieur. Il s'agît là du meilleur moyen de conserver un aimantOn peut encore améliorer la conservation d'un aimant avec une température basse afin notamment de s'éloigner, nous le verrons, du point de Currie.
Cliquez sur l'image de l'aimant fer à cheval pour relancer l'animation.




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Aimantation et désaimantation de l'acier


Comment aimanter et désaimanter de l'acier au carbone !




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Désaimantation...


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2/5 : Expériences : influence du courant électrique

Influence du courant électrique sur un aimant boussole


Cette vidéo nous permet de constater que :
  • Le courant électrique génère un champ magnétique indépendamment de la perméabilité magnétique du conducteurNul besoin d'un matériau magnétique :
    Le cuivre ne subit pas d'influence visible au champ magnétique (voir connexes en fin).
    Par contre, dès qu'un courant électrique le traverse, une interaction survient.
    Cette propriété était utilisée dans les écrans cathodiques pour dévier le faisceau d'électrons.
    qui l'achemine.
  • La force mécanique du champ magnétique est proportionnelle à l'intensité du courant électrique qui traverse le conducteur. Le sens du déplacement est, lui, lié à la polarité et donc au sens du courant.




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Bobine avec noyau magnétique, constats


Notez le comportement d'une bobine avec un noyau magnétique : ici une barre de fer.
La bobine vient se positionner au milieu de la barre.
Pourquoi ? Afin de symétriser ses pôles Nord et Sud comme pour les lignes de force de l'aimant...




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Du fil à la bobine en passant par la spire

Tire bouchon de MaxwellLe tire-bouchon de MaxwellJames Clerk Maxwell, physicien et mathématicien permet de connaître le sens des lignes de force : Sur notre schéma I va vers le haut, pour que notre tire-bouchon en fasse autant il convient de le visser comme le montrent les flèches circulaires....

La spire unique :

Spire magnétique Afin de concentrer le champ généré, nous formons une spire qui va concentrer les lignes de force et donc le champ magnétique dans le cœur de la spire...
Bobine ou solénoïde

La bobine ou solénoïde :

Afin d'augmenter encore le champ magnétique, il convient de réaliser plusieurs spires, de préférence jointivesAfin de limiter la longueur de la bobine au détriment du champ.
C'est pour cela que les isolants de bobines sont des vernis et non du plastique bien plus épais.
, afin de former un solénoïdeAppelé plus 'vulgairement' bobine ou quelquefois 'self' venant de l'anglais 'self-induction' propriété d'auto-induction d'une bobine ou solénoïde que nous allons voir....




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Expérience entre bobine et aimant


On constate ici l'influence du noyau magnétique sur la force d'attraction d'une bobine.




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Quiz sur la magnétisme...


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3/5 : Les formules, l’hystérésis et le flux !

Les formules... Mais intuitives : rassurez-vous

Nous avons constaté que l'importance du champ magnétique et donc l'induction était proportionnelle à l'intensité du courant électrique ainsi qu'au nombreUn fil rectiligne est considéré comme 1 spire unique, le courant se rebouclant forcément quelque part, ne serait-ce qu'au niveau du générateur... de spires.
La longueur du solénoïde offre une influence inversement proportionnelle, nous l'avons abordé avec le coté jointif des spires. Enfin, la présence d'un noyau a aussi une influence... Voyons cela !

Induction dans le vide (≃ air) :

B0 = µ0 × N × I / lg


Induction dans le vide B0 = Perméabilité du vide µ0 × Nombre de spires N × Intensité I / longueur lg du solénoïde

B s'exprime en Testa (T)



Avec un noyau :

Un noyau magnétique est fourni avec son µr qui est une valeur relative donc sans unité. Un noyau de forte perméabilité (fer doux ≃ 10000 ; Mu-métalLe Mu-métal est un alliage considéré comme le meilleur 'conducteur' magnétique (avec un concurrent : le permalloy), offrant la plus grande perméabilité, très utilisé comme écran de blindage contre les rayonnements électromagnétiques ≃ 150000)

B = B0 × µr


Induction de la bobine avec noyau B = Induction dans le vide ou air B0 × Perméabilité relative du noyau µr




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Cycle d'hystérésis d'un fer doux


