C1 – Produire une tension alternative dans un circuit fixe soumis à un champ magnétique variable dans le temps
C2 – Produire une tension alternative dans un circuit mobile soumis à un champ magnétique constant dans le temps
C3 – Mettre en évidence la loi de Lenz (le courant induit s'oppose à la cause qui l'a créé)
C4 – Savoir qu'un alternateur transforme l'énergie mécanique en énergie électrique avec un rendement inférieur à 1
C1 — Circuit fixe soumis à un champ magnétique variable
Une variation temporelle du champ magnétique à travers un circuit immobile produit une tension induite.
Pas de variation du champ = pas de tension induite.
Aimant en mouvement devant une bobine immobile.
Exercice 1
On approche un aimant d'une bobine immobile reliée à un voltmètre. Pour chaque situation, dire si le voltmètre indique une tension (oui / non) :
a) L'aimant avance vers la bobine. b) L'aimant est immobile devant la bobine. c) L'aimant recule.
a) Oui : le champ varie → tension induite.
b) Non : champ constant, aucune variation → tension nulle.
c) Oui : le champ varie de nouveau (tension de signe opposé au cas a).
Exercice 2
Une bobine fixe est placée près d'un électroaimant alimenté par un courant. Dans quel(s) cas une tension apparaît-elle aux bornes de la bobine ?
a) Le courant de l'électroaimant est constant. b) Le courant de l'électroaimant augmente. c) On coupe brusquement le courant.
a) Non : courant constant → champ constant → pas d'induction.
b) Oui : le courant qui augmente fait varier le champ → tension induite.
c) Oui : la coupure fait chuter le champ à zéro, forte variation → tension induite.
Exercice 3
Un électrotechnicien fait varier la vitesse à laquelle il approche un aimant d'une bobine fixe. Il constate que la tension induite est plus grande quand il déplace l'aimant plus vite.
Expliquer pourquoi une vitesse plus grande donne une tension induite plus grande.
Plus l'aimant se déplace vite, plus le champ magnétique traversant la bobine varie rapidement dans le temps. Or c'est la rapidité de variation du champ qui détermine la tension induite : une variation plus rapide produit une tension induite plus grande.
Exercice 4
Une plaque de cuisson à induction utilise une bobine fixe parcourue par un courant qui varie très rapidement. Ce courant crée un champ magnétique variable qui traverse le fond métallique de la casserole.
a) Pourquoi le fond de la casserole s'échauffe-t-il ? b) Ce dispositif relève-t-il d'un circuit fixe / champ variable ou d'un circuit mobile / champ constant ?
a) Le champ magnétique variable induit des courants dans le fond métallique de la casserole ; ces courants induits l'échauffent par effet Joule.
b) Circuit fixe (la casserole ne bouge pas) / champ variable : c'est la variation temporelle du champ qui crée l'induction.
C2 — Circuit mobile dans un champ magnétique constant
Un circuit mobile ou déformable dans un champ magnétique constant est aussi le siège d'une tension induite : en tournant ou en se déplaçant, le circuit voit le champ qui le traverse varier.
Cadre conducteur tournant entre les pôles d'un aimant fixe (principe de l'alternateur).
Exercice 1
Un cadre conducteur tourne entre les pôles d'un aimant permanent fixe (voir figure).
a) Le champ magnétique de l'aimant varie-t-il dans le temps ? b) Pourquoi une tension apparaît-elle malgré tout aux bornes du cadre ?
a) Non : l'aimant est fixe, le champ magnétique est constant dans le temps.
b) Comme le cadre tourne, son orientation par rapport au champ change en permanence : le champ « traversant » le cadre varie. Cette variation crée une tension induite.
Exercice 2
Une dynamo de vélo produit de l'électricité pour alimenter le phare. Quand le vélo est à l'arrêt, le phare est éteint ; dès que la roue tourne, il s'allume.
Expliquer, à l'aide de l'induction, pourquoi le phare ne s'allume que lorsque la roue tourne.
La dynamo est un petit alternateur : la rotation de la roue fait tourner une pièce aimantée devant une bobine. Le champ traversant la bobine varie → une tension induite apparaît → un courant circule et allume le phare. À l'arrêt, rien ne tourne, le champ ne varie pas : pas de courant, phare éteint.
Exercice 3
Un technicien de maintenance compare deux dispositifs. Indiquer, pour chacun, s'il s'agit d'un circuit fixe / champ variable (cas 1) ou d'un circuit mobile / champ constant (cas 2) :
a) Un aimant déplacé à la main devant une bobine posée sur la table.
b) Une bobine que l'on fait tourner à la main entre deux aimants immobiles.
c) Un électroaimant fixe, alimenté par un courant croissant, près d'une bobine fixe.
a) Cas 1 : la bobine est fixe, l'aimant en mouvement fait varier le champ.
b) Cas 2 : le circuit (la bobine) est mobile dans un champ constant.
c) Cas 1 : tout est fixe, mais le courant croissant fait varier le champ.
