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MPSI · Physique-chimie · Ondes et signaux · Chapitre 22

Induction

Fiche de cours16 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

1Flux magnétique et orientation

Définition. Soit un contour fermé orienté C\mathcal{C} et une surface Σ\Sigma s’appuyant sur C\mathcal{C}. Le choix d’un sens de parcours de C\mathcal{C} fixe, par la règle de la main droite, le sens du vecteur normal unitaire n⃗\vv{n} à Σ\Sigma. Le flux magnétique de B⃗\vv{B} à travers Σ\Sigma est

 Φ=∬ΣB⃗⋅n⃗  ⁣dS en webers (Wb=T⋅m2).\boxed{\ \Phi=\iint_\Sigma \vv{B}\cdot\vv{n}\,\dd S\ }\qquad\text{en \cle{webers} }({\mathrm{Wb}}={\mathrm{T}{\cdot}\mathrm{m}^{2}}).

Pour un champ uniforme et une surface plane d’aire SS, il se réduit à

 Φ=B⃗⋅n⃗  S=B Scos⁡α α=(n⃗,B⃗).\boxed{\ \Phi=\vv{B}\cdot\vv{n}\;S=B\,S\cos\alpha\ }\qquad \alpha=(\vv{n},\vv{B}).

Pour un bobinage de NN spires identiques en série, le flux à travers le circuit est NN fois celui d’une spire : Φ=N B Scos⁡α\Phi=N\,B\,S\cos\alpha.

Notation. Φ\Phi est une grandeur algébrique : son signe dépend du choix d’orientation, qui est arbitraire mais doit être fixé une fois pour toutes et porté sur le schéma. Le même choix oriente l’intensité ii dans le circuit et la f.é.m. induite.

AttentionCe qu’il faut écrire avant tout calcul

« J’oriente le circuit dans le sens …\dots, donc n⃗=…\vv{n}=\dots ; l’intensité ii est comptée positivement dans ce sens. » Sans cette phrase, aucun signe du chapitre n’a de sens.

Propriété — ordres de grandeur. Une spire de S=100 cm2S={100\,\mathrm{cm}^{2}} : Φ≈0,5 µWb\Phi\approx{0{,}5\,\mathrm{\text{µ}Wb}} dans le champ terrestre (5×10−5 T{5\times10^{-5}\,\mathrm{T}}), 1 mWb{1\,\mathrm{mWb}} dans un électroaimant de TP (0,1 T{0{,}1\,\mathrm{T}}). Une bobine de 10001000 spires de 20 cm2{20\,\mathrm{cm}^{2}} dans 0,1 T{0{,}1\,\mathrm{T}} : Φ≈0,2 Wb\Phi\approx{0{,}2\,\mathrm{Wb}} — c’est le nombre de spires qui fait les flux exploitables.

2Le phénomène d’induction et la loi de Lenz

Définition. Il y a induction électromagnétique dès que le flux magnétique à travers un circuit varie. Deux causes, et deux seulement, sont au programme :

  • circuit fixe dans un champ magnétique dépendant du temps (cas de Neumann) : BB varie, la géométrie ne change pas ;
  • circuit mobile ou déformable dans un champ magnétique stationnaire (cas de Lorentz) : BB ne dépend pas du temps, c’est la géométrie qui change.

Si le circuit est fermé et conducteur, il apparaît un courant induit ; s’il est ouvert, seule la force électromotrice induite est présente.

Théorème — loi de modération de Lenz. Les effets de l’induction (courant induit, force ou couple de Laplace induit, f.é.m. induite) s’opposent aux causes qui leur donnent naissance.

C’est un énoncé qualitatif : il permet de prévoir un sens ou de contrôler un signe, jamais de calculer une valeur. Trois lectures utiles :

  • le courant induit crée un champ propre qui tend à maintenir le flux à sa valeur antérieure (il s’oppose à sa variation, pas à son existence) ;
  • les forces de Laplace qui en résultent tendent à s’opposer au mouvement relatif qui a créé l’induction : d’où le freinage par induction ;
  • l’énergie apparue dans le circuit est nécessairement prélevée ailleurs (opérateur, source) : la loi de Lenz est une conséquence de la conservation de l’énergie.
Exempleaimant approché d’une spire

On approche le pôle nord d’un aimant d’une spire fermée : ∣Φ∣\abs{\Phi} augmente, le courant induit crée du côté de l’aimant un pôle nord lui aussi, la spire repousse l’aimant. Si l’on éloigne l’aimant, le courant change de sens et la spire l’attire. Dans les deux cas l’opérateur fournit un travail : c’est lui qui paie l’effet Joule.

