🧲 L'induction : un aimant qui fabrique du courant
Approche un aimant d'une bobine de fil de cuivre : sans pile ni prise, un courant apparaît ! C'est le principe des alternateurs qui fabriquent presque toute notre électricité. Mais méfie-toi, la bobine a mauvais caractère : elle s'oppose toujours à ce que tu lui fais subir (c'est la loi de Lenz).
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Le courant n'apparaît que lorsque l'aimant bouge : immobile, même au cœur de la bobine, il ne produit rien. Ce qui compte, c'est la variation du flux Φ, pas sa valeur.
- Le graphe e(t) est l'opposé de la pente du graphe Φ(t) : quand Φ augmente, e est négative ; quand Φ passe par son maximum (aimant au centre), e s'annule.
- Quand l'aimant entre puis ressort, le courant change de sens : l'aiguille part d'un côté puis de l'autre, et ce n'est pas la même DEL qui s'allume.
- Loi de Lenz : la bobine présente une face nord à un pôle nord qui approche (elle le repousse) et une face sud à un pôle nord qui s'éloigne (elle le retient). La force F est toujours opposée à la vitesse v.
- Plus l'aimant va vite et plus la bobine a de spires, plus la tension induite est grande : e est proportionnelle à N et à la vitesse.
Expériences à faire
- Fais entrer l'aimant deux fois plus vite : que devient la hauteur du pic sur le graphe e(t) ?
- Laisse l'aimant au centre de la bobine : le flux y est maximal… et pourtant e = 0. Pourquoi ?
- Retourne l'aimant et refais exactement le même geste : quelle DEL s'allume maintenant ?
- En va-et-vient automatique, double la fréquence : comment évoluent la tension maximale et la durée de chaque impulsion ?
- Coche ✏️ « Changer l'aimant et le circuit » : avec un aimant en ferrite (0,4 T) et une DEL bleue (3 V), arrives-tu encore à allumer une DEL ? Combien de spires faut-il ajouter ?
La physique derrière l'animation
- Flux magnétique à travers une spire de surface S placée dans un champ uniforme : Φ = B × S × cos θ (en weber, Wb). À travers une bobine de N spires, le flux est N fois plus grand.
- Loi de Faraday : toute variation du flux crée une force électromotrice induite e = −dΦ/dt (en volts). Si le circuit est fermé, un courant induit i = e / R circule.
- Loi de Lenz (c'est le signe −) : le courant induit circule dans un sens tel que ses effets s'opposent à la cause qui lui a donné naissance.
- Ici, Φ ne dépend que de la position x de l'aimant, donc e = −(dΦ/dx) × v : la tension est proportionnelle à la vitesse v de l'aimant et au nombre de spires.
- Modèle simplifié : aimant néodyme de 10 cm (1,2 T) représenté par deux pôles magnétiques, bobine de 8 cm de long et 2,5 cm de rayon, circuit de 100 Ω ; les deux DEL montées tête-bêche s'allument dès que |e| dépasse 1,8 V. Ces trois valeurs sont réglables avec ✏️ ; l'auto-induction de la bobine (quelques mH) est prise en compte mais ne compte que pour beaucoup de spires et une très faible résistance.
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