13.6 : Courant de Foucault

Objectifs d'apprentissage

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

• Expliquer comment les courants de Foucault sont créés dans les
• Décrire les situations où les courants de Foucault sont bénéfiques et où ils ne le sont pas

Comme indiqué dans les deux sections précédentes, une force électromotrice est induite lorsqu'un conducteur se déplace dans un champ magnétique ou lorsqu'un champ magnétique se déplace par rapport à un conducteur. Si une force électromotrice peut provoquer un courant dans le conducteur, nous appelons ce courant un courant de Foucault.

Amortissement magnétique

Les courants de Foucault peuvent produire une traînée importante, appelée amortissement magnétique, sur le mouvement impliqué. Considérez l'appareil illustré à la figure\(\PageIndex{1}\), qui fait pivoter un balancier entre les pôles d'un puissant aimant. (C'est une autre démonstration de physique préférée.) Si le bob est en métal, une traînée importante agit sur le bob lorsqu'il entre et sort du terrain, amortissant rapidement le mouvement. Si, toutefois, le bob est une plaque métallique fendue, comme le montre la partie (b) de la figure, l'aimant produit un effet beaucoup plus faible. Il n'y a aucun effet perceptible sur un bob fait d'un isolant. Pourquoi la traînée se produit-elle dans les deux sens et la traînée magnétique est-elle utile ?

Figure\(\PageIndex{1}\) : Un dispositif de démonstration physique courant pour explorer les courants de Foucault et l'amortissement magnétique. (a) Le mouvement d'un balancier métallique oscillant entre les pôles d'un aimant est rapidement amorti par l'action de courants de Foucault. (b) Il y a peu d'effet sur le mouvement d'un fil métallique fendu, ce qui signifie que les courants de Foucault sont moins efficaces. (c) Il n'y a pas non plus d'amortissement magnétique sur un bob non conducteur, car les courants de Foucault sont extrêmement faibles.

La figure\(\PageIndex{2}\) montre ce qui arrive à la plaque métallique lorsqu'elle entre et sort du champ magnétique. Dans les deux cas, il subit une force qui s'oppose à son mouvement. Lorsqu'il entre par la gauche, le flux augmente, créant un courant de Foucault (loi de Faraday) dans le sens antihoraire (loi de Lenz), comme indiqué. Seul le côté droit de la boucle de courant se trouve dans le champ, de sorte qu'une force sans opposition agit sur celle-ci vers la gauche (RHR-1). Lorsque la plaque métallique est complètement à l'intérieur du champ, il n'y a pas de courant de Foucault si le champ est uniforme, puisque le flux reste constant dans cette région. Mais lorsque la plaque quitte le champ sur la droite, le flux diminue, provoquant un courant de Foucault dans le sens des aiguilles d'une montre qui, à nouveau, subit une force vers la gauche, ralentissant encore davantage le mouvement. Une analyse similaire de ce qui se passe lorsque la plaque oscille de la droite vers la gauche montre que son mouvement est également amorti à l'entrée et à la sortie du champ.

Figure\(\PageIndex{2}\) : Vue plus détaillée de la plaque conductrice passant entre les pôles d'un aimant. À l'entrée et à la sortie du champ, le changement de flux produit un courant de Foucault. La force magnétique exercée sur la boucle de courant s'oppose au mouvement. Il n'y a pas de courant ni de traînée magnétique lorsque la plaque est complètement à l'intérieur du champ uniforme.

Lorsqu'une plaque métallique fendue entre dans le champ (Figure\(\PageIndex{3}\)), une force électromotrice est induite par le changement de flux, mais elle est moins efficace car les fentes limitent la taille des boucles de courant. De plus, les boucles adjacentes ont des courants dans des directions opposées et leurs effets s'annulent. Lorsqu'un matériau isolant est utilisé, le courant de Foucault est extrêmement faible, de sorte que l'amortissement magnétique sur les isolants est négligeable. Si l'on veut éviter les courants de Foucault dans les conducteurs, ceux-ci doivent être fendus ou constitués de fines couches de matériau conducteur séparées par des feuilles isolantes.

Figure\(\PageIndex{3}\) : Les courants de Foucault induits dans une plaque métallique fendue et pénétrant dans un champ magnétique forment de petites boucles, et les forces qui s'exercent sur celles-ci ont tendance à s'annuler, rendant ainsi la traînée magnétique presque nulle.