3Loi de Faraday et schéma électrique équivalent

Théorème — loi de Faraday. Un circuit filiforme fermé, orienté, à travers lequel le flux magnétique vaut Φ(t)\Phi(t), est le siège d’une force électromotrice induite

 e=− ⁣dΦ ⁣dt en volts,\boxed{\ e=-\frac{\dd\Phi}{\dd t}\ }\qquad\text{en volts},

algébrisée dans le sens d’orientation du circuit. Le circuit se comporte alors comme s’il contenait une source idéale de tension de f.é.m. ee, orientée en convention générateur dans le sens positif choisi (figure 1).

Méthode — les quatre étapes, toujours les mêmes. (i) orienter le circuit, en déduire n⃗\vv{n} et le sens positif de ii ; (ii) calculer Φ(t)\Phi(t), algébriquement ; (iii) dériver : e=− ⁣dΦ/ ⁣dte=-\dd\Phi/\dd t ; (iv) écrire la loi des mailles sur le schéma équivalent. Contrôler enfin le signe obtenu par la loi de Lenz : un signe incompatible avec la modération signale une erreur.

Figure 1 — Schéma équivalent : e=Rie=Ri

Figure 2 — Orientation : n⃗\vv{n} sort de la page, B⃗\vv{B} aussi, donc Φ>0\Phi>0

Remarque. Si le circuit est ouvert, i=0i=0 mais ee existe : la tension lue entre les bornes vaut ±e\pm e — c’est le principe de toute mesure de f.é.m. induite à l’oscilloscope. Trois confusions à éliminer : un flux constant mais non nul ne crée aucune f.é.m. ; la f.é.m. ne dépend pas de BB mais de  ⁣dΦ/ ⁣dt\dd\Phi/\dd t ; toute étude du champ électromoteur est hors programme.

4Circuit fixe dans un champ variable : auto-induction

Définition. On distingue, pour un circuit (1)(1), le flux propre Φp\Phi_p — créé par le courant i1i_1 du circuit lui-même — et les flux extérieurs Φext\Phi_{\text{ext}} — créés par les aimants et les autres circuits. Le flux total est leur somme.

Théorème — inductance propre. Le champ créé par un circuit étant proportionnel à son intensité, le flux propre lui est proportionnel :

 Φp=L i \boxed{\ \Phi_p=L\,i\ }

avec L>0L>0 l’inductance propre (ou self-inductance), en henrys (H=Wb⋅A−1{\mathrm{H}}={\mathrm{Wb}{\cdot}\mathrm{A}^{-1}}). LL ne dépend que de la géométrie du circuit (et du matériau magnétique éventuel), jamais de ii. Le signe de LL est positif car Φp\Phi_p et ii sont orientés par le même choix.

Propriété — f.é.m. d’auto-induction et tension aux bornes. ep=−L  ⁣di ⁣dte_p=-L\,\dfrac{\dd i}{\dd t}, donc en convention récepteur

 uL=−ep=L  ⁣di ⁣dt \boxed{\ u_L=-e_p=L\,\frac{\dd i}{\dd t}\ }

On retrouve la relation constitutive de la bobine du chapitre 3 : la bobine est l’auto-induction, et c’est la loi de Lenz qui explique son comportement (uLu_L s’oppose à la variation de ii).

Théorème — inductance d’une bobine longue. Pour un solénoïde de longueur ℓ\ell, de section SS, comportant NN spires jointives (ℓ≫S\ell\gg\sqrt{S}), le champ intérieur est uniforme et vaut B=μ0 n iB=\mu_0\,n\,i avec n=N/ℓn=N/\ell (expression fournie). Le flux propre à travers les NN spires est Φp=N B S\Phi_p=N\,B\,S, donc

 L=μ0 N2 Sℓ \boxed{\ L=\frac{\mu_0\,N^2\,S}{\ell}\ }

Ordre de grandeur : N=1000N=1000, ℓ=50 cm\ell={50\,\mathrm{cm}}, S=20 cm2S={20\,\mathrm{cm}^{2}} donnent L=5,0 mHL={5{,}0\,\mathrm{mH}}. Une bobine de travaux pratiques a une inductance de 1 {1\,} à 100 mH{100\,\mathrm{mH}}, et une résistance interne rr de quelques ohms à quelques dizaines d’ohms, jamais négligeable a priori.

