Chapitre 1 – L'induction électromagnétique

Terminale Bac Pro – Groupement 2 | Physique – Électricité | Induction, loi de Lenz, alternateur

Objectifs du chapitre

Comprendre qu'une variation de champ magnétique dans un circuit crée une tension induite
Distinguer les deux situations d'induction : circuit fixe dans un champ variable, circuit mobile dans un champ constant
Énoncer et appliquer la loi de Lenz
Décrire le fonctionnement d'un alternateur (conversion énergie mécanique → énergie électrique)
Savoir que le rendement d'un alternateur est inférieur à 1

Situation professionnelle

Sofia, technicienne en systèmes numériques, effectue un stage dans une entreprise de maintenance d'éoliennes. Son tuteur lui explique que chaque éolienne contient un alternateur qui convertit la rotation des pales en électricité.

Elle se demande :

Comment un mouvement de rotation peut-il créer du courant électrique ?
Pourquoi l'éolienne ne restitue-t-elle pas toute l'énergie mécanique du vent sous forme d'énergie électrique ?
Comment prévoir le sens du courant produit ?

Ce chapitre permettra de répondre à ces questions.

1. Le phénomène d'induction électromagnétique

1.1 Mise en évidence expérimentale

En 1831, le physicien Michael Faraday découvre qu'un aimant en mouvement à proximité d'une bobine crée une tension électrique aux bornes de cette bobine, même sans générateur dans le circuit.

Définition L'induction électromagnétique est le phénomène par lequel une variation du champ magnétique à travers un circuit conducteur fermé provoque l'apparition d'une tension induite (ou force électromotrice induite) et, si le circuit est fermé, d'un courant induit.

L'expérience de base : on approche un aimant d'une bobine connectée à un voltmètre. On observe :

Quand l'aimant avance vers la bobine → le voltmètre dévie dans un sens.
Quand l'aimant recule → le voltmètre dévie dans l'autre sens.
Quand l'aimant est immobile → la tension est nulle.

À retenir

Il n'y a induction que s'il y a variation du champ magnétique traversant le circuit. Pas de variation = pas de tension induite.

1.2 Deux situations d'induction

L'induction électromagnétique se produit dans deux cas :

Propriété Cas 1 — Circuit fixe, champ variable :
La bobine est immobile, mais le champ magnétique qui la traverse varie au cours du temps (aimant en mouvement, électroaimant dont le courant varie, etc.).

Exemple 1 : On approche rapidement un aimant d'une bobine reliée à un galvanomètre. Le champ magnétique traversant la bobine augmente → une tension induite apparaît → un courant circule dans le circuit.

Propriété Cas 2 — Circuit mobile, champ constant :
Le champ magnétique est fixe et uniforme, mais le circuit se déplace ou tourne dans ce champ, de sorte que le champ traversant le circuit varie.

Exemple 2 : Un cadre conducteur rectangulaire tourne dans un champ magnétique uniforme (entre les pôles d'un aimant). Comme l'orientation du cadre par rapport au champ change en permanence, le champ « traversant » le cadre varie → une tension induite apparaît. C'est le principe de l'alternateur.

2. La loi de Lenz

Définition Loi de Lenz : Le courant induit circule dans un sens tel que ses effets s'opposent à la cause qui lui a donné naissance.

Autrement dit :

Si le champ magnétique à travers le circuit augmente, le courant induit crée un champ qui s'oppose à cette augmentation (champ induit en sens contraire).
Si le champ magnétique à travers le circuit diminue, le courant induit crée un champ qui tend à maintenir le champ (champ induit dans le même sens).

Méthode Déterminer le sens du courant induit :

Identifier la cause : le champ magnétique augmente-t-il ou diminue-t-il à travers le circuit ?
Le courant induit crée un champ magnétique qui s'oppose à la variation :
- Si \(B\) augmente → le champ induit est en sens inverse de \(B\).
- Si \(B\) diminue → le champ induit est dans le même sens que \(B\).
Utiliser la règle de la main droite pour déduire le sens du courant dans la bobine.

Exemple 3 : On approche le pôle Nord d'un aimant vers une bobine.

Le champ magnétique dirigé vers la bobine augmente.
Par la loi de Lenz, le courant induit crée un champ magnétique qui repousse l'aimant (pôle Nord face au pôle Nord de l'aimant).
Tout se passe comme si la bobine « résistait » au mouvement de l'aimant.

Attention La loi de Lenz est une conséquence de la conservation de l'énergie. Si le courant induit renforçait le mouvement au lieu de s'y opposer, on créerait de l'énergie à partir de rien, ce qui est impossible.

3. L'alternateur

3.1 Principe de fonctionnement

Définition Un alternateur est une machine qui convertit de l'énergie mécanique (rotation) en énergie électrique (courant alternatif) grâce au phénomène d'induction électromagnétique.

