Induction électromagnétique: formules et unités, fonctionnement et exemples

L'induction électromagnétique est définie comme l'induction d'une force électromotrice (tension) dans un milieu ou un corps proche en raison de la présence d'un champ magnétique variable. Ce phénomène a été découvert par le physicien et chimiste britannique Michael Faraday, au cours de l'année 1831, par la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique.

Faraday a effectué des tests expérimentaux avec un aimant permanent entouré d'une bobine de fil et a observé l'induction d'une tension sur ladite bobine et la circulation d'un courant sous-jacent.

Cette loi indique que la tension induite sur une boucle fermée est directement proportionnelle à la vitesse de variation du flux magnétique lors du franchissement d'une surface, en fonction du temps. Ainsi, il est possible d'induire la présence d'une différence de tension (tension) sur un corps adjacent en raison de l'influence de champs magnétiques variables.

Cette tension induite engendre à son tour la circulation d'un courant correspondant à la tension induite et à l'impédance de l'objet d'analyse. Ce phénomène est le principe d'action des systèmes d'alimentation et des appareils d'usage quotidien, tels que: moteurs, générateurs et transformateurs électriques, fours à induction, inductances, batteries, etc.

Formule et unités

L'induction électromagnétique observée par Faraday a été transmise au monde scientifique par le biais d'une modélisation mathématique qui permet de reproduire ce type de phénomènes et de prédire leur comportement.

Formule

Pour calculer les paramètres électriques (tension, courant) associés au phénomène d'induction électromagnétique, il faut d'abord définir quelle est la valeur de l'induction magnétique, couramment appelée champ magnétique.

Pour savoir quel est le flux magnétique qui traverse une certaine surface, le produit de l'induction magnétique doit alors être calculé par cette zone. Ainsi:

Où:

Φ: flux magnétique [Wb]

B: Induction magnétique [T]

S: Surface [m2]

La loi de Faraday indique que la force électromotrice induite sur les corps environnants est donnée par le taux de variation du flux magnétique en fonction du temps, comme indiqué ci-dessous:

Où:

ε: force électromotrice [V]

En remplaçant la valeur du flux magnétique dans l'expression précédente, on obtient ce qui suit:

Si des intégrales sont appliquées aux deux côtés de l'équation afin de délimiter une trajectoire finie pour la zone associée au flux magnétique, une approximation plus précise du calcul requis est obtenue.

De plus, le calcul de la force électromotrice dans un circuit fermé est également limité. Ainsi, lorsqu’on applique l’intégration dans les deux membres de l’équation, on obtient que:

Unité de mesure

L'induction magnétique est mesurée dans le système international d'unités (SI) à Teslas. Cette unité de mesure est représentée par la lettre T et correspond à l'ensemble des unités de base suivantes.

Un tesla équivaut à l'induction magnétique de caractère uniforme qui produit un flux magnétique de 1 weber sur une surface d'un mètre carré.

Selon le Système d’unités Cegesimal (CGS), l’unité de mesure de l’induction magnétique est gauss. La relation d'équivalence entre les deux unités est la suivante:

1 tesla = 10 000 Gauss

L'unité de mesure de l'induction magnétique doit son nom à l'ingénieur, physicien et inventeur serbo-croate Nikola Tesla. Il a été nommé ainsi au milieu des années 1960.

Comment ça marche?

C'est ce qu'on appelle l'induction car il n'y a pas de connexion physique entre les éléments primaires et secondaires; par conséquent, tout se passe par des connexions indirectes et intangibles.

Le phénomène d'induction électromagnétique se produit en raison de l'interaction des lignes de force d'un champ magnétique variable sur les électrons libres d'un élément conducteur proche.

Pour cela, l'objet ou le moyen sur lequel l'induction a lieu doit être disposé perpendiculairement par rapport aux lignes de force du champ magnétique. De cette manière, la force exercée sur les électrons libres est supérieure et, par conséquent, l'induction électromagnétique est beaucoup plus forte.

A son tour, le sens de circulation du courant induit est donné par le sens donné par les lignes de force du champ magnétique variable.

D'autre part, il existe trois méthodes permettant de faire varier l'écoulement du champ magnétique afin d'induire une force électromotrice sur un corps ou un objet proche:

1- Modifiez le module de champ magnétique en modifiant l’intensité du flux.

2- Changer l'angle entre le champ magnétique et la surface.

3- Modifier la taille de la surface inhérente.

Ensuite, une fois qu'un champ magnétique a été modifié, une force électromotrice est induite dans l'objet voisin qui, en fonction de la résistance au courant qu'elle possède (impédance), produira un courant induit.

Dans cet ordre d'idées, la proportion de ce courant induit sera supérieure ou inférieure au primaire, en fonction de la configuration physique du système.

Des exemples

Le principe de l'induction électromagnétique est la base du fonctionnement des transformateurs de tension électrique.

Le rapport de transformation d'un transformateur de tension (réducteur ou ascenseur) est donné par le nombre d'enroulements que possède chaque enroulement du transformateur.

Ainsi, en fonction du nombre de bobines, la tension dans le secondaire peut être supérieure (transformateur élévateur) ou inférieure (transformateur abaisseur), en fonction de l'application au sein du système électrique interconnecté.

De la même façon, les turbines génératrices d’électricité des centres hydroélectriques fonctionnent également grâce à l’induction électromagnétique.

Dans ce cas, les pales de la turbine déplacent l'axe de rotation situé entre la turbine et le générateur. Il en résulte alors la mobilisation du rotor.

À son tour, le rotor est constitué d'une série d'enroulements qui, lorsqu'ils sont en mouvement, génèrent un champ magnétique variable.

Ce dernier induit une force électromotrice dans le stator du générateur, qui est connecté à un système permettant de transporter en ligne l'énergie générée au cours du processus.

À l'aide des deux exemples précédents, il est possible de détecter comment l'induction électromagnétique fait partie de notre vie dans des applications élémentaires de la vie quotidienne.