Inductances et champs magnétiques. Partie 2. Induction et inductance électromagnétiques

La première partie de l'article: Inductances et champs magnétiques

La relation des champs électriques et magnétiques

Les phénomènes électriques et magnétiques sont étudiés depuis longtemps, mais personne n'a pensé à relier ces études les unes aux autres. Et ce n'est qu'en 1820 qu'il a été découvert qu'un conducteur de courant agit sur l'aiguille de la boussole. Cette découverte a appartenu au physicien danois Hans Christian Oersted. Par la suite, l'unité de mesure de l'intensité du champ magnétique dans le système GHS a été nommée d'après lui: la désignation russe E (Oersted), la désignation anglaise Oe. Le champ magnétique a une telle intensité dans le vide lors de l'induction de 1 Gauss.

Cette découverte a suggéré qu'un champ magnétique pourrait être obtenu à partir d'un courant électrique. Mais en même temps, des réflexions ont surgi sur la transformation inverse, à savoir comment obtenir un courant électrique à partir d'un champ magnétique. En effet, de nombreux processus dans la nature sont réversibles: la glace est obtenue à partir d'eau, qui peut à nouveau être fondue en eau.

Après la découverte d'Oersted, l'étude de cette loi désormais évidente de la physique a pris jusqu'à vingt-deux ans. Le scientifique anglais Michael Faraday était engagé dans l'obtention d'électricité à partir d'un champ magnétique. Des conducteurs et des aimants de différentes formes et tailles ont été fabriqués et des options pour leur disposition mutuelle ont été recherchées. Et seulement, apparemment, par hasard, le scientifique a découvert que pour obtenir des CEM aux extrémités du conducteur, un terme supplémentaire est nécessaire - le mouvement de l'aimant, c'est-à-dire le champ magnétique doit être variable.

Maintenant, cela ne surprend personne. C'est ainsi que fonctionnent tous les générateurs électriques - pendant qu'il tourne avec quelque chose, de l'électricité est générée, une ampoule brille. S'arrêta, cessa de tourner et la lumière s'éteignit.

Induction électromagnétique

Ainsi, la FEM aux extrémités du conducteur ne se produit que si elle est déplacée d'une certaine manière dans un champ magnétique. Ou, plus précisément, le champ magnétique doit nécessairement changer, être variable. Ce phénomène est appelé induction électromagnétique, dans le guidage électromagnétique russe: dans ce cas, ils disent que les CEM sont induits dans le conducteur. Si une charge est connectée à une telle source EMF, un courant circulera dans le circuit.

L'amplitude de la FEM induite dépend de plusieurs facteurs: la longueur du conducteur, l'induction du champ magnétique B et, dans une large mesure, la vitesse de déplacement du conducteur dans le champ magnétique. Plus le rotor du générateur tourne rapidement, plus la tension à sa sortie est élevée.

Remarque: l'induction électromagnétique (phénomène d'apparition d'un champ électromagnétique aux extrémités d'un conducteur dans un champ magnétique alternatif) ne doit pas être confondue avec l'induction magnétique - une grandeur physique vectorielle caractérisant le champ magnétique réel.

Trois façons d'obtenir des CEM

Induction

Cette méthode a été envisagée. dans la première partie de l'article. Il suffit de déplacer le conducteur dans le champ magnétique de l'aimant permanent, ou inversement de déplacer (presque toujours par rotation) l'aimant à proximité du conducteur. Les deux options vous permettront certainement d'obtenir un champ magnétique alternatif. Dans ce cas, la méthode d'obtention d'EMF est appelée induction. C'est l'induction qui est utilisée pour obtenir des CEM dans divers générateurs. Dans les expériences de Faraday en 1831, l'aimant s'est progressivement déplacé à l'intérieur de la bobine de fil.

Induction mutuelle

Ce nom suggère que deux conducteurs participent à ce phénomène. Dans l'un d'eux, un courant changeant circule, ce qui crée un champ magnétique alternatif autour de lui. S'il y a un autre conducteur à proximité, alors à ses extrémités il y a un EMF variable.

