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13.2 : Loi de Faraday

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    Objectifs d'apprentissage

    À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

    • Déterminez le flux magnétique à travers une surface en connaissant l'intensité du champ magnétique, la surface et l'angle entre la normale à la surface et le champ magnétique
    • Utilisez la loi de Faraday pour déterminer l'amplitude de la force électromotrice induite dans une boucle fermée en raison de la modification du flux magnétique dans la boucle

    Les premières expériences productives concernant les effets de champs magnétiques variables dans le temps ont été réalisées par Michael Faraday en 1831. L'une de ses premières expériences est représentée sur la figure\(\PageIndex{1}\). Une force électromotrice est induite lorsque le champ magnétique dans la bobine est modifié en poussant un barreau magnétique dans ou hors de la bobine. Les champs électromagnétiques de signes opposés sont produits par des mouvements dans des directions opposées, et les directions des champs électromagnétiques sont également inversées par l'inversion des pôles. Les mêmes résultats sont obtenus si la bobine est déplacée plutôt que l'aimant ; c'est le mouvement relatif qui est important. Plus le mouvement est rapide, plus la force électromotrice est élevée, et il n'y a pas de force électromotrice lorsque l'aimant est immobile par rapport à la bobine.

    La figure A montre l'aimant dont le pôle Nord est orienté vers le haut et introduit dans la bobine. La figure B montre l'aimant avec le pôle Nord orienté vers le haut sorti de la bobine. La figure C montre l'aimant dont le pôle Sud est orienté vers le haut et introduit dans la bobine. La figure D montre l'aimant avec le pôle Sud orienté vers le haut sorti de la bobine. La figure E montre l'aimant avec le pôle Nord orienté vers le haut, maintenu immobile dans la bobine.
    Figure\(\PageIndex{1}\) : Le mouvement d'un aimant par rapport à une bobine produit des champs électromagnétiques, comme illustré (a-d). Les mêmes champs électromagnétiques sont produits si la bobine est déplacée par rapport à l'aimant. Cette force électromotrice de courte durée n'est présente que pendant le mouvement. Plus la vitesse est élevée, plus l'amplitude de la force électromotrice est grande, et la force électromotrice est nulle lorsqu'il n'y a aucun mouvement, comme indiqué en (e).

    Faraday a également découvert qu'un effet similaire peut être produit à l'aide de deux circuits : un courant variable dans un circuit induit un courant dans un second circuit voisin. Par exemple, lorsque l'interrupteur est fermé dans le circuit 1 de la figure\(\PageIndex{1a}\), l'aiguille ampèremétrique du circuit 2 fléchit momentanément, indiquant qu'une surtension de courte durée a été induite dans ce circuit. L'aiguille de l'ampèremètre revient rapidement à sa position initiale, où elle reste. Cependant, si l'interrupteur du circuit 1 est maintenant soudainement ouvert, on observe une nouvelle surtension de courte durée dans le sens opposé à la précédente dans le circuit 2.

    La figure A montre le circuit dans lequel l'interrupteur se ferme, provoquant le passage du courant dans le sens des aiguilles d'une montre. La figure B montre le circuit dans lequel l'interrupteur est maintenu fermé. Il n'y a pas de courant dans le circuit. La figure C montre le circuit dans lequel l'interrupteur s'ouvre, provoquant le passage du courant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
    Figure\(\PageIndex{2}\) : (a) La fermeture de l'interrupteur du circuit 1 produit une surtension de courte durée dans le circuit 2. (b) Si l'interrupteur reste fermé, aucun courant n'est observé dans le circuit 2. (c) Une nouvelle ouverture de l'interrupteur produit un courant de courte durée dans le circuit 2 mais dans le sens opposé à celui antérieur.

    Faraday s'est rendu compte que dans les deux expériences, un courant ne circulait dans le circuit contenant l'ampèremètre que lorsque le champ magnétique dans la région occupée par ce circuit changeait. Au fur et à mesure que l'aimant de la figure se déplaçait, l'intensité de son champ magnétique au niveau de la boucle changeait ; et lorsque le courant dans le circuit 1 était allumé ou éteint, l'intensité de son champ magnétique au niveau du circuit 2 changeait. Faraday a finalement pu interpréter ces expériences et toutes les autres expériences impliquant des champs magnétiques qui varient dans le temps en fonction de la loi suivante.

    Loi de Faraday

    La force\(\epsilon\) électromotrice induite est la variation négative du flux magnétique\(\Phi_m\) par unité de temps. Toute modification du champ magnétique ou toute modification de l'orientation de la zone de la bobine par rapport au champ magnétique induit une tension (emf).

    Le flux magnétique est une mesure de la quantité de lignes de champ magnétique à travers une surface donnée, comme le montre la figure\(\PageIndex{3}\). Cette définition est similaire au flux électrique étudié précédemment. Cela signifie que si nous avons

    \[\Phi_m = \int_S \vec{B} \cdot \hat{n}dA,\]

    alors la force électromotrice induite ou la tension générée par un conducteur ou une bobine se déplaçant dans un champ magnétique est

    \[\epsilon = - \dfrac{d}{dt} \int_S \vec{B} \cdot \hat{n} dA = - \dfrac{d\Phi_m}{dt}.\]

    Le signe négatif décrit la direction dans laquelle la force électromotrice induite entraîne le courant dans un circuit. Cependant, cette direction est plus facilement déterminée par une règle connue sous le nom de loi de Lenz, dont nous parlerons prochainement.