Méthode — mesurer LL. (i) Régime transitoire : réponse du circuit (R,L)(R,L) à un échelon, τ=L/(R+r)\tau=L/(R+r) mesuré à 63 %63\,\% ou par régression sur ln⁡\ln. (ii) RSF : ∣Z‾∣2=r2+L2ω2\abs{\underline Z}^2=r^2+L^2\omega^2, pente de ∣Z‾∣2\abs{\underline Z}^2 en fonction de ω2\omega^2. (iii) Résonance avec un condensateur connu : ω0=1/LC\omega_0=1/\sqrt{LC}.

Théorème — énergie magnétique. En multipliant uL=L  ⁣di/ ⁣dtu_L=L\,\dd i/\dd t par ii :

uL i=L i  ⁣di ⁣dt= ⁣d ⁣dt(12 L i2)⟹ Em=12 L i2 u_L\,i=L\,i\,\frac{\dd i}{\dd t}=\frac{\dd}{\dd t}\left(\frac12\,L\,i^2\right) \qquad\Longrightarrow\qquad \boxed{\ \mathcal{E}_m=\frac12\,L\,i^2\ }

La puissance reçue par la bobine n’est ni dissipée ni rayonnée : elle est stockée sous forme magnétique, et intégralement restituée lorsque ii décroît. Une bobine idéale a un bilan nul sur un cycle.

Exemplebilan de puissance sur un schéma équivalent

Circuit série {\{source EE, résistance totale RR, bobine L}L\} : la loi des mailles E=R i+L  ⁣di/ ⁣dtE=R\,i+L\,\dd i/\dd t multipliée par ii donne

E i⏟fournie par la source=R i2⏟dissipeˊe (Joule)+ ⁣d ⁣dt(12Li2)⏟stockeˊe.\underbrace{E\,i}_{\text{fournie par la source}}=\underbrace{R\,i^2}_{\text{dissipée (Joule)}}+\underbrace{\frac{\dd}{\dd t}\left(\frac12 L i^2\right)}_{\text{stockée}}.

C’est la méthode universelle : écrire la loi des mailles, multiplier par ii, identifier chaque terme.

5Deux circuits couplés : inductance mutuelle

Définition. Deux circuits (1)(1) et (2)(2), orientés, étant donnés, le flux envoyé par (1)(1) à travers (2)(2) est proportionnel à i1i_1, et réciproquement. On admet que le coefficient est le même dans les deux sens :

 Φ1→2=M i1etΦ2→1=M i2 \boxed{\ \Phi_{1\rightarrow 2}=M\,i_1\qquad\text{et}\qquad \Phi_{2\rightarrow 1}=M\,i_2\ }

MM est l’inductance mutuelle, en henrys. Contrairement à LL, MM est algébrique : son signe dépend des deux orientations choisies (et du sens des enroulements).

Théorème — équations couplées. Avec les tensions en convention récepteur aux bornes de chaque enroulement, de résistances R1R_1 et R2R_2 :

 u1=R1i1+L1 ⁣di1 ⁣dt+M ⁣di2 ⁣dt,u2=R2i2+L2 ⁣di2 ⁣dt+M ⁣di1 ⁣dt \boxed{\ u_1=R_1 i_1+L_1\frac{\dd i_1}{\dd t}+M\frac{\dd i_2}{\dd t},\qquad u_2=R_2 i_2+L_2\frac{\dd i_2}{\dd t}+M\frac{\dd i_1}{\dd t}\ }

En régime sinusoïdal forcé, on passe aux amplitudes complexes en remplaçant  ⁣d/ ⁣dt\dd/\dd t par jωj\omega : le couplage se traduit par les deux termes jωM i2‾j\omega M\,\underline{i_2} et jωM i1‾j\omega M\,\underline{i_1}.

Théorème — énergie magnétique de deux circuits couplés.

 Em=12L1i1 2+12L2i2 2+M i1i2 \boxed{\ \mathcal{E}_m=\frac12 L_1 i_1^{\,2}+\frac12 L_2 i_2^{\,2}+M\,i_1 i_2\ }

et u1i1+u2i2=R1i12+R2i22+ ⁣dEm ⁣dtu_1i_1+u_2i_2=R_1i_1^2+R_2i_2^2+\dfrac{\dd\mathcal{E}_m}{\dd t} : le bilan se referme, le terme de couplage appartenant à l’énergie stockée, non aux pertes.

