Induction Électromagnétique et Loi de Faraday

Exercice : Induction Électromagnétique

Induction Électromagnétique et Loi de Faraday

Contexte : L'Induction ÉlectromagnétiquePhénomène physique conduisant à l'apparition d'une force électromotrice (tension) dans un conducteur électrique soumis à un flux de champ magnétique variable..

Ce phénomène, découvert par Michael Faraday, est au cœur du fonctionnement des générateurs électriques, des transformateurs et de nombreuses autres technologies. Cet exercice explore comment une variation de champ magnétique à travers une bobine de fil conductrice peut y générer un courant électrique. Nous allons appliquer la loi de Faraday pour quantifier ce phénomène et la loi de Lenz pour en déterminer le sens.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous permettra de passer de la compréhension conceptuelle des lois de l'induction à leur application mathématique pour résoudre un problème physique concret, une compétence essentielle en électromagnétisme.


Objectifs Pédagogiques

  • Calculer le flux magnétiqueMesure du champ magnétique total qui traverse une surface donnée. Son unité est le Weber (Wb). à travers une spire.
  • Appliquer la Loi de FaradayPrincipe selon lequel la force électromotrice induite dans un circuit fermé est égale à l'opposé de la dérivée par rapport au temps du flux magnétique qui traverse le circuit. pour trouver la force électromotrice (f.é.m.) induite.
  • Utiliser la Loi de LenzLe courant induit dans un circuit par un changement de flux magnétique s'oppose, par ses effets, à la cause qui lui a donné naissance. pour déterminer le sens du courant induit.
  • Relier la f.é.m. et la résistance pour trouver l'intensité du courant induit.

Données de l'étude

On considère une bobine circulaire plate, comportant N spires, de rayon r et de résistance électrique totale R. Cette bobine est placée dans une région de l'espace où règne un champ magnétique uniforme \(\vec{B}\), perpendiculaire au plan de la bobine. L'intensité de ce champ varie de manière sinusoïdale avec le temps selon la loi : \(B(t) = B_0 \cos(\omega t)\).

Schéma du dispositif
B(t) r
Paramètre Symbole Valeur Unité
Nombre de spires $N$ 100 -
Rayon de la bobine \(r\) 10 \(\text{cm}\)
Résistance de la bobine \(R\) 5.0 \(\Omega\)
Amplitude du champ magnétique \(B_0\) 0.5 \(\text{T}\)
Pulsation \(\omega\) \(120\pi\) \(\text{rad/s}\)

Questions à traiter

  1. Déterminer l'expression du flux magnétique \(\Phi(t)\) à travers la bobine en fonction du temps.
  2. En déduire l'expression de la force électromotrice (f.é.m.) induite \(e(t)\) dans la bobine.
  3. Calculer la valeur maximale \(E_{\text{max}}\) de cette f.é.m. induite.
  4. Donner l'expression du courant induit \(i(t)\) qui parcourt la bobine.
  5. À l'instant \(t=0\), le courant est nul. Juste après, pour \(t\) petit et positif, le champ \(B\) diminue. Quel est le sens du courant induit (horaire ou antihoraire) vu de dessus ? Justifier avec la loi de Lenz.

Les bases sur l'Induction

L'induction électromagnétique est la production d'un courant électrique dans un circuit par la variation du champ magnétique à travers ce circuit.

1. Flux Magnétique \(\Phi\)
Le flux d'un champ magnétique \(\vec{B}\) à travers une surface \(S\) est une mesure de la "quantité" de champ qui passe à travers cette surface. Pour un champ uniforme et une surface plane d'aire \(A\), il est donné par : \[ \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} = B \cdot A \cdot \cos(\theta) \] Où \(\theta\) est l'angle entre le vecteur champ \(\vec{B}\) et le vecteur normal \(\vec{A}\) à la surface. Pour une bobine de \(N\) spires, le flux total est \(N\) fois le flux à travers une seule spire.

2. Loi de Faraday-Lenz
Cette loi fondamentale stipule que la force électromotrice (f.é.m.) induite $e$ dans un circuit est égale à l'opposé de la vitesse de variation du flux magnétique qui le traverse. Le signe "moins" représente la loi de Lenz. \[ e(t) = - \frac{d\Phi(t)}{dt} \]


Correction : Induction Électromagnétique et Loi de Faraday

Question 1 : Déterminer l'expression du flux magnétique \(\Phi(t)\).