Un alternateur est constité de deux parties principales :

Le rotor : partie tournante, qui porte un aimant (ou un électroaimant) créant le champ magnétique.
Le stator : partie fixe, qui porte les bobines dans lesquelles la tension est induite.

Lorsque le rotor tourne, le champ magnétique à travers les bobines du stator varie périodiquement. Une tension alternative est ainsi induite.

Propriété La tension produite par un alternateur est alternative sinusoïdale. Sa fréquence dépend de la vitesse de rotation du rotor et du nombre de paires de pôles : \[f = \frac{n \times p}{60}\] où \(f\) est la fréquence (Hz), \(n\) la vitesse de rotation (tr/min) et \(p\) le nombre de paires de pôles.

Exemple 4 : Un alternateur possède 2 paires de pôles et tourne à 1 500 tr/min. Quelle est la fréquence de la tension produite ?

\(f = \dfrac{n \times p}{60} = \dfrac{1\,500 \times 2}{60} = 50\;\text{Hz}\)

On retrouve la fréquence du réseau électrique français.

3.2 Exemples d'alternateurs

On trouve des alternateurs dans de nombreux dispositifs :

Centrales électriques (nucléaire, thermique, hydraulique) : des turbines entraînent des alternateurs de grande puissance
Éoliennes : la rotation des pales entraîne un alternateur
Alternateur automobile : recharge la batterie du véhicule
Dynamo de vélo : petit alternateur entraîné par la roue
Groupes électrogènes : un moteur thermique entraîne un alternateur pour produire de l'électricité en secours

3.3 Bilan de puissance et rendement

Définition Le rendement d'un alternateur est le rapport entre la puissance électrique utile produite et la puissance mécanique fournie en entrée : \[\eta = \frac{P_{\text{électrique}}}{P_{\text{mécanique}}}\] Le rendement est toujours inférieur à 1 (ou inférieur à 100 %).

Formule du rendement :

\[\eta = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{absorbée}}} \quad \text{avec} \quad \eta < 1\]

Les pertes d'énergie dans un alternateur sont dues à :

Pertes par effet Joule : échauffement des bobinages dû à la résistance des fils
Pertes mécaniques : frottements dans les roulements et résistance de l'air
Pertes magnétiques (pertes fer) : courants de Foucault et hystérésis dans le noyau magnétique

Exemple 5 : Un alternateur d'éolienne reçoit une puissance mécanique de 15 kW et fournit une puissance électrique de 12,75 kW. Calculer son rendement.

\(\eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{méca}}} = \dfrac{12{,}75}{15} = 0{,}85 = 85\;\%\)

Les pertes représentent \(15 - 12{,}75 = 2{,}25\;\text{kW}\), soit 15 % de la puissance mécanique.

Exemple 6 : Un groupe électrogène a un rendement de 92 %. Quelle puissance mécanique doit fournir le moteur thermique pour obtenir 5 kW de puissance électrique ?

\(P_{\text{méca}} = \dfrac{P_{\text{élec}}}{\eta} = \dfrac{5}{0{,}92} \approx 5{,}43\;\text{kW}\)

4. Applications professionnelles

4.1 L'induction au quotidien

Le phénomène d'induction est à la base de nombreuses technologies :

Plaques de cuisson à induction : un champ magnétique variable crée des courants induits dans le fond métallique de la casserole, qui s'échauffe par effet Joule
Chargeurs sans fil : une bobine émettrice crée un champ magnétique variable qui induit un courant dans la bobine du téléphone
Capteurs de proximité inductifs : détectent la présence de pièces métalliques sur les lignes de production
Transformateurs : le courant alternatif dans le primaire crée un champ variable qui induit une tension dans le secondaire

4.2 Retour à la situation professionnelle

Réponses aux questions de Sofia :

Comment un mouvement de rotation crée-t-il du courant ?
La rotation des pales entraîne un aimant (rotor) à proximité de bobines fixes (stator). Le champ magnétique traversant les bobines varie → une tension induite apparaît → un courant alternatif circule.
Pourquoi l'éolienne ne restitue-t-elle pas toute l'énergie ?
Le rendement de l'alternateur est inférieur à 1. Une partie de l'énergie mécanique est perdue sous forme de chaleur (effet Joule, frottements, pertes fer).
Comment prévoir le sens du courant ?
La loi de Lenz indique que le courant induit s'oppose à la variation du champ magnétique qui l'a créé.

5. L'essentiel du chapitre

À retenir

Une variation de champ magnétique à travers un circuit crée une tension induite.
Deux situations d'induction : circuit fixe / champ variable, ou circuit mobile / champ constant.
Loi de Lenz : le courant induit s'oppose à la cause qui l'a créé.
L'alternateur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique par induction.
Le rendement d'un alternateur est toujours inférieur à 1 : \(\eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{méca}}} < 1\).
Les pertes sont dues à l'effet Joule, aux frottements et aux pertes magnétiques.