Propriété — coefficient de couplage. L’énergie magnétique étant positive ou nulle pour tout couple (i1,i2)(i_1,i_2), le trinôme ci-dessus est de discriminant négatif ou nul, ce qui impose

 ∣M∣⩽L1L2 et l’on posek=∣M∣L1L2∈[0 ;1].\boxed{\ \abs{M}\leq\sqrt{L_1L_2}\ }\qquad\text{et l'on pose}\qquad k=\frac{\abs{M}}{\sqrt{L_1L_2}}\in\intff{0}{1}.

k=1k=1 définit l’influence totale : tout le flux créé par l’un traverse l’autre (pas de fuites).

Théorème — deux bobines de même axe en influence totale. Deux solénoïdes de même longueur ℓ\ell et même section SS, bobinés l’un sur l’autre, avec N1N_1 et N2N_2 spires. Le champ créé par (1)(1) est B1=μ0N1ℓi1B_1=\mu_0\dfrac{N_1}{\ell}i_1, uniforme et intégralement canalisé, donc Φ1→2=N2B1S\Phi_{1\rightarrow2}=N_2B_1S :

M=μ0N1N2Sℓ=L1L2,etML1=N2N1,L2L1=N2N1.M=\frac{\mu_0N_1N_2S}{\ell}=\sqrt{L_1L_2},\qquad\text{et}\qquad \frac{M}{L_1}=\frac{N_2}{N_1},\qquad \sqrt{\frac{L_2}{L_1}}=\frac{N_2}{N_1}.

6Le transformateur

Propriété — rapport de transformation. Deux enroulements en influence totale, de résistances négligeables, le secondaire fermé sur une résistance RR (u2=−R i2u_2=-R\,i_2 en convention récepteur au secondaire). En RSF, l’élimination de i2‾\underline{i_2} donne

i2‾=−jωMR+jωL2 i1‾,u2‾u1‾=ML1=L2L1=N2N1=m.\underline{i_2}=-\frac{j\omega M}{R+j\omega L_2}\,\underline{i_1},\qquad \frac{\underline{u_2}}{\underline{u_1}}=\frac{M}{L_1}=\sqrt{\frac{L_2}{L_1}}=\frac{N_2}{N_1}=m .

Le rapport des tensions vaut exactement m=N2/N1m=N_2/N_1 dès que le couplage est total, quelle que soit la charge. Si de plus L2ω≫RL_2\omega\gg R (transformateur idéal) :

i2‾i1‾≈−1m,u1 i1+u2 i2≈0,Ze‾=u1‾i1‾≈Rm2.\frac{\underline{i_2}}{\underline{i_1}}\approx-\frac{1}{m},\qquad u_1\,i_1+u_2\,i_2\approx 0,\qquad \underline{Z_e}=\frac{\underline{u_1}}{\underline{i_1}}\approx\frac{R}{m^2}.

Le transformateur idéal ne stocke ni ne dissipe d’énergie : il transporte la puissance en modifiant le couple (tension, courant), et ramène une charge RR en une charge R/m2R/m^2 (adaptation d’impédance).

AttentionLe transformateur ne fonctionne qu’en régime variable

Tous les termes utiles sont en  ⁣d/ ⁣dt\dd/\dd t : en régime continu, u2‾=0\underline{u_2}=0. Un transformateur alimenté en courant continu ne délivre rien — et son primaire, réduit à R1R_1, grille. Applications : distribution 50 Hz{50\,\mathrm{Hz}}, chargeur à induction, carte RFID à 13,56 MHz{13{,}56\,\mathrm{MHz}}, soudage à l’arc.

7Circuit mobile dans un champ stationnaire : les rails de Laplace

Notation. Deux rails parallèles horizontaux, distants de ℓ\ell, de résistance négligeable, fermés sur une résistance RR (et éventuellement une source EE) ; une barre conductrice, de masse mm, glisse sans frottement en restant perpendiculaire aux rails, à l’abscisse x(t)x(t). Le champ B⃗=B ez⃗\vv{B}=B\,\vv{e_z} est uniforme, stationnaire, orthogonal au plan des rails. On oriente le circuit de sorte que n⃗=ez⃗\vv{n}=\vv{e_z} : i>0i>0 circule alors dans la barre selon +ey⃗+\vv{e_y}.