Principe

Le flux magnétique à travers la bobine est le produit de l'intensité du champ magnétique perpendiculaire, de l'aire de la bobine, et du nombre de spires.

Mini-Cours

Le flux magnétique, \(\Phi\), est une grandeur scalaire qui représente la quantité de lignes de champ magnétique traversant une surface. Si le champ est perpendiculaire à la surface, le flux est maximal. Si le champ est parallèle, aucune ligne ne traverse la surface et le flux est nul. Pour une bobine, on additionne les flux à travers chaque spire, d'où la multiplication par N.

Remarque Pédagogique

La première étape est toujours de bien visualiser la géométrie du problème. Ici, "perpendiculaire au plan de la bobine" est l'information cruciale. Elle simplifie énormément le produit scalaire en fixant l'angle \(\theta\) à 0, et donc \(\cos(\theta)\) à 1.

Normes

En physique fondamentale, les "normes" sont les lois universelles établies, comme les équations de Maxwell dont la loi de Faraday est une conséquence.

Formule(s)

L'aire d'une spire circulaire est \(A = \pi r^2\). Le flux total \(\Phi(t)\) à travers les N spires est :

Formule générale du flux magnétique

\[ \Phi(t) = N \cdot B(t) \cdot A \cdot \cos(\theta) \]
Hypothèses

On formule les hypothèses suivantes :

  • Le champ magnétique \(\vec{B}\) est parfaitement uniforme sur toute la surface de la bobine.
  • Les spires sont parfaitement circulaires, plates et identiques.
  • L'orientation de la bobine est fixe et le vecteur normal à sa surface est parallèle à \(\vec{B}\) (donc \(\theta=0\)).
Donnée(s)

Nous utilisons les grandeurs symboliques de l'énoncé.

ParamètreExpression/Valeur
Nombre de spires\(N\)
Aire d'une spire\(A = \pi r^2\)
Champ magnétique\(B(t) = B_0 \cos(\omega t)\)
Astuces

Pour éviter les erreurs, traitez toujours les constantes symboliques (\(N, \pi, r, B_0\)) comme un seul bloc et ne vous concentrez que sur la partie qui dépend du temps (\( \cos(\omega t)\)).

Schéma (Avant les calculs)
Schéma du dispositif
B(t)r
Calcul(s)

Le calcul consiste à assembler les différentes composantes de la formule du flux. On part de la formule générale \(\Phi(t) = N \cdot B(t) \cdot A \cdot \cos(\theta)\). On remplace ensuite chaque terme par son expression : \(B(t)\) par \(B_0 \cos(\omega t)\), l'aire \(A\) par \(\pi r^2\), et comme le champ est perpendiculaire à la bobine, l'angle \(\theta\) est nul, donc \(\cos(0) = 1\). On regroupe enfin tous les termes constants (\(N, \pi, r^2, B_0\)) pour obtenir l'expression finale.

Expression du flux

\[ \begin{aligned} \Phi(t) &= N \cdot (B_0 \cos(\omega t)) \cdot (\pi r^2) \\ &= N \pi r^2 B_0 \cos(\omega t) \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Variation du flux \(\Phi(t)\)
Réflexions

Le résultat montre que le flux magnétique n'est pas constant, il oscille dans le temps à la même pulsation \(\omega\) que le champ magnétique. C'est cette variation qui va permettre d'induire une f.é.m.

Points de vigilance

Ne pas oublier de multiplier par le nombre de spires \(N\). Une erreur commune est de calculer le flux pour une seule spire. Attention également aux futures conversions d'unités pour le rayon \(r\).

Points à retenir

Pour un champ uniforme et perpendiculaire à une bobine de N spires, la formule du flux est simplement \(\Phi = N \cdot B \cdot A\). C'est le cas le plus simple et le plus fondamental.

Le saviez-vous ?

L'unité du flux magnétique, le Weber (Wb), est nommée en l'honneur du physicien allemand Wilhelm Eduard Weber. Un flux d'un Weber variant uniformément jusqu'à zéro en une seconde induit une force électromotrice d'un volt.

FAQ

Pourquoi le flux total est-il simplement N fois le flux d'une spire ?

