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Vidéo de la leçon: Induction électromagnétique Physique

Dans cette vidéo, nous allons apprendre comment décrire le courant électrique induit dans un fil conducteur placé dans un champ magnétique variable.

15:20

Transcription de la vidéo

Dans cette leçon, nous avons la chance d’en apprendre un peu plus sur l’une des découvertes les plus importantes et les plus utiles de l’histoire de la physique. C’est la découverte du phénomène de l’induction électromagnétique. L’induction électromagnétique est utile pour les chargeurs de téléphones portables, les ordinateurs portables, les écouteurs, les lecteurs de CD, la cuisine, les micros de guitare, le chauffage, la soudure, les générateurs d’énergie, les transformateurs, les tablettes graphiques, les débitmètres sur les tuyaux et la stimulation électro-crânienne. L’induction électromagnétique est présente partout que vous regardiez dans n’importe quel domaine ou industrie.

Et pourtant, l’idée derrière l’induction électromagnétique est vraiment simple. Imaginons que nous avons une boucle de fil conducteur et un aimant permanent. Pour le moment, aucun courant ne traverse cette boucle de fil. En effet, il n’y a pas de force électromotrice qui pourrait pousser la charge autour de la boucle. Mais disons que, nous mettons un dispositif de mesure du courant appelé ampèremètre dans la boucle juste pour voir quand le courant la traverse.

Notre ampèremètre - notre appareil de mesure du courant - possède un écran. Et nous voyons qu’au moment où l’aiguille sur l’écran est dirigée vers zéro, aucun courant ne circule dans la boucle. Ce n’est pas trop surprenant bien sûr parce que nous n’avons pas de pile ou de batterie ou autre chose pour alimenter le courant dans notre boucle. Disons que nous prenons ensuite notre aimant permanent et que nous le déplaçons à travers la boucle du fil. Si nous le faisions, nous pourrions remarquer très brièvement une oscillation sur l’écran de notre ampèremètre. Mais ensuite, avec l’aimant étant au repos, nous voyons que l’aiguille de l’ampèremètre est à zéro. Nous commençons presque à douter de nous-mêmes. Avons-nous réellement vu le mouvement de l’aiguille de l’ampèremètre? Essayons à nouveau.

Cette fois, nous déplaçons l’aimant à travers la boucle dans le sens opposé. Cette fois, très brièvement, nous voyons l’aiguille dévier à nouveau, mais dans le sens opposé. Une fois de plus, lorsque l’aimant retourne au repos, l’aiguille revient à zéro. À ce stade, nous ne pouvons pas vraiment expliquer ce qui se passe. Mais il semble bien que quelque chose se passe avec le courant dans cette boucle de fil lorsque l’aimant la traverse. Nous continuons donc d’essayer de faire passer l’aimant dans un sens et dans l’autre, et de voir comment l’ampèremètre réagit. Chaque fois que nous le faisons, nous remarquons que l’aiguille de l’ampèremètre dévie puis retourne à zéro. Finalement, nous sommes en mesure de tirer quelques conclusions que nous pouvons noter dans notre cahier de laboratoire.

Notre première observation est que quand l’aimant se déplace dans la boucle, le courant circule dans la boucle. Cela semble tout à fait étrange. Mais c’est ce que nous voyons encore et encore. La deuxième chose que nous avons remarquée est que quand l’aimant ne bouge pas, aucun courant ne circule dans la boucle. Et enfin, nous remarquons que quand l’aimant se déplace dans le sens opposé à travers la boucle, alors le courant dans la boucle aussi. Ce que nous découvrons ici à travers ces trois observations, c’est que lorsque notre aimant se déplace dans cette boucle, il induit un courant. Et apparemment, il y a quelque chose à propos du mouvement de l’aimant qui est très important. Nous avons remarqué que ce n’est que lorsque l’aimant se déplace que le courant est effectivement induit dans la boucle.

Pensons un instant à notre aimant. Avec la façon dont nous l’avons représenté, nous ne voyons que les pôles nord et sud de cet aimant permanent. Mais nous savons qu’il n’y a pas que ça. En effet nous savons que chaque aimant crée un champ magnétique autour de lui-même. Ce champ magnétique ressemble à ceci. Nous le représentons en utilisant des lignes de champ qui pointent du pôle nord au pôle sud. Nous pouvons rappeler comme nous l’avons vu précédemment que ce champ magnétique est le plus fort là où les lignes de champ sont les plus denses ; c’est-à-dire où elles sont les plus proche. Il s’agit des positions proche des pôles, ici et ici. Et puis, lorsque les lignes de champ deviennent moins denses, cela indique une intensité de champ globale plus faible.