Figure 3 — Rails de Laplace : le circuit est orienté dans le sens trigonométrique, donc n⃗=ez⃗\vv{n}=\vv{e_z} est sortant.

Théorème — les deux équations couplées. Avec ces conventions :

Φ=B ℓ x⟹ e=− ⁣dΦ ⁣dt=−B ℓ x˙ etF⃗=i (ℓ ey⃗)∧(B ez⃗)= B ℓ i  ex⃗ \Phi=B\,\ell\,x\quad\Longrightarrow\quad\boxed{\ e=-\frac{\dd\Phi}{\dd t}=-B\,\ell\,\dot x\ } \qquad\text{et}\qquad \vv{F}=i\,\bigl(\ell\,\vv{e_y}\bigr)\wedge\bigl(B\,\vv{e_z}\bigr)=\boxed{\ B\,\ell\,i\;\vv{e_x}\ }

d’où le système électromécanique (bobine d’inductance LL du circuit, force extérieure FopF_{\text{op}} sur la barre) :

 L  ⁣di ⁣dt+R i=E−B ℓ x˙  m x¨=B ℓ i+Fop \boxed{\ L\,\frac{\dd i}{\dd t}+R\,i=E-B\,\ell\,\dot x\ }\qquad\qquad \boxed{\ m\,\ddot x=B\,\ell\,i+F_{\text{op}}\ }

Le couplage est bilatéral : la vitesse intervient dans l’équation électrique par la f.é.m. induite, l’intensité dans l’équation mécanique par la force de Laplace. Oublier l’un des deux termes est l’erreur majeure du chapitre.

Théorème — conversion électromécanique parfaite. La puissance des forces de Laplace sur la barre et la puissance de la f.é.m. induite sont opposées :

PLaplace=F⃗⋅v⃗=Bℓi x˙etPf.eˊ.m.=e i=−Bℓ x˙ i,donc PLaplace+e i=0 \mathcal{P}_{\text{Laplace}}=\vv{F}\cdot\vv{v}=B\ell i\,\dot x \qquad\text{et}\qquad \mathcal{P}_{\text{f.é.m.}}=e\,i=-B\ell\,\dot x\,i, \qquad\text{donc}\qquad\boxed{\ \mathcal{P}_{\text{Laplace}}+e\,i=0\ }

La conversion est parfaite : rien n’est perdu dans le couplage. Toutes les pertes sont ailleurs — effet Joule dans RR, frottements dans la partie mécanique.

Méthode — bilan énergétique complet. Multiplier l’équation électrique par ii, l’équation mécanique par x˙\dot x, puis additionner : les deux termes de couplage se compensent et il reste

E i+Fopx˙=R i2+ ⁣d ⁣dt(12Li2+12mx˙2).E\,i+F_{\text{op}}\dot x=R\,i^2+\frac{\dd}{\dd t}\left(\frac12 L i^2+\frac12 m\dot x^2\right).

Puissances fournies == puissance dissipée ++ taux de stockage, le stockage étant magnétique et cinétique.

Propriété — les deux fonctionnements. Générateur (E=0E=0, un opérateur tire la barre) : i=−Bℓx˙/Ri=-B\ell\dot x/R (LL négligée), la force de Laplace −B2ℓ2Rx˙-\dfrac{B^2\ell^2}{R}\dot x s’oppose au mouvement (Lenz) et l’opérateur fournit B2ℓ2x˙2R\dfrac{B^2\ell^2\dot x^2}{R}, intégralement dissipé — c’est l’alternateur linéaire, c’est aussi le freinage par induction. Moteur (E≠0E\neq0, pas d’opérateur) : la barre accélère jusqu’à la vitesse limite x˙∞=E/(Bℓ)\dot x_\infty=E/(B\ell), pour laquelle e=−Ee=-E, donc i=0i=0 et la force s’annule (rendement 100 %100\,\%, mais puissance utile nulle). Avec une force résistante −Fr-F_r : i∞=Fr/(Bℓ)i_\infty=F_r/(B\ell) et x˙∞=(E−RFr/(Bℓ))/(Bℓ)\dot x_\infty=\bigl(E-RF_r/(B\ell)\bigr)/(B\ell).