    La figure montre un champ magnétique uniforme B traversant une zone de surface A.
    Figure\(\PageIndex{3}\) : Le flux magnétique est la quantité de lignes de champ magnétique traversant une surface A définie par le vecteur de surface unitaire\(\hat{n}\). Si l'angle entre la surface unitaire\(\hat{n}\) et le vecteur\(\vec{B}\) du champ magnétique est parallèle ou antiparallèle, comme indiqué sur le diagramme, le flux magnétique est la valeur la plus élevée possible compte tenu des valeurs de surface et de champ magnétique.

    \(\PageIndex{1a}\)représente un circuit et une surface arbitraire S qu'il délimite. Notez que S est une surface ouverte. On peut montrer que toute surface ouverte délimitée par le circuit en question peut être utilisée pour évaluer\(\Phi_m\). Par example,\(\Phi_m\) il en va de même pour les différentes surfaces\(S_1, \, S_2, . . .\) de la partie (b) de la figure.

    La figure A montre le circuit délimitant une surface ouverte arbitraire S. La zone plane délimitée par le circuit ne fait pas partie de S. La figure B montre trois surfaces ouvertes arbitraires S1, S2 et S3 délimitées par le même circuit.
    Figure\(\PageIndex{4}\) : (a) Un circuit délimitant une surface ouverte arbitraire S. La zone plane délimitée par le circuit ne fait pas partie de S. (b) Trois surfaces ouvertes arbitraires délimitées par le même circuit. La valeur de\(\Phi_m\) est la même pour toutes ces surfaces.

    L'unité SI pour le flux magnétique est le weber (Wb),

    \[1 \, Wb = 1 \, T \cdot m^2.\]

    Parfois, l'unité de champ magnétique est exprimée en webers par mètre carré (\(Wb /m^2\)) au lieu de teslas, sur la base de cette définition. Dans de nombreuses applications pratiques, le circuit d'intérêt est constitué d'un nombre N de spires étroitement enroulées (Figure\(\PageIndex{5}\)). Chaque tour est soumis au même flux magnétique. Par conséquent, le flux magnétique net à travers les circuits est N fois le flux d'un tour, et la loi de Faraday s'écrit comme

    \[\epsilon = - \dfrac{d}{dt}(N\Phi_m) = - N \dfrac{d\Phi_m}{dt}.\]

    Une bobine carrée dans un champ magnétique changeant

    La bobine carrée de la Figure\(\PageIndex{1}\) a des côtés\(l = 0.25 \, m\) longs et est étroitement enroulée avec des\(N = 200\) spires de fil. La résistance de la bobine est\(R = 5.0 \, \Omega\) La bobine est placée dans un champ magnétique spatialement uniforme qui est dirigé perpendiculairement à la face de la bobine et dont l'amplitude diminue à un rythme\(dB/dt = -0.040 \, T/s\). (a) Quelle est l'ampleur de la force électromotrice induite dans la bobine ? (b) Quelle est l'intensité du courant qui circule dans la bobine ?

    La figure montre une bobine carrée de la longueur latérale l avec N tours de fil. Un champ magnétique uniforme B est dirigé vers le bas, perpendiculairement à la bobine
    Figure\(\PageIndex{5}\) : Une bobine carrée avec N tours de fil avec un champ magnétique uniforme\(\vec{B}\) dirigé vers le bas, perpendiculairement à la bobine.

    Stratégie

    Le vecteur de surface, ou\(\hat{n}\) direction, est perpendiculaire à la zone couvrant la boucle. Nous choisirons qu'il soit dirigé vers le bas de manière à ce qu'il\(\vec{B}\) soit parallèle à\(\hat{n}\) et que le flux se transforme en multiplication du champ magnétique par la surface. La zone de la boucle ne change pas dans le temps, elle peut donc être prise en compte hors de la dérivée temporelle, laissant le champ magnétique comme la seule quantité variant dans le temps. Enfin, nous pouvons appliquer la loi d'Ohm une fois que nous connaissons la force électromotrice induite pour trouver le courant dans la boucle.

    Solution

    1. Le flux à travers un tour est\[\Phi_m = BA = Bt^2,\]

    afin que nous puissions calculer l'amplitude de la force électromotrice à partir de la loi de Faraday. Le signe de l'emf sera discuté dans la section suivante, sur la loi de Lenz :\[|\epsilon| = \left|-N\dfrac{d\Phi_m}{dt}\right| = Nl^2 \dfrac{dB}{dt}\]\[= (200)(0.25 \, m)^2 (0.040 \, T/s) = 0.50 \, V.\]

    • L'amplitude du courant induit dans la bobine est\[I = \dfrac{\epsilon}{R} = \dfrac{0.50 \, V}{5.0 \, \Omega} = 0.10 \, A.\]

    L'importance

    Si la zone de la boucle changeait dans le temps, nous ne serions pas en mesure de la sortir de la dérivée temporelle. Comme la boucle est un chemin fermé, ce courant provoquerait un léger échauffement des fils jusqu'à ce que le champ magnétique cesse de changer. Cela peut augmenter légèrement la surface de la boucle lorsque les fils sont chauffés.

    Exercice\(\PageIndex{1}\)

    Une bobine étroitement enroulée a un rayon de 4,0 cm, 50 tours et une résistance totale de\(40 \, \Omega\). À quelle vitesse un champ magnétique perpendiculaire à la face de la bobine doit-il changer pour produire un chauffage joule dans la bobine à une vitesse de 2,0 mW ?

    Solution

    1,1 T/s

    Contributeurs et attributions

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