On suppose que les spires sont empilées de manière si compacte que le champ magnétique traverse chacune d'elles de la même manière. Le circuit complet "voit" donc N fois le même changement de flux, et les f.é.m. de chaque spire s'additionnent en série.

Résultat Final
L'expression du flux magnétique à travers la bobine est \(\Phi(t) = N \pi r^2 B_0 \cos(\omega t)\).
A vous de jouer

Quel serait le flux maximal (en Wb) si le champ faisait un angle de 60° avec la normale à la bobine ? (Utilisez les valeurs numériques de l'énoncé)

Question 2 : En déduire l'expression de la f.é.m. induite \(e(t)\).

Principe

La f.é.m. induite est obtenue en appliquant la loi de Faraday, c'est-à-dire en calculant l'opposé de la dérivée temporelle du flux magnétique \(\Phi(t)\) que nous venons de trouver.

Mini-Cours

La dérivée en physique représente un taux de variation. La loi de Faraday \(e = -d\Phi/dt\) signifie que la tension induite est directement proportionnelle à la *rapidité* avec laquelle le flux magnétique change. Un changement rapide (grande pente de \(\Phi(t)\)) crée une grande tension, tandis qu'un flux constant (pente nulle) n'induit aucune tension.

Remarque Pédagogique

Le signe "moins" est crucial. C'est la loi de Lenz. Il nous dit que le système s'oppose à la variation. Ne l'oubliez jamais dans vos calculs, car il a un sens physique profond et détermine le sens du courant.

Normes

Nous appliquons ici la loi de l'induction de Faraday, une des quatre équations fondamentales de l'électromagnétisme de Maxwell.

Formule(s)

La loi de Faraday s'écrit :

Loi de Faraday-Lenz

\[ e(t) = - \frac{d\Phi(t)}{dt} \]

Rappel de dérivation : la dérivée de \(\cos(\omega t)\) par rapport à \(t\) est \(-\omega \sin(\omega t)\) (dérivation en chaîne).

Hypothèses

Nous supposons que le circuit est fermé et que les lois de l'électromagnétisme classique s'appliquent.

Donnée(s)

Nous utilisons le résultat de la question précédente :

ParamètreExpression/Valeur
Flux magnétique\(\Phi(t) = N \pi r^2 B_0 \cos(\omega t)\)
Astuces

Lors de la dérivation, le signe 'moins' de la loi de Faraday va être annulé par le signe 'moins' provenant de la dérivée de la fonction cosinus. C'est un point de calcul classique où il est facile de se tromper.

Schéma (Avant les calculs)
Le flux \(\Phi(t)\) dont on cherche la pente
Calcul(s)

Le calcul se fait en appliquant l'opérateur de dérivation par rapport au temps à l'expression du flux. Les termes constants \(N, \pi, r^2, B_0\) sont sortis de la dérivée. On dérive ensuite la fonction \(\cos(\omega t)\), ce qui donne \(-\omega \sin(\omega t)\) par la règle de dérivation en chaîne. Le signe négatif de ce résultat s'annule avec le signe négatif de la loi de Faraday, menant à l'expression finale.

Dérivation du flux par rapport au temps

\[ \begin{aligned} e(t) &= - \frac{d}{dt} \left[ N \pi r^2 B_0 \cos(\omega t) \right] \\ &= - N \pi r^2 B_0 \cdot \frac{d}{dt} \left[ \cos(\omega t) \right] \\ &= - N \pi r^2 B_0 \cdot (-\omega \sin(\omega t)) \\ &= N \pi r^2 B_0 \omega \sin(\omega t) \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Variation de la f.é.m. \(e(t)\)
Réflexions

Le résultat montre que la f.é.m. n'est pas en phase avec le champ magnétique. La tension est maximale non pas quand le champ est le plus fort, mais quand il varie le plus vite. C'est le principe de fonctionnement des alternateurs.

Points de vigilance

L'erreur la plus fréquente est d'oublier la "règle de la chaîne" lors de la dérivation, et d'omettre le facteur \(\omega\) qui sort de la fonction cosinus.

Points à retenir

La dérivation d'une fonction sinusoïdale (comme le flux) donne une autre fonction sinusoïdale (la f.é.m.) qui est déphasée et dont l'amplitude est multipliée par la pulsation \(\omega\).

Le saviez-vous ?

