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Au paragraphe précédent, nous avons constater que le phénomène d'induction électromagnétique est lié à la variation d'une grandeur physique dont nous n'avons pas encore précisé la nature. Le but de ce paragraphe est de définir cette grandeur en réalisant quelques expériences permettant de mettre en évidence quels paramètres permettent d'augmenter le phénomène d'induction.
De manière intuitive, il semble évident que l'induction dépend du champ magnétique. De fait si la valeur du champ magnétique augmente lors d'une expérience, les autres paramètres restant fixes, la valeur de la fem induite augmente aussi (cf fig.1 et fig.2).
Mais la valeur de la fem d'induction ne dépend pas que de l'intensité du champ magnétique. A valeur maximale du champ magnétique fixe, la fem induite aux bornes d'une bobine augmente lorsque le nombre de spire de la bobine augmente (cf fig.3). De plus, à valeur maximale du champ magnétique fixe, à nombre de spire fixe, la valeur de la fem induite aux bornes d'une bobine augmente lorsque la section de la bobine augmente (cf fig.4).
En inclinant la direction du champ magnétique inducteur par rapport à l'axe d'une bobine, on s'aperçoit que la fem d'induction diminue au fur et à mesure que l'angle entre le champ magnétique inducteur et l'axe de la bobine augmente, pour s'annuler lorsque celui-ci vaut π/2 (le champ et l'axe de la bobine sont orthogonaux) (cf fig.5).
Le phénomène d'induction électromagnétique est d'autant plus intense que la valeur du champ magnétique B inducteur est intense, que la section du circuit induit S est importante et que, si le circuit induit est bobiné, le nombre de spire N de ce circuit est important. Le maximum d'induction est obtenu lorsque la direction du champ magnétique est la même que l'axe de la bobine induite, et décroît si l'angle entre le champ et l'axe de la bobine augmente jusqu'à annulation pour un angle de π/2.
A l'issu du paragraphe précédent, on introduit tous naturellement une nouvelle grandeur physique appelée flux magnétique défini comme suit :
Le flux magnétique à travers une spire orientée, de surface S, soumise à un champ magnétique vérifie la relation :
φ = B.S.cosθ
Où θ représente l'angle entre le vecteur champ magnétique et le vecteur surface de la spire défini comme suit : la direction du vecteur surface est perpendiculaire au plan de la spire, son sens est obtenu par la règle de la main droite (les doigts tournent dans le sens de l'orientation de la spire et le pouce, placé perpendiculairement aux doigts donnent la direction du vecteur surface), sa norme est égale à la valeur de la surface de la spire (cf fig. 6).
Le flux magnétique s'exprime en Weber (Wb), le champ magnétique en Tesla (T) et la surface de la spire en mètre carré (m²).
Le flux magnétique à travers N spire coaxiale est égale à N fois le flux à travers une spire :
Φ = N.φ
A travers un contour (C1), le champ magnétique au voisinage d'une source crée un flux Φ1. Nous appellerons tube de champ l'ensemble des lignes de champ qui s'appuient sur le contour (C1). Lorsqu'on s'éloigne de la source, ce tube s'élargit en même temps que le champ diminue, mais le flux à travers toute section de ce tube de champ reste identique. Ainsi sur la figure 7, le flux Φ2 à travers (C2) est égal à Φ1. Nous disons qu'il conservation du flux.
Le flux magnétique se conserve dans un tube de champ.
Considérons comme sur la figure 8, une bobine suspendue à un fil et alimentée par un courant continu. Lorsque l'on présente par son pôle Nord un aimant droit devant cette bobine, celle-ci pivote pour venir se placer tel que le pôle Sud de la bobine soit devant le pôle Nord de l'aimant. On remarque alors que le flux magnétique créé par l'aimant et embrassé par la bobine est maximal : l'angle θ entre le champ de l'aimant et le vecteur surface de la bobine, celle-ci étant orienté dans le sens du courant, est nul : le champ et le vecteur surface sont colinéaires de même sens.
Règle du flux maximal : un circuit mobile soumis à une action électromagnétique tend à ce placer dans la position correspond au flux maximal, le sens positif sur le circuit étant celui du courant.
La grandeur dont dépend le phénomène d'induction électromagnétique est le flux magnétique.
Il y a induction lorsque le flux magnétique embrassé par le circuit induit varie.
La force électromotrice e d'induction dépend donc de la variation du flux magnétique embrassé. La variation d'une grandeur est donnée mathématiquement par la dérivée de cette grandeur.
Loi de Faraday :
La force électromotrice d'induction électromagnétique e(t) aux bornes d'une spire embrassant un flux magnétique φ(t), variable en fonction du temps, est égale
à l'opposé de la dérivée de ce flux par rapport au temps :
e(t) = -
Le signe moins vient de la loi de Lenz : le phénomène d'induction s'oppose à la cause qui lui a donnée naissance. Ainsi, la fem induite crée un flux magnétique induit opposé au flux inducteur et tend à diminuer sa valeur.