Karamö, le prof virtuelLeçon 17 sur 22
Déplacer un aimant devant une bobine : effets
Je sais que le déplacement relatif d'un aimant et d'une bobine produit un courant électrique, et je sais dire de quoi dépendent son sens et son intensité.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Réaliser et décrire l'expérience de l'aimant et de la bobine
- Définir le phénomène d'induction, l'inducteur, l'induit et le courant induit
- Savoir que le courant induit n'existe que pendant le mouvement
- Indiquer de quoi dépendent le sens et l'intensité du courant induit
- Citer des applications (dynamo de vélo, alternateur, microphone)
Avant de commencer : Le circuit électrique simple et l'ampèremètre (classes précédentes) ; les pôles d'un aimant (nord et sud) et l'action d'un aimant sur une aiguille aimantée.
1Je découvre
À Kankan, Ibrahima rentre de l'école à vélo à la tombée de la nuit. Son vélo n'a pas de pile, et pourtant, dès qu'il pédale, son phare s'allume. Quand il s'arrête au carrefour, la lumière s'éteint ; quand il pédale plus vite, elle devient plus vive.
Curieux, il demande à son grand frère Lansana, élève en 10e, ce qu'il y a dans le petit boîtier frotté par la roue. Lansana le démonte avec lui : à l'intérieur, ils trouvent un aimant qui tourne et, tout autour, du fil de cuivre enroulé de nombreuses fois, formant une bobine. Aucune pile, aucune batterie.
Ibrahima est surpris : un aimant qui tourne près d'un fil suffit-il vraiment à fabriquer de l'électricité ? Et pourquoi faut-il que ça bouge ?
Que se passe-t-il quand on déplace un aimant devant une bobine, et de quoi dépend le courant obtenu ?
2Je comprends
1. Le matériel
- Une bobine : un long fil de cuivre recouvert de vernis isolant, enroulé en nombreuses spires (tours) autour d'un tube. Ses deux extrémités, dénudées, sont ses bornes.
- Un aimant droit, avec un pôle nord (N) et un pôle sud (S).
- Un appareil capable de détecter un très faible courant : un galvanomètre ou un microampèremètre à zéro central (l'aiguille est au milieu au repos et peut dévier à droite ou à gauche selon le sens du courant). On peut aussi utiliser deux diodes électroluminescentes montées tête-bêche.
On relie les deux bornes de la bobine au microampèremètre : on obtient un circuit fermé qui ne contient aucun générateur (aucune pile).
2. L'expérience et les observations
- 1Aimant immobile loin de la bobine : l'aiguille reste à zéro.
- 2On approche rapidement le pôle nord de la bobine : l'aiguille dévie, par exemple vers la droite.
- 3On arrête l'aimant près de la bobine : l'aiguille revient à zéro.
- 4On éloigne le pôle nord : l'aiguille dévie dans l'autre sens, vers la gauche.
- 5On approche le pôle sud : l'aiguille dévie vers la gauche ; on l'éloigne : vers la droite.
- 6On garde l'aimant fixe et on déplace la bobine : on obtient les mêmes déviations.
On refait l'expérience en changeant les conditions :
- en déplaçant l'aimant plus vite, la déviation est plus grande ;
- avec un aimant plus puissant, la déviation est plus grande ;
- avec une bobine ayant plus de spires, la déviation est plus grande ;
- si l'aimant est immobile, même collé contre la bobine, il n'y a aucune déviation.
3. Interprétation : le phénomène d'induction
La déviation de l'aiguille montre qu'un courant électrique circule dans le circuit, alors qu'il n'y a pas de pile. Ce courant est produit par le mouvement relatif de l'aimant et de la bobine.
L'induction électromagnétique est la production d'un courant électrique dans un circuit fermé, provoquée par le déplacement relatif d'un aimant et d'une bobine (ou, plus généralement, par une variation du champ magnétique qui traverse la bobine).
Le vocabulaire à connaître :
| Mot | Ce qu'il désigne |
|---|---|
| Inducteur | ce qui crée l'effet magnétique : l'aimant (ou un électroaimant) |
| Induit | le circuit dans lequel apparaît le courant : la bobine |
| Courant induit | le courant qui apparaît dans l'induit |
| Tension induite | la tension qui apparaît aux bornes de la bobine (même si le circuit est ouvert, on peut la mesurer avec un voltmètre) |
Ce phénomène a été découvert par le physicien anglais Michael Faraday, en 1831.