Propriété — freinage par induction. Sans source ni opérateur, en négligeant LL (c’est-à-dire pour L/R≪mR/(Bℓ)2L/R\ll mR/(B\ell)^2), l’équation mécanique devient

m x¨=−B2ℓ2R x˙⟹x˙(t)=v0 e−t/τm, τm=mRB2ℓ2 ,x∞−x0=v0 τm.m\,\ddot x=-\frac{B^2\ell^2}{R}\,\dot x \quad\Longrightarrow\quad \dot x(t)=v_0\,\e^{-t/\tau_m},\quad\boxed{\ \tau_m=\frac{mR}{B^2\ell^2}\ },\quad x_\infty-x_0=v_0\,\tau_m .

Le freinage est exponentiel : il ne s’arrête jamais tout à fait, mais la distance parcourue est finie, et l’énergie cinétique initiale est intégralement dissipée dans RR.

8L’alternateur : cadre rectangulaire en rotation

Théorème — f.é.m. d’un cadre tournant. Un cadre rectangulaire plan de NN spires, d’aire SS, tourne à la vitesse angulaire constante ω\omega autour d’un axe fixe contenu dans son plan et orthogonal au champ uniforme et stationnaire B⃗\vv{B}. L’angle α=(n⃗,B⃗)\alpha=(\vv{n},\vv{B}) vaut ωt+α0\omega t+\alpha_0, donc

Φ=N B Scos⁡(ωt+α0)⟹ e=N B S ω sin⁡(ωt+α0) \Phi=N\,B\,S\cos(\omega t+\alpha_0) \quad\Longrightarrow\quad \boxed{\ e=N\,B\,S\,\omega\,\sin(\omega t+\alpha_0)\ }

C’est une f.é.m. sinusoïdale de pulsation ω\omega et d’amplitude Em=NBSωE_m=NBS\omega : la rotation uniforme produit une tension alternative. Valeur efficace Em/2E_m/\sqrt2 ; fréquence du réseau f=50 Hzf={50\,\mathrm{Hz}}, soit ω=314 rad⋅s−1\omega={314\,\mathrm{rad}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}.

Propriété — couple et bilan. Fermé sur une résistance totale RR (en négligeant l’inductance), le cadre débite i=e/Ri=e/R et subit un couple de Laplace ΓL\Gamma_L tel que ΓL ω=−e i\Gamma_L\,\omega=-e\,i (conversion parfaite), soit

ΓL=−e iω=−(NBS)2ωRsin⁡2(ωt+α0)⩽0:\Gamma_L=-\frac{e\,i}{\omega}=-\frac{(NBS)^2\omega}{R}\sin^2(\omega t+\alpha_0)\leq 0 :

toujours résistant. L’opérateur doit fournir le couple opposé, de valeur moyenne (NBS)2ω2R\dfrac{(NBS)^2\omega}{2R}, et la puissance moyenne convertie vaut Em22R\dfrac{E_m^2}{2R}. Sans charge (R→∞R\to\infty), aucun couple n’est nécessaire : c’est la puissance électrique prélevée qui durcit le pédalage.

9Courants de Foucault

Définition. Dans un conducteur massif (et non filiforme) soumis à un flux variable, les courants induits ne sont canalisés par aucun fil : ils circulent en boucles fermées dans le volume du métal. Ce sont les courants de Foucault (eddy currents).

Propriété — deux conséquences, opposées en pratique. Ils dissipent de l’énergie par effet Joule et, par la loi de Lenz, créent des forces qui s’opposent au mouvement ou à la variation de flux. Recherchés : plaque à induction (20 {20\,} à 30 kHz{30\,\mathrm{kHz}} ; le fond de la casserole est le conducteur chauffé), frein sur rail des trains et ralentisseur des poids lourds (aucune usure, mais couple nul à l’arrêt), amortissement des balances, détecteur de métaux. Subis : pertes « fer » des transformateurs et des machines tournantes, réduites en feuilletant le matériau (tôles isolées) ou par des ferrites — on augmente la résistance des trajets sans gêner le flux.

AttentionVocabulaire

Un courant de Foucault n’est pas un courant induit dans un circuit filiforme : on ne lui applique pas la loi de Faraday sous forme e=− ⁣dΦ/ ⁣dte=-\dd\Phi/\dd t avec un contour précis. En MPSI, leur étude est qualitative, sauf si l’énoncé fournit explicitement un modèle (spire équivalente, barre sur rails).