Exercice 4
Dans un alternateur d'éolienne, un aimant (le rotor) tourne devant des bobines fixes (le stator).
a) Vu depuis les bobines fixes, le champ magnétique est-il constant ou variable ? b) La tension produite est-elle continue ou alternative ? Justifier.
a) Vu depuis les bobines fixes, le champ est variable : l'aimant qui tourne présente alternativement son pôle Nord puis son pôle Sud devant chaque bobine.
b) La tension est alternative : le champ traversant les bobines change de sens périodiquement au fil de la rotation, donc la tension induite change de signe périodiquement.
C3 — La loi de Lenz
Loi de Lenz : le courant induit circule dans un sens tel que ses effets s'opposent à la cause qui lui a donné naissance.
Si le champ à travers le circuit augmente → le champ induit s'y oppose (sens contraire). S'il diminue → le champ induit tend à le maintenir (même sens).
Exercice 1
On approche le pôle Nord d'un aimant d'une bobine.
a) Le champ magnétique dans la bobine augmente-t-il ou diminue-t-il ? b) La bobine attire-t-elle ou repousse-t-elle l'aimant ?
a) Il augmente (l'aimant se rapproche).
b) La bobine repousse l'aimant : par la loi de Lenz, le courant induit crée un champ qui s'oppose à l'augmentation, tout se passe comme si la bobine résistait au rapprochement.
Exercice 2
On éloigne maintenant le même aimant (pôle Nord) de la bobine.
a) Le champ magnétique dans la bobine augmente-t-il ou diminue-t-il ? b) La bobine attire-t-elle ou repousse-t-elle l'aimant ?
a) Il diminue (l'aimant s'éloigne).
b) La bobine attire (retient) l'aimant : le courant induit crée un champ dans le même sens pour tenter de maintenir le champ, ce qui s'oppose à l'éloignement.
Exercice 3
Compléter les phrases avec « augmente », « diminue », « même sens » ou « sens contraire » :
a) Si le champ à travers le circuit …, le champ induit est en … du champ appliqué.
b) Si le champ à travers le circuit …, le champ induit est dans le … que le champ appliqué.
a) Si le champ augmente, le champ induit est en sens contraire (il s'oppose à l'augmentation).
b) Si le champ diminue, le champ induit est dans le même sens (il tend à maintenir le champ).
Exercice 4
Un électrotechnicien affirme : « Si le courant induit renforçait le mouvement de l'aimant au lieu de s'y opposer, on obtiendrait un mouvement de plus en plus rapide sans rien fournir. »
Expliquer pourquoi cette situation est impossible et quel principe physique l'interdit.
Un mouvement de plus en plus rapide sans apport d'énergie reviendrait à créer de l'énergie à partir de rien. C'est interdit par le principe de conservation de l'énergie. La loi de Lenz (opposition à la cause) est justement la conséquence de ce principe : il faut toujours fournir un travail pour produire un courant induit.
C4 — L'alternateur et son rendement
Un alternateur convertit l'énergie mécanique (rotation) en énergie électrique par induction.
Rendement : \(\eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{méca}}}\), toujours \(\eta \lt 1\). Pertes : effet Joule, frottements, pertes fer.
Exercice 1
Un alternateur reçoit une puissance mécanique \(P_{\text{méca}} = 500\) W et fournit une puissance électrique \(P_{\text{élec}} = 425\) W.
Un alternateur possède \(p = 2\) paires de pôles et tourne à \(n = 1\,500\) tr/min. La fréquence de la tension produite vaut \(f = \dfrac{n \times p}{60}\).
a) Calculer la fréquence \(f\). b) Cette valeur correspond-elle à la fréquence du réseau français ?
a) \(f = \dfrac{1\,500 \times 2}{60} = \mathbf{50}\) Hz.
b) Oui, c'est la fréquence du réseau électrique français (50 Hz).
Exercice 5
Un technicien de maintenance relève sur un alternateur d'éolienne : puissance mécanique fournie \(P_{\text{méca}} = 18\) kW, puissance électrique produite \(P_{\text{élec}} = 15{,}3\) kW.
a) Calculer le rendement. b) Calculer le pourcentage de pertes. c) Citer deux origines physiques de ces pertes.
a) \(\eta = \dfrac{15{,}3}{18} = \mathbf{0{,}85}\) soit 85 %.
b) Pertes \(= 18 - 15{,}3 = 2{,}7\) kW, soit \(\dfrac{2{,}7}{18} \times 100 = \mathbf{15\,\%}\).
c) Pertes par effet Joule (échauffement des bobinages) et pertes mécaniques (frottements). On peut aussi citer les pertes fer.