Michael Faraday, qui a découvert l'induction, était un scientifique largement autodidacte avec peu de formation mathématique formelle. Il décrivait ses découvertes en termes de "lignes de force", un concept visuel que James Clerk Maxwell a plus tard formalisé dans ses célèbres équations.

FAQ

Pourquoi la f.é.m. est-elle une fonction sinus si le flux est un cosinus ?

Cela vient directement du calcul de la dérivée. La pente d'une fonction cosinus est nulle à ses maxima et minima, et maximale lorsque la fonction passe par zéro. Ce comportement correspond exactement à une fonction sinus décalée.

Résultat Final
La force électromotrice induite est \(e(t) = N \pi r^2 B_0 \omega \sin(\omega t)\).
A vous de jouer

Quelle serait l'expression de \(e(t)\) si le champ était une rampe linéaire \(B(t) = kt\) ?

Question 3 : Calculer la valeur maximale \(E_{\text{max}}\) de la f.é.m.

Principe

La valeur maximale de la f.é.m. \(e(t)\) correspond à l'amplitude de la fonction sinusoïdale que nous avons trouvée. La fonction sinus varie entre -1 et 1, donc la valeur maximale est atteinte lorsque \(\sin(\omega t) = 1\).

Mini-Cours

Pour toute fonction de la forme \(f(t) = A \sin(\omega t + \phi)\), la valeur \(A\) est appelée l'amplitude. Elle représente la valeur maximale que la fonction peut atteindre. Physiquement, pour un signal électrique, c'est la "tension de crête".

Remarque Pédagogique

Identifier l'amplitude est une compétence clé. Il suffit d'isoler le terme sinusoïdal qui varie entre -1 et 1, et tout ce qui le multiplie constitue l'amplitude.

Normes

Pas de norme réglementaire ici, mais en électronique, la distinction entre tension de crête (\(E_{\text{max}}\)), tension crête-à-crête (\(2 \cdot E_{\text{max}}\)) et tension efficace (\(E_{\text{max}}/\sqrt{2}\)) est normalisée et essentielle.

Formule(s)

À partir de \(e(t) = (N \pi r^2 B_0 \omega) \sin(\omega t)\), on identifie l'amplitude :

Formule de l'amplitude de la f.é.m.

\[ E_{\text{max}} = N \pi r^2 B_0 \omega \]
Hypothèses

On suppose que les valeurs numériques fournies dans l'énoncé sont des constantes précises pour effectuer l'application numérique.

Donnée(s) & Conversion d'unités

Il est impératif de travailler dans le Système International. Il faut donc convertir le rayon \(r\) en mètres : \(r = 10 \text{ cm} = 0.1 \text{ m}\).

ParamètreSymboleValeurUnité
Nombre de spires\(N\)100-
Rayon\(r\)0.1\(\text{m}\)
Amplitude du champ\(B_0\)0.5\(\text{T}\)
Pulsation\(\omega\)\(120\pi\)\(\text{rad/s}\)
Astuces

Pour une estimation rapide, on peut utiliser l'approximation \(\pi^2 \approx 10\). Ici, \(60 \pi^2 \approx 60 \times 10 = 600\) V. C'est un excellent moyen de vérifier que notre calcul final (592.2 V) est du bon ordre de grandeur.

Schéma (Avant les calculs)
Identification de \(E_{\text{max}}\) sur la courbe de \(e(t)\)
Calcul(s)

Application numérique pour \(E_{\text{max}}\)

\[ \begin{aligned} E_{\text{max}} &= 100 \cdot \pi \cdot (0.1)^2 \cdot 0.5 \cdot 120\pi \\ &= 100 \cdot \pi \cdot 0.01 \cdot 0.5 \cdot 120\pi \\ &= 1 \cdot \pi \cdot 0.5 \cdot 120\pi \\ &= 60 \pi^2 \\ &\approx 60 \cdot (9.8696) \\ &\approx 592.176 \text{ V} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Visualisation de la f.é.m. maximale
Réflexions

Une tension de près de 600V est très élevée, ce qui indique que les paramètres choisis (notamment le nombre de spires et la vitesse de rotation) sont ceux d'un puissant générateur.

Points de vigilance

La plus grande source d'erreur est la conversion d'unités. Si on oublie de convertir les 10 cm en 0.1 m, le résultat sera 100 fois plus grand car le rayon est au carré !