Cette méthode d'obtention d'EMF est appelée induction mutuelle.C'est sur le principe de l'induction mutuelle que tous les transformateurs fonctionnent, seuls leurs conducteurs sont réalisés sous forme de bobines, et des noyaux en matériaux ferromagnétiques sont utilisés pour améliorer l'induction magnétique.

Si le courant dans le premier conducteur s'arrête (circuit ouvert), ou devient même très fort, mais constant (il n'y a pas de changement), alors aux extrémités du deuxième conducteur aucun EMF ne peut être obtenu. C'est pourquoi les transformateurs fonctionnent uniquement en courant alternatif: si une batterie galvanique est connectée à l'enroulement primaire, alors il n'y aura certainement pas de tension à la sortie de l'enroulement secondaire.

Les CEM dans l'enroulement secondaire ne sont induits que lorsque le champ magnétique change. De plus, plus le taux de variation est élevé, à savoir la vitesse et non la valeur absolue, plus la FEM induite est élevée.

Auto-induction

Si vous retirez le deuxième conducteur, le champ magnétique du premier conducteur imprègnera non seulement l'espace environnant, mais également le conducteur lui-même. Ainsi, sous l'influence de son champ dans le CEM induit par le conducteur, qui est appelé le CEM de l'auto-induction.

Les phénomènes d'auto-induction en 1833 ont été étudiés par le scientifique russe Lenz. Sur la base de ces expériences, un motif intéressant a été trouvé: la FEM de l'auto-induction contrecarre toujours, compense le champ magnétique alternatif externe qui cause cette FEM. Cette dépendance est appelée la règle de Lenz (à ne pas confondre avec la loi Joule-Lenz).

Le signe moins dans la formule parle simplement de la lutte contre les CEM de l'auto-induction par ses causes. Si la bobine est connectée à une source de courant continu, le courant augmentera assez lentement. Ceci est très visible lorsque l'enroulement primaire du transformateur est «composé» avec un ohmmètre à cadran: la vitesse de la flèche dans le sens de la division de l'échelle zéro est sensiblement plus faible que lors du test des résistances.

Lorsque la bobine est déconnectée de la source de courant, l'EMF d'auto-induction provoque une étincelle des contacts de relais. Dans le cas où la bobine est commandée par un transistor, par exemple une bobine relais, une diode est placée parallèlement à celle-ci en sens inverse par rapport à la source d'alimentation. Ceci est fait afin de protéger les éléments semi-conducteurs de l'influence de l'auto-induction EMF, qui peut être des dizaines, voire des centaines de fois plus élevée que la tension de la source d'alimentation.

Pour mener des expériences, Lenz a construit un appareil intéressant. Deux bagues en aluminium sont fixées aux extrémités du culbuteur en aluminium. Un anneau est solide et l'autre a été coupé. La bascule tourne librement sur l'aiguille.

Lorsqu'un aimant permanent est introduit dans un anneau solide, il «s'échappe» de l'aimant et lorsque l'aimant est retiré, il le cherche. Les mêmes actions avec la bague coupée n'ont provoqué aucun mouvement. Cela est dû au fait que dans un anneau continu sous l'influence d'un champ magnétique alternatif, un courant se crée qui crée un champ magnétique. Mais dans l'anneau ouvert, il n'y a pas de courant, donc pas de champ magnétique non plus.

Un détail important de cette expérience est que si un aimant est inséré dans l'anneau et reste stationnaire, aucune réaction de l'anneau d'aluminium à la présence de l'aimant n'est observée. Cela confirme une fois de plus que l'induction EMF ne se produit qu'en cas de changement du champ magnétique, et l'amplitude de l'EMF dépend du taux de variation. Dans ce cas, simplement à partir de la vitesse de déplacement de l'aimant.

La même chose peut être dite à propos de l'induction mutuelle et de l'auto-induction, seul un changement dans la force du champ magnétique, plus précisément, son taux de changement dépend du taux de changement de courant. Pour illustrer ce phénomène, nous pouvons donner un exemple.