Donc, chaque fois que nous déplaçons notre aimant à travers cette boucle de fil, ce n’est pas seulement l’aimant qui traverse, mais aussi le champ. Et puisque le champ de l’aimant a une force différente ici par rapport à ici, ici ou ici ou plus loin sur cette ligne, nous pouvons dire que lorsque l’aimant se déplace dans la boucle, la boucle subit une variation de champ magnétique. Une autre façon de dire cela est que si nous regardions la section transversale de notre boucle de fil, alors lorsque l’aimant se déplacerait à travers la boucle, le champ magnétique à travers cette zone changerait. Et d’après nos observations, il semblerait que lorsque cela se produit, un courant circule dans la boucle. C’est-à-dire que le courant est induit dans la boucle du fil.

Voici une façon de rédiger une conclusion sur cette expérience. Nous pouvons dire que quand le champ magnétique à travers une boucle de fil varie, un courant circule ; c’est-à-dire est induit dans la boucle. Cette affirmation que nous avons développée ici s’avère être un excellent résumé de ce que signifie l’induction électromagnétique. Il est dit que si nous avons une boucle de fil fermée, lorsque le champ magnétique à travers cette boucle varie, alors un courant est créé ou induit dans le fil.

Voilà qui est vraiment intéressant. Et il existe de nombreuses façons d’explorer cette idée plus en détails. Il y a beaucoup de modifications que nous pourrions apporter à notre installation expérimentale pour voir quel effet ces changements entrainent. Par exemple, jusqu’à présent, nous avons utilisé une seule boucle de fil. Mais que se passerait-il si nous utilisions plusieurs boucles de fil et faisions passer l’aimant à travers celles-ci ? Ou si nous utilisions un aimant plus fort et le faisions passer dans les boucles ? Ou si nous rendions la taille des boucles plus ou moins grande ? Toutes ces modifications dont nous parlons créeront des changements dans la quantité de courant induite dans notre boucle.

Nous pouvons résumer ces changements en développant un peu ce que nous avons dit ici à propos de l’induction électromagnétique. Nous constatons que plus la variation du champ magnétique à travers la surface totale de la boucle est grande, plus le courant est induit sera intense. Ainsi, par exemple, lorsque nous avons parlé d’ajouter plus de boucles à notre boucle unique de fil, alors qu’avec une seule boucle, notre aire de boucle totale serait cette aire, lorsque nous ajoutons plus de boucles, notre aire de boucle totale augmentera car maintenant tout cette surface est incluse dans notre calcul de boucle. Ou considérez l’option d’utiliser un aimant plus puissant. Dans ce cas, nous avons un champ magnétique plus fort.

Et par conséquent, la variation du champ magnétique à travers la surface de la boucle - quelle que soit cette surface - serait plus grande dans son ensemble et, par conséquent, un plus grand courant serait induit. Et nous pouvons voir que lorsqu’il s’agit de changer la taille de la boucle, soit de la rendre plus grande ou plus petite, la rendre plus grande augmenterait la surface totale de la boucle, induisant ainsi un courant plus fort. Et la rendre plus petite diminuerait cette surface, diminuant ainsi l’intensité du courant induit.

Une dernière chose à propos de cette configuration expérimentale, nous avons vu que lorsque l’aimant est orienté tel quel avec le pôle nord à droite, alors lorsque nous passons cet aimant à travers les boucles, l’aiguille de notre ampèremètre se déplace vers la droite. Ce mouvement dans le sens de ce qu’on appelle un courant positif indique un certain sens du courant qui circule dans la boucle, soit dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse. Si nous retournons ensuite l’aimant de sorte que le pôle nord pointe maintenant vers la gauche et nous le faisons passer avec cette orientation à travers les boucles de fil, alors nous verrons l’aiguille dévier dans le sens opposé. En d’autres termes, le courant est induit dans les boucles en sens inverse par rapport au cas précédent. On pourrait dire que ce changement d’orientation de l’aimant implique une variation du champ magnétique à travers la surface totale de la boucle. De cette façon, cette affirmation résume vraiment ce que nous avons quant aux phénomènes observés dans cette expérience.

