Comprendre l'induction électromagnétique et ses applications

Flux magnétique

Pour compter le nombre de lignes de champ traversant une boucle, Faraday a défini le concept de flux magnétique comme le produit scalaire de la densité du champ magnétique et du vecteur surface de la bobine. Le flux à travers une surface est égal au produit scalaire du champ magnétique par la surface, en tenant compte de l'angle entre la direction du champ et la perpendiculaire à la surface.

Loi de Faraday

Dans l'expérience Faraday-Henry, on observe que si le flux magnétique change brutalement (par exemple, en déplaçant l'aimant plus rapidement), le courant électrique induit augmente. La variation du flux magnétique dans le temps est définie par la loi de Faraday.

Loi de Lenz

Le sens du courant circulant dans la bobine est défini par la loi de Lenz (établie par le physicien Heinrich Lenz, 1804-1865) : le courant induit par un champ magnétique changeant prend un sens tel qu'il tend à s'opposer à la cause qui le provoque.

• Aimant s'approchant : Le circuit génère un courant induisant un champ magnétique qui repousse l'aimant.
• Aimant s'éloignant : Le courant généré crée un champ qui tend à attirer l'aimant vers le circuit.

Unification des lois de Lenz et de Faraday

Pour unifier ces principes, on définit une boucle orientée avec une face privilégiée (positive). La force électromotrice (fem) induite est positive lorsque le courant généré suit le sens conventionnel, et négative dans le cas contraire.

Induction mutuelle et auto-induction

Dans ses premières expériences, Faraday a utilisé deux bobines isolées électriquement. La variation de l'intensité du courant dans l'une génère un courant induit dans l'autre : c'est le phénomène d'induction mutuelle.

Le phénomène d'auto-induction se produit lorsqu'une bobine est parcourue par un courant variable, créant un flux magnétique variable qui induit une force électromotrice sur elle-même. Cela est particulièrement visible lors de l'ouverture ou de la fermeture d'un circuit en courant continu, provoquant parfois une étincelle.

La force électromotrice sinusoïdale

La loi de Faraday, exprimée par ε = - ΔΦ / Δt, représente la fem induite moyenne. Cette force varie avec le temps selon une fonction sinusoïdale. Sa valeur maximale dépend de l'intensité du champ magnétique, de la surface des bobines, du nombre de spires et de la vitesse de rotation dans le champ. Appliquée à un circuit, elle génère un courant alternatif.

Transformateurs de tension

Un transformateur est une machine électrique permettant d'augmenter ou de diminuer la tension dans un circuit alternatif tout en conservant la fréquence. Il est composé de deux bobines enroulées sur un noyau de fer. La relation entre les tensions primaire et secondaire est proportionnelle au nombre de spires de chaque enroulement.

Centrales thermiques

Une centrale thermique produit de l'électricité à partir de chaleur issue de combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbon) ou de la fission nucléaire. La chaleur produit de la vapeur à haute pression qui actionne une turbine reliée à un alternateur.

Centrales hydroélectriques

Elles exploitent l'énergie potentielle de l'eau accumulée derrière un barrage. L'eau est acheminée vers des turbines hydrauliques qui actionnent des générateurs pour produire de l'électricité.

Énergie éolienne

L'énergie éolienne est obtenue à partir de l'énergie cinétique du vent. Les éoliennes modernes convertissent cette force en électricité, particulièrement dans les zones à vents fréquents comme les côtes ou les montagnes.