1
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4
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Hystérésis fer 1
Toute 1° utilisation : aucune intensité dans la bobine, aucun champ dans la noyau ferreux.
Hystérésis fer 2
L'induction est proportionnelle à l'intensité au début, avant la saturationLa saturation magnétique intervient quand la majorité des particules de fer sont orientées
Hystérésis fer 3
L'intensité dans la bobine est nulle et le noyau ne conserve aucun champ magnétique rémanentSur le schéma nous avons laissé un très faible champ rémanent, comme dans la réalité. Le champ rémanent est dû au fait qu'une très faible partie des molécules conservent leur orientation : le moment magnétique..
Hystérésis fer 4
Le courant offre la même amplitude en inverse, la symétrie du champ est assurée.
Hystérésis fer 5/6
Là aussi intensité et champ magnétiques sont nuls, même remarques qu'en écran 3.
Hystérésis fer 6/6
Voici le cycle d'hystérésis complet du fer doux, le 'S' est extrèmement étroit. Le fer doux est de fait totalement adapté pour la réalisation de tôles magnétiques dans les électroaimants, de moteurs, transformateurs...




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Cycle d'hystérésis d'un acier


1
2
3
4
5
6

hystérésis acier 1/6
Toute 1° utilisation : aucune intensité dans la bobine, aucun champ dans la noyau d'acier.
hystérésis acier 2/6
L'induction est proportionnelle à l'intensité au début, avant la saturationLa saturation magnétique intervient quand la majorité des particules sont orientées
hystérésis acier 3/6
L'intensité dans la bobine est nulle mais le noyau conserve un champ magnétique rémanent, comme un aimant permanent. C'est le cas pour les aciers dursDur ou dopé avec notamment du Cobalt...
On utilise cette particularité dans la réalisation d'aimants non naturels
.
hystérésis acier 4/6
Le courant offre la même amplitude en inverse, la symétrie du champ est assurée.
hystérésis acier 5/6
Là aussi l'intensité est nulle mais un champ est conservé, même remarques qu'en écran 3.
hystérésis acier 6/6
Voici le cycle d'hystérésis complet de cet acier dur, plus le 'S' est large, plus ce matériaux conservera des propriétés magnétiques élevées. Il est de fait totalement inadapté à l'usage d'électraimants, de moteurs, transformateurs...




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Le flux en Weber

Flux magnétique
Le flux Φ en WeberWilhelm Eduard Weber, physicien est le produit de l'induction B par la surface S réellement embrassée par le champ...
Hormis notre exemple parfaitLes plaques sont parallèles au champ dans l'illustration ci-dessus, il faut tenir compte des angles formés entre l'élément traversé (et donc soumis au flux) et le champ lui-même !

Nous simplifierons avec la formule liée à notre exemple :

Φ = B↗ × S↗



A retenir : Le flux est proportionnel à la surface embrassée par le champ, ainsi dans notre dessin, la plaque grise du haut étant plus grande, elle est soumise à un flux supérieur.

Le flux est essentiel car il permet de quantifier bien des phénomènes physiques
Il est proportionnel à l'induction B et à la surface S soumise à ce champ
(lignes de force représentées)




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Vrai ou faux ? ...


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4/5 : Induction électrique par variation de champ magnétique

Un aimant et donc une variation de champ magnétique, induit une tension !


Toute variation de champ magnétique engendre une tension induite !
La réversibilité de l'expérience entre courant électrique et aimant (boussole) est totale
Notez que si l'aimant est déplacé perpendiculairement à la bobine, aucune tension n'est induite !




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Induction magnétique : tableaux récapitulatifs !

Introduction lente Introduction rapide Retrait lent Retrait rapide
Induction magnétique lente positive Induction magnétique rapide positive Induction magnétique lente positive Induction magnétique rapide négative
Tension induite
positive faible
Tension induite
positive élevée
Tension induite
négative faible
Tension induite
négative élevée

Conclusion : Le sens du courant dépend du sens du déplacement et de la polarité de l'aimant. Si l'on inverse les 2, cela annule l'inversionDouble inversion = annulation
Notez que si la tension induite est supérieure avec les mouvement rapides, sa durée est moindre : l'énergie produite est donc identique, rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme... !

Complément : on peut remplacer l'aimant permanent par un électro-aimant
Induction dans l'axe Induction perpendiculaire
Induction optimale, dans l'axe Induction nulle, perpendiculaire




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Tension induite, intensité et force en court-circuit

Base du transformateur et du moteur asynchrone



Ici nous mettons en évidence la tension induite lors d'une variation de champ magnétique.
La seconde étape consiste à réaliser un court-circuit sur la bobine induite afin qu'à son tour elle génère un champ magnétiqueEn la court-circuitant, on la contraint à consommer la tension induite qu'elle génère ; ce qui engendre une intensité... Une intensité dans une bobine provoque un champ magnétique !. La présence de 2 champs magnétiques engendre à son tour une force qui est à la base du fonctionnement, entre autres mais principalement, du fameux moteur asynchrone.




