Simulation de Induction électromagnétique

À propos de cette expérience

Poussez un aimant dans une bobine de fil et un courant circule, même en l’absence de pile. Arrêtez l’aimant et le courant cesse ; retirez-le et le courant circule dans l’autre sens. En 1831, Michael Faraday a découvert qu’un champ magnétique variable à travers une bobine induit une tension. Déplacez l’aimant à la main, fixé à un ressort ou en le faisant traverser directement la bobine, et observez comment l’indication du compteur, le flux et la FEM induite dépendent de la vitesse, du nombre de spires et de la puissance de l’aimant.

Objectifs pédagogiques

Décrivez comment un flux magnétique variable à travers une bobine induit une FEM.
Expliquez comment la valeur de la FEM induite dépend de la vitesse, du nombre de spires et de la puissance de l’aimant.
Utilisez la loi de Lenz pour prédire le sens du courant induit
Reliez la force électromotrice à la pente du graphique du flux lié en fonction du temps.
Expliquez comment les générateurs et les dynamos produisent de l’électricité.

Comment l’utiliser

1Choisissez « À la main ». Enfoncez l’aimant dans la bobine, immobilisez-le, puis retirez-le. À quel moment l’aiguille bouge-t-elle ?
2Déplacez l’aimant plus rapidement. Que devient l’intensité du courant ?
3Choisissez « Sur un ressort ». Comparez les deux graphiques. Quand la force électromotrice est-elle maximale : lorsque le flux est maximal ou lorsqu’il varie le plus rapidement ?
4Doublez le nombre de spires, puis la force de l’aimant. Comment la force électromotrice maximale évolue-t-elle à chaque fois ?
5Choisissez « Pousser à travers » et observez les lettres N et S aux extrémités de la bobine. La bobine repousse-t-elle l’aimant ou l’attire-t-elle vers elle ?
6Retournez l’aimant et recommencez. Que devient le sens du courant ?

Le modèle

ε = - \frac{d ( N Φ )}{d t}

Loi de Faraday : la FEM induite est égale au taux de variation du flux lié. Le signe moins correspond à la loi de Lenz.

Φ = B A

Flux à travers une spire : intensité du champ multipliée par l’aire (pour un champ perpendiculaire à la bobine)

Φ (u) = \frac{μ _{0} m a ^{2}}{2 ( a ^{2} + u ^{2} ) ^{3/2}}

Flux d’un petit aimant de moment m à travers un anneau de rayon a, à une distance u le long de son axe

I = \frac{ε}{R}

Courant dans la bobine et le compteur, avec une résistance totale R = 5 Ω

Hypothèses

L’aimant est modélisé comme un dipôle magnétique situé sur l’axe de la bobine. Cette approximation est valable lorsque l’aimant n’est pas beaucoup plus grand que la bobine ; tout près de l’aimant, le champ réel est plus faible.
La bobine mesure 4 cm de long et a un rayon de 2 cm ; ses spires sont réparties uniformément sur toute sa longueur.
Le freinage magnétique est ignoré : le courant dans la bobine ne ralentit pas l’aimant. L’auto-inductance de la bobine est également ignorée.
Lorsqu’on le déplace à la main, l’aimant suit l’aiguille de manière régulière ; sa vitesse dépend donc de la rapidité avec laquelle on le déplace.

À essayer en classe

Q1Pourquoi un aimant immobile à l’intérieur d’une bobine ne produit-il aucun courant, quelle que soit sa puissance ?
Q2Lorsque l’aimant traverse la bobine, la force électromotrice présente deux pics de signes opposés. Expliquez pourquoi.
Q3Utilisez la loi de Lenz pour expliquer pourquoi il faut fournir plus d’effort pour pousser un aimant dans une bobine lorsque celle-ci est reliée à une lampe.
Q4La dynamo d’un vélo fait briller davantage sa lampe lorsque l’on roule plus vite. Pourquoi ?
Q5Pourquoi une bobine comportant deux fois plus de spires, mais fabriquée avec un fil plus fin, ne fournit-elle pas nécessairement deux fois plus de courant ?

Foire aux questions

Quelle est la différence entre le flux magnétique et le flux magnétique lié à une bobine ?

Le flux est la quantité de champ magnétique qui traverse une spire de la bobine. Le flux total lié est le flux multiplié par le nombre de spires, NΦ, car chaque spire ajoute sa propre FEM en série.

Pourquoi la FEM est-elle nulle lorsque l’aimant se trouve au milieu de la bobine ?

À cet instant, le flux est à son maximum, mais il ne varie pas : si l’on se déplace légèrement dans un sens ou dans l’autre, il change à peine. La FEM dépend de la vitesse de variation du flux, et non de son amplitude.

D’où vient l’énergie électrique ?

Cela vient du travail que vous fournissez en déplaçant l’aimant. Selon la loi de Lenz, le courant induit crée toujours une force magnétique qui s’oppose au mouvement ; il faut donc pousser pour continuer à déplacer l’aimant. Dans ce modèle, cette force est trop faible pour ralentir l’aimant de façon perceptible.