Points à retenir

La f.é.m. maximale est directement proportionnelle à chaque paramètre : \(N, A, B_0, \omega\). Pour augmenter la tension d'un générateur, on peut augmenter le nombre de tours, la taille des spires, la puissance de l'aimant ou la vitesse de rotation.

Le saviez-vous ?

La pulsation \(\omega=120\pi\) rad/s correspond à une fréquence \(f = \omega/2\pi = 60\) Hz. C'est la fréquence standard du courant alternatif en Amérique du Nord et dans certains autres pays. En Europe, la fréquence standard est de 50 Hz (\(\omega=100\pi\) rad/s).

FAQ

Si on double la fréquence de rotation, que devient \(E_{\text{max}}\) ?

Comme \(E_{\text{max}}\) est directement proportionnel à \(\omega\) (et \(f=\omega/2\pi\)), doubler la fréquence de rotation (et donc \(\omega\)) doublera la tension maximale induite.

Résultat Final
La valeur maximale de la force électromotrice induite est \(E_{\text{max}} \approx 592.2 \text{ V}\).
A vous de jouer

Calculez \(E_{\text{max}}\) si le rayon était de 20 cm au lieu de 10 cm.

Question 4 : Donner l'expression du courant induit \(i(t)\).

Principe

Le courant induit est obtenu grâce à la loi d'Ohm, en divisant la force électromotrice induite \(e(t)\) (qui agit comme une tension de générateur) par la résistance totale \(R\) de la bobine.

Mini-Cours

La loi d'Ohm (\(U=RI\)) est l'une des relations les plus fondamentales en électricité. Elle stipule que le courant qui traverse un dipôle ohmique est proportionnel à la tension à ses bornes. Ici, la f.é.m. \(e(t)\) joue le rôle de la tension \(U\), et la bobine entière est notre dipôle de résistance \(R\).

Remarque Pédagogique

Puisque la résistance \(R\) est une constante réelle et positive, la division de \(e(t)\) par \(R\) ne change ni la forme sinusoïdale du signal, ni sa phase. Le courant et la f.é.m. sont donc parfaitement en phase : ils atteignent leurs maxima et leurs zéros aux mêmes instants.

Normes

La loi d'Ohm est la base de l'analyse des circuits électriques, formalisée dans les lois de Kirchhoff.

Formule(s)

Loi d'Ohm appliquée à la bobine :

Loi d'Ohm

\[ i(t) = \frac{e(t)}{R} \]
Hypothèses

On suppose que la bobine se comporte comme une résistance pure (ohmique). On néglige son auto-inductance, qui introduirait un déphasage entre le courant et la f.é.m.

Donnée(s)

On utilise le résultat de la question 2 et la valeur de R.

ParamètreExpression/Valeur
f.é.m. induite\(e(t) = N \pi r^2 B_0 \omega \sin(\omega t)\)
Résistance\(R=5.0 \, \Omega\)
Astuces

Il est souvent plus élégant de définir l'amplitude du courant \(I_{\text{max}} = E_{\text{max}}/R\) et d'écrire \(i(t) = I_{\text{max}} \sin(\omega t)\). Cela sépare le calcul de l'amplitude de l'expression temporelle.

Schéma (Avant les calculs)

Le circuit peut être modélisé comme un simple générateur de tension \(e(t)\) en série avec une résistance \(R\).

Circuit Électrique Équivalent
e(t)R
Calcul(s)

On divise l'expression de \(e(t)\) par \(R\).

Expression littérale du courant induit

\[ i(t) = \frac{N \pi r^2 B_0 \omega}{R} \sin(\omega t) \]

On calcule l'amplitude maximale du courant \(I_{\text{max}}\).

Calcul de l'amplitude du courant

\[ \begin{aligned} I_{\text{max}} &= \frac{E_{\text{max}}}{R} \\ &= \frac{592.2 \text{ V}}{5.0 \, \Omega} \\ &\approx 118.44 \text{ A} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Un graphique montrant \(e(t)\) et \(i(t)\) sur le même axe de temps. Les deux courbes sont des sinusoïdes parfaitement en phase, seule leur amplitude diffère.