4. Les règles à retenir
Condition d'existence. Le courant induit n'existe que pendant le mouvement. Il faut que l'aimant et la bobine bougent l'un par rapport à l'autre. Peu importe lequel des deux se déplace : seul compte le mouvement relatif.
Le sens du courant induit change quand :
- on inverse le sens du mouvement (approcher ou éloigner) ;
- on inverse les pôles de l'aimant (présenter le pôle nord ou le pôle sud).
Si l'on change les deux à la fois, le sens ne change pas (approcher le pôle nord donne le même sens qu'éloigner le pôle sud).
L'intensité du courant induit est d'autant plus grande que :
- le mouvement est rapide ;
- l'aimant est puissant ;
- la bobine a beaucoup de spires.
Pour aller plus loin. Pendant le mouvement, la bobine traversée par le courant induit devient elle-même un petit aimant, et ce petit aimant s'oppose au mouvement : si on approche un pôle nord, la face de la bobine qui lui fait face devient un pôle nord et le repousse. C'est pourquoi il faut fournir un effort pour produire de l'électricité : un cycliste pédale un peu plus fort quand sa dynamo est en marche.
Exemple
On approche lentement le pôle sud d'un aimant d'une bobine reliée à un microampèremètre à zéro central : l'aiguille dévie de 2 graduations vers la droite. Prévoir ce qui se passe si : a) on approche rapidement le pôle sud ; b) on éloigne lentement le pôle sud ; c) on approche lentement le pôle nord ; d) on laisse l'aimant immobile dans la bobine.
a) Même sens (on approche le même pôle), mais déviation plus grande car le mouvement est plus rapide : vers la droite, de plus de 2 graduations.
b) Le sens du mouvement est inversé : déviation vers la gauche, d'environ 2 graduations.
c) Le pôle est inversé : déviation vers la gauche.
d) Pas de mouvement relatif, donc pas de courant induit : l'aiguille reste à zéro.
Exemple
Hawa possède deux bobines : l'une de 250 spires, l'autre de 1 000 spires. Elle déplace le même aimant à la même vitesse devant chacune. Dans quel cas l'aiguille déviera-t-elle le plus ? Comment pourrait-elle augmenter encore la déviation ?
La bobine de 1 000 spires donnera la plus grande déviation, car l'intensité du courant induit augmente avec le nombre de spires.
Pour l'augmenter encore, elle peut déplacer l'aimant plus vite ou utiliser un aimant plus puissant.
Méthode
Pour prévoir l'effet d'un changement dans l'expérience aimant-bobine :
- Je vérifie d'abord s'il y a mouvement relatif : sinon, pas de courant induit.
- Pour le sens : je compte les inversions (sens du mouvement, pôle présenté). Une inversion change le sens ; deux inversions le rétablissent.
- Pour l'intensité : je regarde la vitesse du mouvement, la puissance de l'aimant et le nombre de spires.
- Je rédige ma réponse en citant la règle utilisée.
5. Les applications
L'induction est à la base de la production de presque toute l'électricité que nous utilisons.
- La dynamo de vélo : la roue fait tourner un aimant à l'intérieur d'une bobine fixe ; le courant induit allume le phare. Plus on roule vite, plus la lampe brille.
- L'alternateur des centrales électriques : dans les centrales hydroélectriques de Guinée, l'eau retenue par un barrage fait tourner une turbine, qui fait tourner d'énormes électroaimants à l'intérieur de bobines. C'est l'objet de la leçon suivante.
- L'alternateur des voitures et les groupes électrogènes : le moteur fait tourner l'alternateur, qui produit l'électricité.
- Le microphone électrodynamique : le son fait vibrer une membrane reliée à une petite bobine placée près d'un aimant ; la bobine bouge et un courant induit, qui reproduit les vibrations du son, apparaît.
- Les lampes torches « à secouer » : en secouant la lampe, on fait passer un aimant dans une bobine.
3Je retiens
Je retiens
Le déplacement relatif d'un aimant et d'une bobine fait apparaître un courant dans le circuit fermé : c'est l'induction électromagnétique.
L'aimant est l'inducteur, la bobine est l'induit ; le courant produit est le courant induit.