10Capacité numérique : résoudre le système électromécanique

Méthode — schéma d’Euler explicite sur deux grandeurs couplées. On applique le schéma d’Euler simultanément aux deux inconnues ii et v=x˙v=\dot x :

ik+1=ik+h E−R ik−Bℓ vkL,vk+1=vk+h Bℓ ik+Fopm.i_{k+1}=i_k+h\,\frac{E-R\,i_k-B\ell\,v_k}{L},\qquad v_{k+1}=v_k+h\,\frac{B\ell\,i_k+F_{\text{op}}}{m}.

Le pas doit être petit devant les deux temps caractéristiques, τe=L/R\tau_e=L/R et τm=mR/(Bℓ)2\tau_m=mR/(B\ell)^2.

import numpy as np
B, l, R, L, m, E = 0.50, 0.20, 0.50, 1.0e-3, 20e-3, 1.0
h = 1.0e-5                   # tau_e = L/R = 2,0 ms ; tau_m = m*R/(B*l)**2 = 1,0 s
t = np.arange(0.0, 5.0, h)   # 5 tau_m : le regime permanent est atteint
i = np.zeros(len(t)); v = np.zeros(len(t))
for k in range(len(t) - 1):
    i[k + 1] = i[k] + h * (E - R * i[k] - B * l * v[k]) / L
    v[k + 1] = v[k] + h * (B * l * i[k]) / m
print(v[-1], E / (B * l))    # vitesse limite E/(B*l) = 10 m/s

11Démonstrations à savoir refaire

  • Flux d’un champ uniforme à travers un cadre plan orienté ; effet d’une rotation, d’une translation, de NN spires.
  • Inductance d’une bobine longue : Φp=N (μ0Ni/ℓ) S\Phi_p=N\,(\mu_0 N i/\ell)\,S donc L=μ0N2S/ℓL=\mu_0N^2S/\ell.
  • Énergie magnétique 12Li2\frac12Li^2 : multiplier uL=L  ⁣di/ ⁣dtu_L=L\,\dd i/\dd t par ii et reconnaître une dérivée.
  • Inégalité ∣M∣⩽L1L2\abs{M}\leq\sqrt{L_1L_2} : positivité du trinôme 12L1i12+Mi1i2+12L2i22\frac12L_1i_1^2+Mi_1i_2+\frac12L_2i_2^2.
  • Mutuelle de deux solénoïdes en influence totale et rapport de transformation M/L1=N2/N1M/L_1=N_2/N_1.
  • Les deux équations des rails de Laplace, avec les conventions d’orientation annoncées.
  • Conversion parfaite PLaplace+ei=0\mathcal{P}_{\text{Laplace}}+ei=0 et bilan énergétique obtenu en additionnant les deux équations multipliées.
  • Vitesse limite d’un moteur à rails ; freinage exponentiel de constante τm=mR/(Bℓ)2\tau_m=mR/(B\ell)^2.
  • f.é.m. d’un cadre en rotation uniforme et couple résistant associé.