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Récapitulatif des principes : transformateur et moteur

Base du transformateur Base du moteur asynchrone
Expérience induction mutuelle Expérience Lenz force
Impulsions alternatives
Chaque changement de polarité sur la bobine alimentée à gauche génère un champ magnétique variable dans le noyau.
Ce champ induit une tension dans la bobine reliée au galvanomètre uniquement lors des transitions (changements d'état).
Obtention d'une force
Changement d'état électrique = variation de champ magnétique = tension induite dans la bobine en cct Court-circuit. La tension induite dans bobine de droite, du fait du cct, engendre une intensité et donc un second champ magnétique. Deux champs magnétiques sur un même noyau = force = déplacement...
Pour plus de clarté on a fixé la bobine de gauche.




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Expérience : la bobine crée un retard





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Constats sur la vidéo précédente :

  • La résistance de la bobine augmente lors de la fermeture du noyau
  • Le résistance diminue lors de l'ouverture du noyau
  • L'ampoule en série avec la bobine s'éteint à la fermeture du noyau
  • L'ampoule en série avec la bobine présente un retard à la mise sous tension
  • L'ampoule en série avec la bobine s'éteint aussi avec un retard
Le fameux effet selfSelf-induction = auto-induction
Self est le petit nom donné à la bobine, il est issu de cette particularité d'auto (self) induction, fainéants nos amis anglais l'ont raccourci à self !
, auto-induction, est responsable de ces phénomènes :

  • Quand on modifie l'alimentation d'une bobine, elle modifie l'intensité du champ magnétique qu'elle génère.
  • La bobine subit forcément la variation de champ magnétique qu'elle génère puisqu'elle l'entoure...
  • Cette variation de champ induit en son centre une tension qui va interagir avec la tension du générateur qui l'alimente...
Les expériences précédentes indiquent que :
  • Cette tension auto-induite se retranche lors d'une augmentation d'alimentation afin de s'opposer à cette élévation !
  • Cette tension auto-induite s'ajoute lors d'une diminution afin là aussi de s'opposer à cette baisse...
Conclusion : la bobine est contradictoire car elle s'oppose à toute variation de champ magnétique, elle cherche à maintenir l'intensité I qui la traverse : constante !
En effet : en retardant allumage de l'ampoule elle maintient momentanément I à 0 :
U alimentation + U bobine = 0
La tension U bobine s'ajoute car elle est en série avec l'alimentation...
Le résultat est nul car la tension U bobine est opposée à celle de l'alimentation.




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Un nouveau vrai faux !...


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5/5 : On en vient aux formules...

On cherche à définir la tension induite...

Commençons par essayer de mettre à plat les différentes appellations (f.c.e.m ; f.e.m ; E ; Ufcem = force contre-électromotrice, un moteur (une bobine) devient générateur
fem = force électromotrice, toute tension avant pertes : 'coeur' d'une pile, d'une bobine...
Le 'contre' est purement verbal, lorsque l'on considère la bobine comme une source on utilisera fem, si on considère cette tension comme une contrainte, on la nommera fcem !
Aussi, résumons : E = fcem = fem !
U = fem - r × I (pertes dues à la résistance interne × intensité dans le circuit)
Donc à vide (I = 0) : U = E – r × 0 = E !
).
Nous utiliserons uniquement E et UE = à vide, au 'coeur' du générateur
U = tension réelle aux bornes de la source de tension.
.

Procédons lentement en exploitant les multiples expériences ci-dessus :
  • On sait qu'une la bobine devient générateur d'une tension E uniquement lors de variations de champ
  • On a vu que la tension E était proportionnelle à l'intensité du champ magnétique...
  • E est aussi inversement proportionnel au tempsPlus le temps requis pour faire varier ce champ est court, plus l'effet est élevé !
    (Vu avec : introduction de l'aimant...)
    E est donc proportionnel à la vitesse, et donc inversement proportionnel au temps requis pour le déplacement...
    La vitesse est un déplacement par unité de temps, il est plus simple de raisonner directement sur le temps !
  • Enfin, E s'oppose, E est donc négatif – par rapport à la source : le générateur
Mettons tout celà en équation :

Tension E = – ( Variation de flux / temps requis pour cette variation )


E = - ( ΔΦ / Δt )

Volt = - ( Weber / seconde )



Il existe bien des déclinaisons de cette formule générale, dans nos autres cours nous y reviendrons...




