Induction électromagnétique

La découverte de l'induction électromagnétique

Michael Faraday a découvert la loi de l'induction en 1831. Il a mené une procédure expérimentale dans laquelle il a connecté une batterie, un galvanomètre, un aimant et un fil conducteur. Tu peux voir cela sur la figure 1.

Voici ce que Faraday a découvert au cours de son expérience :

• Lorsqu'il a débranché la pile, il n'y a pas eu de circulation de courant électrique et aucun flux magnétique n'a été induit dans l'aimant.
• Lorsqu'il a fermé l'interrupteur, on a pu observer un courant transitoire circulant dans le galvanomètre. Faraday l'a appelé "l'onde électrique".
• Lorsqu'il a ouvert l'interrupteur, le courant mesuré a rapidement atteint le côté opposé des relevés avant de revenir à zéro.

Au cours des mois suivants, Faraday a poursuivi ses expériences, qui l'ont amené à découvrir d'autres propriétés de l'induction électromagnétique. Il a observé les mêmes courants transitoires lorsqu'il a déplacé rapidement un barreau aimanté à travers la bobine de fils. Il a également généré un courant continu en faisant tourner un disque de cuivre à côté du barreau aimanté à l'aide d'un fil électrique coulissant.

Faraday a résumé ses découvertes en utilisant un concept qu'il a appelé "lignes de force". Lorsque l'interrupteur passe initialement de l'état ouvert à l'état fermé, le flux magnétique à l'intérieur du noyau magnétique passe de zéro à la valeur maximale (qui est une valeur constante). Au fur et à mesure que le flux augmentait, on observait un courant induit du côté opposé. De même, lorsque l'interrupteur est ouvert, le flux magnétique dans le noyau diminue de sa valeur maximale constante pour revenir à zéro. Par conséquent, un flux décroissant dans le noyau induisait un courant opposé du côté droit.

La loi de Faraday sur l'induction électromagnétique

Faraday a observé les résultats de son expérience et a exprimé ses observations de façon mathématique. Il a remarqué que le changement soudain du flux magnétique à l'intérieur de l'aimant augmentait de zéro à une certaine valeur maximale. Ainsi, lorsque le flux est modifié, un courant induit est créé du côté opposé.

Faraday a conclu qu'un flux magnétique changeant dans un circuit fermé induit une force électromotrice ou une tension, ce qui est illustré dans l'équation ci-dessous. Dans cette équation, ε est la force électromotrice (mesurée en volts), Φ est le flux magnétique dans un circuit (mesuré en weber), N est le nombre de tours de la bobine et t est le temps (mesuré en secondes).

\[\varepsilon = N \cdot \frac{\Delta \phi}{\Delta t}\]

À partir de cette équation, nous pouvons déterminer les paramètres qui affectent le champ magnétique : un aimant plus puissant (qui affecte le flux magnétique), plus de bobines (qui affecte N) et la vitesse à laquelle le fil se déplace.

L'équation de Maxwell-Faraday

L'équation de Maxwell-Faraday stipule qu'un champ magnétique variant dans le temps crée un champ électrique variant dans l'espace et vice versa. Tu peux voir l'équation de Maxwell-Faraday ci-dessous, où × est un symbole mathématique qui représente le gradient du champ électrique E, et B le champ magnétique. Les deux champs sont fonction de la position r et du temps t.

\[\bigtriangledown \cdot E = \frac{-\Delta B}{\Delta t}\]

Loi de Lenz sur l'induction électromagnétique

La loi de Lenz est également exprimée mathématiquement dans l'équation ci-dessous. Le signe moins correspond à l'ajout de la loi de Lenz à l'expression de Faraday pour montrer que la direction de la force induite s'oppose aux changements du champ magnétique.

\[\varepsilon = -N \cdot \frac{\Delta \phi}{\Delta t}\]

Règle de Lenz

La direction du courant induit peut être déterminée à l'aide de la règle de Lenz. Nous étendons nos doigts de façon à ce qu'ils soient mutuellement perpendiculaires. Le pouce pointe vers la force (F), l'index pointe dans la direction du champ magnétique (B) et le majeur donne la direction du courant induit (I).

Induction électromagnétique et liaison de flux magnétique

Tu peux voir cela dans l'équation ci-dessous, où Φ est le flux magnétique (Wb), N est le nombre de spires, B est la densité du flux magnétique (T) et A est la surface de la section transversale (^m2). Lorsque nous considérons le flux magnétique d'une bobine, la composante N est cruciale pour calculer la liaison magnétique d'une bobine.

\N- [\N- \N- \N- \N- \N- \N- \N- \N]

Nous calculons la liaison magnétique totale en multipliant le flux magnétique par le nombre de tours d'une bobine. Nous pouvons ignorer le terme N lorsque nous considérons le flux magnétique d'une surface donnée.

\N- [\N- \N- \N- \N- \N- \N- \N- \N]

Applications de l'induction électromagnétique

L'induction électromagnétique est très importante car elle permet de générer de l'électricité dans un circuit fermé. L'induction électromagnétique est très utile dans les générateurs électriques, les transformateurs et les moteurs. Les applications les plus connues de l'induction électromagnétique sont le générateur de courant alternatif, le transformateur électrique et le débitmètre magnétique.