Le courant induit n'existe que pendant le mouvement ; peu importe qui bouge, l'aimant ou la bobine.
Son sens change si on inverse le sens du mouvement ou si on inverse le pôle de l'aimant.
Son intensité augmente avec la vitesse du mouvement, la puissance de l'aimant et le nombre de spires.
Applications : dynamo de vélo, alternateurs des centrales et des groupes électrogènes, microphone.
4Erreurs fréquentes
- Croire qu'un aimant immobile dans une bobine produit du courant : sans mouvement relatif, il n'y a aucun courant induit.
- Oublier que déplacer la bobine devant un aimant fixe produit le même effet que déplacer l'aimant.
- Penser que le courant garde toujours le même sens : il s'inverse quand on passe de l'approche à l'éloignement.
- Confondre l'inducteur (l'aimant) et l'induit (la bobine où circule le courant).
5Je m’exerce
1Exercice 1
Définis : induction électromagnétique, inducteur, induit, courant induit.
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- Induction électromagnétique : apparition d'un courant électrique dans un circuit fermé, due au déplacement relatif d'un aimant et d'une bobine.
- Inducteur : l'élément qui crée l'effet magnétique, ici l'aimant.
- Induit : le circuit (la bobine) dans lequel apparaît le courant.
- Courant induit : le courant qui circule dans l'induit pendant le mouvement.
2Exercice 2
Une bobine est reliée à un microampèremètre à zéro central. Pour chaque cas, dis si l'aiguille dévie ou non.
a) L'aimant est posé immobile à l'intérieur de la bobine.
b) On sort l'aimant de la bobine.
c) On déplace la bobine autour de l'aimant fixe.
d) On déplace ensemble l'aimant et la bobine, à la même vitesse, dans la même direction.
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a) Non : pas de mouvement relatif.
b) Oui : l'aimant se déplace par rapport à la bobine.
c) Oui : c'est un mouvement relatif, comme si l'aimant bougeait.
d) Non : l'aimant et la bobine restent immobiles l'un par rapport à l'autre, il n'y a pas de mouvement relatif.
3Exercice 3
Quand Kadiatou approche le pôle nord d'un aimant d'une bobine, l'aiguille dévie vers la gauche. Dans quel sens dévie-t-elle quand :
a) elle éloigne le pôle nord ?
b) elle approche le pôle sud ?
c) elle éloigne le pôle sud ?
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a) Vers la droite (une inversion : le sens du mouvement).
b) Vers la droite (une inversion : le pôle).
c) Vers la gauche (deux inversions : le sens redevient le même qu'au départ).
4Exercice 4
Cite trois moyens d'augmenter l'intensité du courant induit.
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Déplacer l'aimant plus vite ; utiliser un aimant plus puissant ; utiliser une bobine qui a plus de spires.
5Exercice 5
(Type examen) Ibrahima étudie la dynamo de son vélo.
a) Quels sont les deux éléments essentiels d'une dynamo ? Lequel est l'inducteur, lequel est l'induit ?
b) Explique pourquoi la lampe s'éteint quand le vélo s'arrête.
c) Explique pourquoi la lampe brille davantage quand Ibrahima roule plus vite.
d) Ibrahima remarque qu'il doit pédaler un peu plus fort quand la dynamo est en marche. Propose une explication.
e) Cite deux autres appareils qui fonctionnent grâce au même phénomène.
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a) Un aimant et une bobine. L'aimant est l'inducteur ; la bobine est l'induit.
b) Quand le vélo s'arrête, l'aimant ne tourne plus : il n'y a plus de mouvement relatif entre l'aimant et la bobine, donc plus de courant induit, et la lampe s'éteint.
c) Plus la roue tourne vite, plus l'aimant tourne vite devant la bobine : l'intensité du courant induit augmente et la lampe brille davantage.
d) Pendant le mouvement, la bobine parcourue par le courant induit se comporte comme un aimant qui s'oppose au mouvement de l'aimant. Ibrahima doit fournir un effort supplémentaire : c'est cet effort qui est transformé en énergie électrique.
e) L'alternateur d'une centrale électrique ou d'un groupe électrogène ; le microphone électrodynamique ; l'alternateur d'une voiture (deux exemples suffisent).
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6Je vérifie
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