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L'enrouleur électrique...


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Résistivité des principaux matériaux

Matériauρ
Argent16×10-9
Cuivre17×10-9
Or22×10-9
Aluminium28×10-9
Fer100×10-9

Notons au passage le ratio entre cuivre et fer :
100 / 17 = 5.88, soit environ 6 comme vu dans la vidéo !

Pour simplifier l'utilisation du tableau, nous allons utiliser ce résumé pratique :
1 m de cuivre en 1 mm² ≃ 0.017 ΩLe mm² est l'unité usuelle en électricité.
Ainsi de 10-9 on arrive à 10-3 ce qui est plus pratique à manier pour les calculs !
Un mètre de fil de suivre de 1 mm² de section offre une résistance de 17 mΩ.
Soit : 0.017 Ω


Coté aluminium :
1 m d'aluminium en 1 mm² ≃ 0.028 ΩLe mm² est l'unité usuelle en électricité.
Un mètre de fil d'aluminium de 1 mm² section offre une résistance de 28 mΩ
Soit : 0.028 Ω


Alors aluminium ou cuivre ? Si le coté économique peut jouer, nous resterons sur un plan technique :
L'aluminium est 28 / 17 ≃ 1,65 fois plus résistif que le cuivreA section et longueur comparables :
Ainsi on choisit 16 mm² aluminium pour remplacer 10 mm² en cuivre,
25 mm² en 'alu' au lieu de 16 mm² en cuivre...
, en augmentant donc la section pour conserver les mêmes caractéristiques électriques coté résistance, on subira un fil plus volumineux (la section augmentera de 60%) ! Mais il sera plus léger...
En effet, la densitéla densité est une valeur sans unité relative à l'eau pure.
Un litre d'eau = 1 kilogramme = densité 1 = la référence
Le cuivre est donc quasiment 9 fois plus 'lourd' à volume identique...
du cuivre est de 8.92 pour seulement 2.7 pour l'aluminium.
Soit une densité : 8.92 / 2.7 ≃ 3.3 fois moindre pour l'aluminium...
Malgré la compensation nécessaire en section et donc masse d'≃ 60 % :
3.3 / 1.6 ≃ 2
L'aluminium pour une résistance égale sera 2 fois plus léger... C'est une des raisons de son choix pour certaines applications où la masse des conducteurs est un facteur important :
Lignes électriques aux piliers moins soumis à contraintes et plus éloignés...

Disséquons le tube fluo !

Extrémité d'un tube fluorescent
N’appelez pas néonÉmet une lumière rouge sans lien avec la fluorescence le tube fluorescent !
Ce tube est une lampe à décharge faible pression contenant du mercure sous forme gazeuse.
L'intérieur du tube est recouvert d'une poudre fluorescente blanche (blanc froid, chaud, ...Warm ou Cold:
éclairage blanc froid 4000 K et plus ou chaud 3200 K et moins
Eclairage blanc froid : 4000 K et +
Chaud 3200 K (Kelvin) et –
).
Zoom sur la résistance et l'anode du tube fluo
En rouge la résistance en service grâce au starterPhoto du starter favorisant le circuit par les résistances :
Stater de tube fluo, photo Wikipedia
Source : Wikipedia
à chaque allumage.

En bleu clair l’électrode assurant l'ionisation du mercure sous forme gaseude.

Notez que tout tube possède ces éléments à chaque extrémité !
Schéma tube fluorescent
En orange les résistances mises en service via le starter en bleu en haut qui ne sert qu'au démarrage. Ces résistances sont très utiles notamment par basse température !
En noir la bobine souvent appelée ballastBobine créant une surtension à chaque ouverture du circuit : 100 fois par seconde en alternatif 50 Hz, à chaque passage par 0 ! assurant la surtension (par rapport à l'alimentation principale) requise pour provoquer l'ionisation entre les électrodes situées à chaque extrémités.

Conseils+, compléments, prérequis :
Résistivité cuivre, alu...
Tube fluorescent

Cours connexes recommandés par l'auteur :

Crée le 18 / 03 / 2017, der. màj le 26 / 10 / 2017 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 203 fois ★★☆☆☆
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Gu5835e07c1389f
https://www.tecnipass.com/cours-electricite-courant.alternatif-electromagnetisme QUIFOCUS https://www.tecnipass.com Cx58cd0541d587a
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