Applications de l'amortissement magnétique

L'amortissement magnétique est utilisé notamment dans les balances de laboratoire sensibles. Pour obtenir une sensibilité et une précision maximales, la balance doit être aussi exempte de friction que possible. Mais s'il est exempt de friction, il oscillera très longtemps. L'amortissement magnétique est une solution simple et idéale. Avec l'amortissement magnétique, la traînée est proportionnelle à la vitesse et devient nulle à vitesse nulle. Ainsi, les oscillations sont rapidement amorties, après quoi la force d'amortissement disparaît, ce qui permet au balancier d'être très sensible (Figure\(\PageIndex{4}\)). Dans la plupart des balances, l'amortissement magnétique est réalisé à l'aide d'un disque conducteur qui tourne dans un champ fixe.

Figure\(\PageIndex{4}\) : L'amortissement magnétique de cette balance sensible ralentit ses oscillations. Comme c'est la loi d'induction de Faraday qui donne le plus d'effet au changement le plus rapide, l'amortissement est maximal pour les oscillations importantes et passe à zéro lorsque le mouvement s'arrête.

Comme les courants de Foucault et l'amortissement magnétique ne se produisent que dans les conducteurs, les centres de recyclage peuvent utiliser des aimants pour séparer les métaux des autres matériaux. Les déchets sont déversés par lots sur une rampe, sous laquelle se trouve un puissant aimant. Les conducteurs contenus dans les déchets sont ralentis par l'amortissement magnétique tandis que les éléments non métalliques contenus dans les déchets se déplacent, se séparant des métaux (Figure\(\PageIndex{5}\)). Cela fonctionne pour tous les métaux, pas seulement pour les métaux ferromagnétiques. Un aimant peut séparer les matériaux ferromagnétiques seul en agissant sur des déchets fixes.

Figure\(\PageIndex{5}\) : Les métaux peuvent être séparés des autres déchets par traînée magnétique. Des courants de Foucault et une traînée magnétique sont créés dans les métaux envoyés le long de cette rampe par le puissant aimant situé en dessous. Les non-métaux passent à autre chose.

D'autres applications majeures des courants de Foucault apparaissent dans les détecteurs de métaux et les systèmes de freinage des trains et des montagnes russes. Les détecteurs de métaux portables (Figure\(\PageIndex{6}\)) se composent d'une bobine primaire transportant un courant alternatif et d'une bobine secondaire dans laquelle un courant est induit. Un courant de Foucault est induit dans un morceau de métal à proximité du détecteur, provoquant une modification du courant induit dans la bobine secondaire. Cela peut déclencher une sorte de signal, tel qu'un bruit aigu.

Figure\(\PageIndex{6}\) : Un soldat en Irak utilise un détecteur de métaux pour rechercher des explosifs et des armes. (crédit : Armée américaine)

Le freinage par courants de Foucault est plus sûr car des facteurs tels que la pluie n'affectent pas le freinage et le freinage est plus souple. Cependant, les courants de Foucault ne peuvent pas arrêter complètement le mouvement, car la force de freinage produite diminue à mesure que la vitesse diminue. Ainsi, la vitesse peut être réduite de 20 m/s à 5 m/s, par exemple, mais une autre forme de freinage est nécessaire pour arrêter complètement le véhicule. Généralement, de puissants aimants en terres rares tels que les aimants en néodyme sont utilisés dans les montagnes russes. La figure\(\PageIndex{7}\) montre des rangées d'aimants dans une telle application. Le véhicule possède des ailettes métalliques (contenant normalement du cuivre) qui traversent le champ magnétique, ralentissant le véhicule de la même manière que pour le balancier illustré sur la figure\(\PageIndex{1}\).

Figure\(\PageIndex{7}\) : Les rangées d'aimants en terres rares (faisant saillie horizontalement) sont utilisées pour le freinage magnétique des montagnes russes. (crédit : Stefan Scheer)

Les tables de cuisson à induction ont des électroaimants sous leur surface. Le champ magnétique varie rapidement, produisant des courants de Foucault dans la base du pot, provoquant une augmentation de la température du pot et de son contenu. Les tables de cuisson à induction ont un rendement élevé et de bons temps de réponse, mais la base de la casserole doit être constituée de conducteurs, tels que du fer ou de l'acier, pour que l'induction fonctionne.

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