Ce tutoriel explique le concept de CEM inductif et quand il se produit. Nous examinerons également l'inductance en tant que paramètre clé pour l'apparition d'un flux magnétique lorsqu'un champ électrique apparaît dans un conducteur.
L'induction électromagnétique est la génération de courant électrique par des champs magnétiques qui changent dans le temps. Grâce aux découvertes de Faraday et de Lenz, les régularités ont été formulées en lois, qui ont introduit la symétrie dans la compréhension des flux électromagnétiques. La théorie de Maxwell a réuni les connaissances sur le courant électrique et les flux magnétiques. Grâce aux découvertes de Hertz, l'humanité a découvert les télécommunications.
Contenu
Flux magnétique
Un champ électromagnétique apparaît autour d'un conducteur parcouru par un courant électrique, mais en parallèle, le phénomène inverse, l'induction électromagnétique, se produit également. Prenons l'exemple du flux magnétique : si un cadre conducteur est placé dans un champ électrique avec induction et déplacé de haut en bas le long des lignes de force magnétiques, ou de droite à gauche perpendiculairement à celles-ci, le flux magnétique à travers le cadre aura une valeur constante.
Si le cadre tourne autour de son axe, au bout d'un certain temps, le flux magnétique change d'une certaine quantité. Cela produira une CEM dans le cadre et un courant électrique, appelé courant d'induction.
CEM inductif
Comprenons en détail le concept de CEM inductif. Lorsqu'un conducteur est placé dans un champ magnétique et se déplace en croisant les lignes de champ, une force électromotrice appelée CEM inductive apparaît dans le conducteur. Il se produit également si le conducteur reste immobile et que le champ magnétique se déplace et croise les lignes de champ avec le conducteur.
Lorsqu'un conducteur, où une CEM est générée, est court-circuité avec un circuit externe, un courant inductif commence à circuler dans le circuit en raison de la présence de cette CEM. L'induction électromagnétique implique le phénomène d'induction d'une force électromagnétique dans un conducteur au moment où il est traversé par des lignes de champ magnétique.
L'induction électromagnétique est le processus inverse de la transformation de l'énergie mécanique en courant électrique. Ce concept et ses lois sont largement utilisés en électrotechnique et la plupart des machines électriques sont basées sur ce phénomène.
Faraday et Lenz
Les lois de Faraday et de Lenz représentent les lois de l'induction électromagnétique.
Faraday a révélé que les effets magnétiques apparaissent à la suite de la variation du flux magnétique dans le temps. Dès qu'un conducteur est traversé par un courant magnétique alternatif, une force électromotrice est générée dans le conducteur, ce qui entraîne un courant électrique. Un aimant permanent et un électro-aimant peuvent tous deux générer du courant.
Le scientifique a constaté que l'intensité du courant augmente lorsque le nombre de lignes électriques qui traversent le circuit change rapidement. La CEM de l'induction électromagnétique est en relation directe avec le flux magnétique.
Selon la loi de Faraday, la formule de l'induction électromagnétique EMF est définie comme suit :
E = - dF/dt.
Le signe moins indique la relation entre la polarité de la force électromotrice induite, la direction du flux et le changement de vitesse.
Selon la loi de Lenz, il est possible de caractériser la force électromotrice en fonction de sa direction. Toute variation du flux magnétique dans la bobine entraîne une force électromagnétique d'induction, cette force augmentant lorsque la variation est rapide.
Si une bobine à CEM d'induction est court-circuitée à un circuit externe, elle est traversée par un courant d'induction qui crée un champ magnétique autour du conducteur et donne à la bobine les propriétés d'un solénoïde. Par conséquent, un champ magnétique propre se forme autour de la bobine.
E.H. Lenz a établi la loi selon laquelle la direction du courant d'induction dans la bobine et la force électromotrice d'induction sont déterminées. La loi stipule que la force électromagnétique inductive dans la bobine forme un courant dans la bobine dans la direction dans laquelle le flux magnétique donné de la bobine permet d'éviter un changement du flux magnétique étranger.
La loi de Lenz s'applique à toutes les situations d'induction de courant électrique dans les conducteurs, indépendamment de leur configuration ou de la méthode de modification du champ magnétique externe.
Le mouvement d'un fil dans un champ magnétique
La valeur de la FEM induite est déterminée en fonction de la longueur du conducteur traversé par les lignes de champ. Plus les lignes de force sont nombreuses, plus la valeur de la force électromotrice induite augmente. Lorsque le champ magnétique et l'induction augmentent, une plus grande valeur de CEM apparaît dans le conducteur. Ainsi, la valeur de la CEM dans un conducteur se déplaçant dans un champ magnétique est en corrélation directe avec l'induction du champ magnétique, la longueur du conducteur et sa vitesse.
Cette dépendance se traduit par la formule E = Blv, où E est la force électromagnétique d'induction ; B est la valeur de l'induction magnétique ; I est la longueur du conducteur ; v est la vitesse de son mouvement.