Laisser passer de grands courants à travers deux bobines identiques suffisamment grandes: à travers la première bobine 10A et à travers la seconde jusqu'à 1000, les courants augmentant linéairement dans les deux bobines. Supposons qu'en une seconde, le courant dans la première bobine soit passé de 10 à 15A, et dans la seconde de 1000 à 1001A, ce qui a provoqué l'apparition d'EMF d'auto-induction dans les deux bobines.

Mais, malgré une telle valeur énorme du courant dans la deuxième bobine, l'EMF d'auto-induction sera plus grande dans la première, car là, le taux de changement de courant est de 5 A / s, et dans la seconde, il n'est que de 1 A / s. En effet, la FEM de l'auto-induction dépend du taux d'augmentation du courant (lire le champ magnétique), et non de sa valeur absolue.

Inductance

Les propriétés magnétiques de la bobine avec le courant dépendent du nombre de spires, des dimensions géométriques. Une augmentation significative du champ magnétique peut être obtenue en introduisant un noyau ferromagnétique dans la bobine. Les propriétés magnétiques de la bobine peuvent être jugées avec une précision suffisante par l'amplitude de la FEM de l'induction, de l'induction mutuelle ou de l'auto-induction. Tous ces phénomènes ont été examinés ci-dessus.

La caractéristique de la bobine, qui en parle, est appelée coefficient d'inductance (auto-induction) ou simplement inductance. Dans les formules, l'inductance est désignée par la lettre L, et dans les diagrammes, la même lettre désigne les bobines d'inductance.

L'unité d'inductance est Henry (GN). L'inductance 1H a une bobine dans laquelle, lorsque le courant change de 1A par seconde, une FEM de 1V est générée. Cette valeur est assez importante: les enroulements de réseau de transformateurs suffisamment puissants ont une inductance d'un ou plusieurs GN.

Par conséquent, assez souvent, ils utilisent des valeurs d'un ordre plus petit, à savoir milli et micro-henry (mH et μH). Ces bobines sont utilisées dans les circuits électroniques. L'une des applications des bobines est les circuits oscillatoires dans les appareils radio.

De plus, les bobines sont utilisées comme selfs, dont le but principal est de sauter le courant continu sans perte tout en affaiblissant le courant alternatif (filtres dans les alimentations) Généralement, plus la fréquence de fonctionnement est élevée, moins les bobines d'inductance sont nécessaires.

Inductance

Si vous prenez un transformateur réseau suffisamment puissant et mesurer avec un multimètre résistance de l'enroulement primaire, il s'avère que ce n'est que de quelques ohms, voire proche de zéro. Il s'avère que le courant traversant un tel enroulement sera très important, et tendra même à l'infini. Un court-circuit semble inévitable! Alors pourquoi ne l'est-il pas?

L'une des principales propriétés des inductances est la résistance inductive, qui dépend de l'inductance et de la fréquence du courant alternatif qui est connecté à la bobine.

Il est facile de voir qu'avec une augmentation de la fréquence et de l'inductance, la résistance inductive augmente et, en courant continu, elle devient généralement égale à zéro. Par conséquent, lors de la mesure de la résistance des bobines avec un multimètre, seule la résistance active du fil est mesurée.

La conception des inductances est très diverse et dépend des fréquences auxquelles la bobine fonctionne. Par exemple, pour les travaux dans la gamme décimétrique des ondes radio, des bobines faites par un câblage imprimé sont assez souvent utilisées. En production de masse, cette méthode est très pratique.

L'inductance d'une bobine dépend de ses dimensions géométriques, de son noyau, du nombre de couches et de sa forme. Actuellement, un nombre suffisant d'inductances standard sont produites, similaires aux résistances terminales conventionnelles. Le marquage de ces bobines est effectué avec des anneaux colorés. Il existe également des bobines de montage en surface utilisées comme selfs. L'inductance de telles bobines est de plusieurs milligènes.