Donc, jusqu’à présent, nous avons eu une bobine de fil stationnaire et un aimant et donc un champ magnétique qui est en mouvement à travers elle. C’est ainsi que nous avons généré une variation du champ magnétique à travers la surface totale d’une boucle. Cependant, il existe une autre façon de créer ce type de changement. Disons que nous avons cela. Il s’agit d’un champ magnétique - nous l’appellerons B - qui pointe hors de l’écran vers nous. Nous dirons que ce champ a une force constante, qu’il a la même intensité en tout point. Imaginez alors que dans ce champ, nous plaçons cette piste en forme de U. Et nous dirons que cette piste est faite d’un matériau conducteur. Cela pourrait être un fil.

Nous pouvons voir que tel quel, le courant ne peut pas circuler le long de cette piste car il ne s’agit pas d’une boucle fermée. Mais que se passe-t-il si nous prenons un fil droit et que nous le posons sur la piste comme cela ? Dans ce cas, grâce à ce fil en travers de la piste, nous avons maintenant une boucle fermée. C’est ici que le courant pourrait circuler. Mais bien sûr, pour que le courant circule, nous avons besoin de quelque chose pour le faire avancer, une force électromotrice. Alors, réfléchissons de manière créative ici.

L’induction électromagnétique nous dit qu’une variation du champ magnétique total à travers une boucle conductrice induit un courant. Ici, notre champ magnétique ne varie pas. On dit que dans ce cas, le champ magnétique est constant. Mais nous pourrions toujours changer le champ magnétique global de cette boucle. Comment pourrions-nous faire cela ? Nous pourrions le faire en changeant l’aire de la boucle. Et nous le ferons en mettant notre fil en mouvement le long de la piste. Pensez-y. Au début, c’est l’aire de la boucle avec laquelle nous travaillons. Mais alors que notre fil se déplace, nous augmentons l’aire de notre boucle conductrice.

Donc, alors qu’avant, le champ magnétique total passant par notre boucle était contenu dans cette surface, maintenant que notre boucle est plus grande, nous avons le champ magnétique total étendu sur une plus grande surface. Globalement, le champ magnétique varie à travers notre boucle. C’est parce que la surface de la boucle change. Autrement dit, on pourrait dire que ce champ magnétique a une certaine force par unité de surface. À mesure que la surface que nous considérons grandit, nous augmentons de plus en plus l’intensité du champ magnétique totale. Cela signifie que l’intensité totale du champ varie à mesure que la surface augmente.

Ce que tout cela signifie, c’est que si nous avons vraiment ce champ magnétique uniforme - cette piste conductrice et le fil qui la traverse en mouvement le long de la piste - alors quand le fil se déplace, un courant électrique est effectivement induit dans cette boucle fermée. Et voici quelque chose d’intéressant : plus vite notre fil se déplace, plus le courant induit serait intense dans la boucle. Ce que nous voyons dans l’ensemble, c’est qu’il y a deux composantes importantes pour induire du courant dans une boucle de fil. L’une est le champ magnétique traversant la boucle et l’autre est l’aire de la boucle. Ce que nous avons vu, c’est que si l’une ou l’autre de ces deux choses change, cela suffit à induire un courant dans la boucle.

Comme nous l’avons dit, c’est une variation du champ magnétique total à travers une boucle conductrice qui induit un courant. Et peu importe comment cette variation se produit, que ce soit en modifiant le champ ou la surface de la boucle. Maintenant, entraînons-nous une peu avec l’induction électromagnétique à l’aide d’un exemple.

La figure montre un aimant permanent déplacé à travers une boucle de fil de cuivre. Ce mouvement induit un courant électrique de 0,5 ampères dans le fil. Si l’aimant est déplacé à travers la boucle à demi-vitesse, quel sera le courant dans la boucle ? Si l’aimant permanent est changé pour un aimant deux fois plus puissant et qui se déplace à travers la boucle à la vitesse initiale, quel sera le courant dans la boucle ?

Alors, en regardant notre figure, nous voyons notre boucle de fil de cuivre, un matériau conducteur et l’aimant permanent qui le traverse. On nous dit que lorsque cela se produit, lorsque le fil se déplace dans la boucle, cela induit un courant de 0,5 ampères dans le fil. Ce mouvement de l’aimant se déplaçant à travers la boucle se produit à une certaine vitesse. Nous pouvons l’appeler v même si elle n’est pas indiquée dans notre figure.