Tension et Courant en Phase
Réflexions

Un courant de plus de 118 ampères est considérable et nécessiterait des fils de section importante pour ne pas surchauffer. Cela montre que l'induction peut générer non seulement des tensions élevées, mais aussi des courants très intenses.

Points de vigilance

Assurez-vous d'utiliser la valeur de la f.é.m. en Volts et la résistance en Ohms pour obtenir un courant en Ampères. Toute l'analyse doit se faire avec des unités du Système International.

Points à retenir

Dans un circuit purement résistif, le courant induit a la même forme et la même phase que la f.é.m. qui le génère. Son amplitude est simplement \(I_{\text{max}} = E_{\text{max}}/R\).

Le saviez-vous ?

La loi d'Ohm a été proposée par Georg Ohm en 1827. À l'époque, elle fut accueillie avec froideur par la communauté scientifique allemande, qui considérait son approche trop empirique. Ce n'est que des années plus tard qu'elle fut reconnue comme une loi fondamentale.

FAQ

Et si on tenait compte de l'auto-inductance L de la bobine ?

L'auto-inductance s'opposerait aussi à la variation du courant. Le circuit aurait alors une impédance complexe \(Z = R + jL\omega\). Le courant serait alors déphasé (en retard) par rapport à la tension, et son amplitude serait \(I_{\text{max}} = E_{\text{max}} / |Z| = E_{\text{max}} / \sqrt{R^2 + (L\omega)^2}\).

Résultat Final
L'expression du courant induit est \(i(t) = \frac{N \pi r^2 B_0 \omega}{R} \sin(\omega t)\), avec une amplitude maximale d'environ \(118.4 \text{ A}\).
A vous de jouer

Quel serait le courant maximal \(I_{\text{max}}\) si la résistance de la bobine était de 10 \(\Omega\) ?

Question 5 : Quel est le sens du courant induit juste après \(t=0\) ?

Principe

La loi de Lenz stipule que le courant induit crée un champ magnétique induit qui s'oppose à la variation du flux magnétique qui l'a engendré. Il faut donc déterminer le sens de la variation du flux, puis le sens du champ induit qui s'y oppose, et enfin le sens du courant qui crée ce champ induit.

Mini-Cours

La loi de Lenz est une loi de modération : le système n'aime pas le changement. Si un flux augmente, le système crée un champ opposé pour le diminuer. Si un flux diminue, le système crée un champ dans le même sens pour le renforcer. Pour trouver le sens du courant à partir du sens du champ qu'il crée, on utilise la règle de la main droite : si vous enroulez les doigts de votre main droite dans le sens du courant autour de la boucle, votre pouce indique la direction du champ magnétique induit au centre.

Remarque Pédagogique

La méthode est toujours la même en 3 étapes : 1. Comment varie le flux extérieur (\(\Phi_{\text{ext}}\)) ? (augmente/diminue, direction) 2. Quel champ induit (\(\vec{B}_{\text{induit}}\)) s'oppose à cette variation ? 3. Quel courant (\(i\)) produit ce champ induit (règle de la main droite) ?

Hypothèses

On se place dans la convention où le sens positif (antihoraire) est associé à un vecteur normal sortant (vers le haut).

Donnée(s)

On sait que \(B(t) = B_0 \cos(\omega t)\). Pour \(t > 0\) et petit, \(\cos(\omega t) < 1\). Donc, le champ \(B\) diminue. Le champ initial à \(t=0\) est dirigé vers le haut (implicite par le schéma).

Schéma (Avant les calculs)
Situation Initiale à \(t>0\)
B(t) diminue
Raisonnement

Ceci est une déduction logique, pas un calcul numérique :

  1. Variation du flux extérieur : À \(t=0\), \(B(t) = B_0\). Pour \(t\) petit et positif, \(\cos(\omega t)\) est légèrement inférieur à 1. Le champ magnétique \(B(t)\), dirigé vers le haut, diminue en intensité. Le flux magnétique à travers la bobine, qui est proportionnel à \(B(t)\), diminue donc également.
  2. Opposition à la variation (Loi de Lenz) : Puisque le flux vers le haut diminue, le circuit va réagir en créant un champ magnétique induit \(\vec{B}_{\text{induit}}\) dirigé dans le même sens que le champ extérieur, c'est-à-dire vers le haut, pour compenser cette diminution.
  3. Sens du courant (Règle de la main droite) : Pour créer un champ magnétique pointant vers le haut au centre de la boucle, le courant doit circuler dans le sens antihoraire (vu de dessus), selon la règle de la main droite (pouce dans le sens de \(\vec{B}_{\text{induit}}\), les doigts s'enroulent dans le sens de \(i\)).