Notez que dans un conducteur se déplaçant dans un champ magnétique, l'induction EMF n'apparaît que lorsqu'elle croise les lignes de force du champ magnétique. Si le conducteur se déplace le long des lignes de champ, aucune force électromotrice n'est induite. Pour cette raison, la formule ne s'applique que lorsque le mouvement du conducteur est perpendiculaire aux lignes de force.
La direction de la force électromotrice induite et du courant électrique dans le conducteur est déterminée par la direction du mouvement du conducteur lui-même. Une règle de droite a été développée pour révéler la direction. Si vous tenez la paume de votre main droite de manière à ce que les lignes de champ entrent dans sa direction et que votre pouce pointe dans la direction du conducteur, alors les quatre autres doigts montrent la direction de la CEM induite et la direction du courant électrique dans le conducteur.
Bobine rotative
La fonction d'un générateur de courant électrique est basée sur la rotation d'une bobine dans un flux magnétique, où il y a un certain nombre de bobines. Une CEM est induite dans un circuit électrique toujours lorsqu'il est traversé par un flux magnétique, selon la formule flux magnétique F = B x S x cos α (induction magnétique multipliée par la surface traversée par le flux magnétique et le cosinus de l'angle formé par le vecteur directionnel et la perpendiculaire au plan de la ligne).
Selon la formule, F est affecté par les changements de situation :
- une modification du flux magnétique change le vecteur directionnel ;
- la zone entourée par le circuit change ;
- l'angle est modifié.
Il est permis d'induire une force électromotrice lorsque l'aimant est immobile ou que le courant est inchangé, mais simplement en faisant tourner la bobine autour de son axe dans le champ magnétique. Dans ce cas, le flux magnétique change lorsque l'angle change. La bobine croise les lignes de flux magnétique lorsqu'elle tourne, ce qui entraîne une CEM. Avec une rotation uniforme, il y a un changement périodique du flux magnétique. De même, le nombre de lignes de force, qui sont traversées chaque seconde, devient égal dans des intervalles de temps égaux.
En pratique, dans les générateurs de courant alternatif, la bobine reste immobile et l'électroaimant tourne autour d'elle.
CEM d'auto-induction
Lorsqu'un courant électrique alternatif passe dans une bobine, un champ magnétique alternatif est généré, caractérisé par un flux magnétique variable qui induit une CEM. Ce phénomène est appelé auto-induction.
Le flux magnétique étant proportionnel à l'intensité du courant électrique, la formule de la FEM d'auto-induction est alors la suivante :
F = L x I, où L est l'inductance, qui est mesurée en Gn. Sa valeur est déterminée par le nombre de tours par unité de longueur et la taille de leur section transversale.
Induction mutuelle
Lorsque deux bobines sont placées côte à côte, elles présentent une FEM d'induction mutuelle qui est déterminée par la configuration des deux circuits et leur orientation mutuelle. Lorsque la séparation des circuits augmente, la valeur de l'inductance mutuelle diminue car il y a une diminution du flux magnétique commun aux deux bobines.
Examinons de plus près comment se produit l'induction mutuelle. Il y a deux bobines, l'une avec N1 tours transporte le courant I1, qui crée un flux magnétique et circule dans la seconde bobine avec N2 tours.
La valeur de l'inductance mutuelle de la deuxième bobine par rapport à la première bobine :
M21 = (N2 x F21)/I1.
Valeur du flux magnétique :
F21 = (M21/N2) x I1.
La CEM induite est calculée à l'aide de la formule :
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
Dans la première bobine, la valeur de la FEM induite est :
E1 = - M12 x dI2/dt.
Il est important de noter que la force électromotrice induite par l'induction mutuelle dans l'une des bobines est en tout cas directement proportionnelle à la variation du courant électrique dans l'autre bobine.
L'inductance mutuelle est alors supposée être égale à :
M12 = M21 = M.
En conséquence, E1 = - M x dI2/dt et E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), où K est le facteur de couplage entre les deux valeurs d'inductance.
L'interinduction est largement utilisée dans les transformateurs, qui donnent la possibilité de changer les valeurs d'un courant électrique alternatif. Le dispositif consiste en une paire de bobines enroulées sur un noyau commun. Le courant dans la première bobine forme un flux magnétique variable dans le noyau magnétique et le courant dans la deuxième bobine. Si le nombre de spires de la première bobine est inférieur à celui de la seconde, la tension augmente, et inversement, si le nombre de spires de la première bobine est supérieur, la tension diminue.
Outre la production et la transformation de l'énergie électrique, le phénomène d'induction magnétique est utilisé dans d'autres dispositifs. Par exemple, dans les trains à sustentation magnétique, qui se déplacent sans contact direct avec le courant dans les rails, mais quelques centimètres plus haut grâce à la répulsion électromagnétique.
Articles connexes :