Dans la première question on nous dit qu’on à la même configuration, à l’exception de la vitesse à laquelle nous déplaçons l’aimant ; nous la rendons moitié moins rapide qu’auparavant, dans ce cas, que va-t-il arriver au courant induit dans la boucle ? Pour commencer à comprendre cela, il sera utile de tracer les lignes de champ magnétique qui montrent le champ magnétique créé par cet aimant. Ce champ et les lignes de champ qui le représentent ressemblent à ceci. Donc, au début, nous déplaçons cet aimant et son champ magnétique à travers la boucle à la vitesse que nous appelons v.

Cela signifie que le champ magnétique total à travers cette boucle change pendant que l’aimant se déplace. Et le taux de variation - la vitesse avec laquelle il se produit – est en lien avec la vitesse v. Plus v est élevée, plus l’aimant se déplace rapidement et donc plus le champ magnétique à travers la boucle varie rapidement. Et cette variation est le mécanisme qui induit un courant dans le fil. La vitesse à laquelle ce changement se produit correspond directement à la quantité de courant induit. En d’autres termes, plus le champ magnétique à travers la boucle change rapidement, plus le courant induit dans la boucle sera intense.

Ceci est important car on nous dit que la modification dans cette première question est que nous ne déplaçons plus l’aimant avec notre vitesse v. La vitesse initiale se modifié pour être la moitié de cette vitesse. Puisque nous déplaçons l’aimant relativement plus lentement, cela signifie que le champ magnétique subit par la boucle changera plus lentement. Lorsque ce taux de variation du champ magnétique à travers la boucle diminue, il en sera de même pour le courant.

Nous ne savons pas exactement quel sera le courant lorsque nous déplacerons notre aimant à la moitié de la vitesse initiale. Mais nous savons juste que ce sera inférieur à la quantité initiale de 0,5 ampères. Nous allons écrire cela pour répondre. Et l’explication que nous avons vue est que le taux de variation du champ magnétique à travers notre boucle conductrice diminue par rapport à ce qu’il était à l’origine. Moins de variation signifie moins de courant induit, ce qui signifie que quel que soit le courant, il sera inférieur à 0,5 ampère.

Dans la deuxième partie de notre question, nous avons demandé si l’aimant permanent est changé pour un aimant deux fois plus puissant, mais qu’il se déplace à travers la boucle à la vitesse initiale - que nous avons appelé v - quel sera le courant dans la boucle. Si nous devions doubler la force de cet aimant et donc la force de son champ magnétique, tout en maintenant le mouvement de l’aimant, alors la question est de savoir quel effet cela aura sur le taux de variation du champ magnétique à travers cette boucle.

Avec le champ de l’aimant globalement plus fort, cela signifie que nous pourrions nous attendre à ce que la variation de l’intensité du champ magnétique passant d’un pôle de l’aimant à l’autre soit plus grand qu’avant. Cela signifie que si nous passons entièrement cet aimant à travers la boucle, la variation du champ magnétique subie par la boucle augmenterait. Cette augmentation entraînera une augmentation du courant électrique induit.

Tout comme avant, nous ne pouvons pas dire exactement quel sera le courant dans ce cas. Mais nous nous attendons à ce qu’il soit plus grand que ce qu’il était avant, supérieur à 0,5 ampères. Et nous écrivons cela comme réponse parce que nous avons vu que la vitesse à laquelle le champ magnétique à travers la boucle change est augmentée dans ce cas. Et nous nous attendons à ce que cette augmentation augmente l’intensité du courant induit.

Prenons un instant pour résumer ce que nous avons appris sur l’induction électromagnétique.

Dans cette leçon, nous avons vu ce que signifie les termes induction électromagnétique. L’induction électromagnétique se produit quand une variation du champ magnétique à travers une boucle conductrice crée ou induit un courant dans la boucle. Nous avons vu que cela peut se produire de différentes manières. La première consiste à prendre un aimant permanent et à le déplacer à travers une boucle de fil stationnaire. Une autre façon consiste à configurer un champ magnétique constant, puis à créer une boucle conductrice dont la surface change au cours du temps. Dans ces deux scénarios, nous avons vu que dans l’ensemble il y a une variation du champ magnétique à travers la surface de la boucle et donc un courant induit dans celle-ci.

De plus, nous avons vu que plus le taux de variation de l’intensité totale du champ magnétique à travers une boucle est élevé, plus le courant induit est intense. Et nous avons vu que cela fonctionnait également dans le sens inverse. Plus le taux de variation est petit, moins le courant induit est intense. Ce sont les idées de base concernant l’induction électromagnétique, un phénomène si utile et si répandu que nous le voyons partout dans notre vie quotidienne.

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