Schéma (Après les calculs)
Application de la Loi de Lenz
B induiti
Réflexions

Notre analyse conceptuelle est cohérente avec le calcul de la question 4. On a trouvé \(i(t) \propto \sin(\omega t)\). Pour \(t\) petit et positif, \(\sin(\omega t)\) est positif. Un courant positif correspond, par convention, au sens antihoraire. Les deux méthodes, calcul et raisonnement, donnent le même résultat.

Points de vigilance

L'erreur la plus commune est de confondre la direction du champ avec la direction de sa *variation*. Le champ B est vers le haut, mais sa *variation* est vers le bas (il diminue). C'est cette variation que le système cherche à contrer.

Points à retenir

Maîtriser la Loi de Lenz est essentiel. La séquence logique "Variation de \(\Phi_{\text{ext}}\) \(\Rightarrow\) Opposition par \(\vec{B}_{\text{induit}}\) \(\Rightarrow\) Courant \(i\) par règle de la main droite" est une méthode infaillible pour déterminer le sens du courant induit.

Le saviez-vous ?

Heinrich Lenz, qui a formulé la loi sur le sens du courant induit en 1834, était un physicien germano-balte. Sa loi est une conséquence directe de la conservation de l'énergie. Si le courant induit aidait la variation de flux au lieu de s'y opposer, on créerait de l'énergie à partir de rien, violant le premier principe de la thermodynamique.

FAQ

Et si le champ B avait été dirigé vers le bas et diminuait ?

Si le flux vers le bas diminuait, le système tenterait de le renforcer en créant un \(\vec{B}_{\text{induit}}\) dirigé aussi vers le bas. Par la règle de la main droite, cela correspondrait à un courant circulant dans le sens horaire.

Résultat Final
Le courant induit circule dans le sens antihoraire (vu de dessus).
A vous de jouer

À l'instant \(t=T/4\) (où \(T\) est la période), le champ \(B\) est nul mais sa vitesse de variation est maximale (il devient négatif). Quel est le sens du courant induit à cet instant ?


Outil Interactif : Simulation de la f.é.m. Induite

Utilisez les curseurs pour faire varier le nombre de spires (\(N\)) et la pulsation (\(\omega\)) du champ magnétique. Observez en temps réel l'impact sur la force électromotrice (tension) maximale générée et sur la forme du signal électrique.

Paramètres d'Entrée
100 spires
377 rad/s
Résultats Clés
F.é.m. maximale (\(E_{\text{max}}\)) - V
Fréquence (\(f = \omega/2\pi\)) - Hz

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Selon la loi de Faraday, une force électromotrice est induite dans un circuit si...

2. Si on double le nombre de spires d'une bobine, la f.é.m. maximale induite (en gardant les autres paramètres constants)...

3. La loi de Lenz est une manifestation de la conservation de...

4. L'unité du flux magnétique est le...

5. Si on augmente la vitesse de variation du champ magnétique (on augmente $\omega$), la f.é.m. induite...


Glossaire

Flux Magnétique (\(\Phi\))
Grandeur qui quantifie le champ magnétique traversant une surface. Une variation de ce flux est la source de l'induction. Unité : Weber (Wb).
Loi de Faraday
Loi fondamentale de l'électromagnétisme qui stipule que la force électromotrice induite est proportionnelle à la vitesse de variation du flux magnétique : \(e = -d\Phi/dt\).
Loi de Lenz
Le signe négatif dans la loi de Faraday. Elle indique que le courant induit génère des effets (un champ magnétique induit) qui s'opposent à la cause de sa création (la variation de flux).
Force Électromotrice (f.é.m.)
Notée \(e\), c'est la tension qui apparaît aux bornes d'un circuit ouvert ou le travail par unité de charge qui met les charges en mouvement dans un circuit fermé. C'est l'équivalent d'une tension pour un générateur. Unité : Volt (V).
Exercice : Induction dans une Bobine et Loi de Faraday

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Mouvement Projectile
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Calcul du champ magnétique d’un fil
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