12Savoir-faire du chapitre

Savoir-faire
  • Orienter un circuit, en déduire n⃗\vv{n}, calculer un flux algébrique, appliquer e=− ⁣dΦ/ ⁣dte=-\dd\Phi/\dd t, contrôler le signe par la loi de Lenz ; prévoir qualitativement le sens d’un courant induit, d’une force ou d’un couple.
  • Distinguer flux propre et flux extérieur ; calculer et estimer LL (bobine longue), mesurer LL par un transitoire ou en RSF.
  • Réaliser un bilan de puissance et d’énergie sur un schéma électrique équivalent, pour un circuit seul ou deux circuits couplés.
  • Déterminer MM pour deux bobines de même axe en influence totale ; établir le système d’équations en RSF ; exploiter le rapport de transformation et l’impédance ramenée.
  • Écrire les deux équations couplées des rails de Laplace en précisant les conventions, les résoudre (régime transitoire et régime permanent), établir le bilan énergétique et calculer un rendement.
  • Traiter un cadre rectangulaire en rotation uniforme : f.é.m., courant, couple, puissance moyenne.
  • Expliquer l’origine des courants de Foucault, citer des applications, justifier le feuilletage.
  • Mettre en œuvre un schéma d’Euler sur le système électromécanique et discuter le pas.
FormulaireLes relations à connaître par cœur
  • Φ=B Scos⁡α\Phi=B\,S\cos\alpha (champ uniforme, surface plane, NN spires : ×N\times N) ; e=− ⁣dΦ ⁣dte=-\dfrac{\dd\Phi}{\dd t} ; Wb=T⋅m2{\mathrm{Wb}}={\mathrm{T}{\cdot}\mathrm{m}^{2}}.
  • Φp=L i\Phi_p=L\,i ; uL=L  ⁣di ⁣dtu_L=L\,\dfrac{\dd i}{\dd t} ; L=μ0N2SℓL=\dfrac{\mu_0N^2S}{\ell} ; Em=12Li2\mathcal{E}_m=\frac12 L i^2 ; μ0=4π×10−7 H⋅m−1\mu_0=4\pi\times10^{-7}\,{\mathrm{H}{\cdot}\mathrm{m}^{-1}}.
  • Couplage : Φ1→2=Mi1\Phi_{1\to2}=Mi_1 ; ∣M∣⩽L1L2\abs{M}\leq\sqrt{L_1L_2} ; Em=12L1i12+12L2i22+Mi1i2\mathcal{E}_m=\frac12L_1i_1^2+\frac12L_2i_2^2+Mi_1i_2 ; influence totale : M=L1L2M=\sqrt{L_1L_2} et m=N2/N1m=N_2/N_1, Z‾e=R/m2\underline Z_e=R/m^2.
  • Rails : e=−Bℓx˙e=-B\ell\dot x ; F=BℓiF=B\ell i ; PLaplace+ei=0\mathcal{P}_{\text{Laplace}}+ei=0 ; x˙∞=E/(Bℓ)\dot x_\infty=E/(B\ell) ; τm=mR/(Bℓ)2\tau_m=mR/(B\ell)^2.
  • Alternateur : e=NBSωsin⁡ωte=NBS\omega\sin\omega t ; Em=NBSωE_m=NBS\omega ; ⟨P⟩=Em2/(2R)\langle\mathcal{P}\rangle=E_m^2/(2R) ; ΓL=−ei/ω\Gamma_L=-ei/\omega.
  • Repères : Bterrestre≈5×10−5 TB_{\text{terrestre}}\approx{5\times10^{-5}\,\mathrm{T}} ; aimant 0,1 {0{,}1\,} à 1 T{1\,\mathrm{T}} ; IRM 1 {1\,} à 3 T{3\,\mathrm{T}} ; bobine de TP 1 {1\,} à 100 mH{100\,\mathrm{mH}} ; e=Bℓv=10 mVe=B\ell v={10\,\mathrm{mV}} pour 0,1 T{0{,}1\,\mathrm{T}}, 10 cm{10\,\mathrm{cm}}, 1 m⋅s−1{1\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}.
Pièges
  • Calculer un flux sans avoir orienté le contour et la normale : tous les signes qui suivent sont arbitraires.
  • Oublier le signe −- de la loi de Faraday, ou ne pas vérifier la compatibilité du résultat avec la loi de Lenz.
  • Croire qu’un flux constant non nul, ou un champ intense, crée une f.é.m. : seule  ⁣dΦ/ ⁣dt\dd\Phi/\dd t compte.
  • Confondre flux propre (LiLi, créé par le circuit lui-même) et flux extérieur (Mi′Mi' ou flux d’un aimant).
  • Écrire l’équation électrique en oubliant la f.é.m. induite de mouvement, ou l’équation mécanique en oubliant la force de Laplace : le couplage est bilatéral.
  • Oublier la résistance interne de la bobine, ou l’inductance du circuit, quand l’énoncé ne dit pas de les négliger.
  • Utiliser la loi de Lenz comme un calcul : elle est qualitative. Parler de champ électromoteur : explicitement hors programme.
  • Appliquer e=− ⁣dΦ/ ⁣dte=-\dd\Phi/\dd t à des courants de Foucault sans modèle fourni ; les confondre avec le courant induit d’un circuit filiforme.
  • Croire qu’un transformateur fonctionne en continu, ou que le rapport N2/N1N_2/N_1 s’applique aussi aux puissances (c’est la puissance qui est conservée, pas la tension).
  • Confondre mm (masse), mm (rapport de transformation) et m⃗\vv{m} (moment magnétique) : nommer ses grandeurs.

Exercices, contrôles et sujets

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1

Exercices de base

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Les bases : flux, loi de Lenz, loi de Faraday, auto-induction, mutuelle, rails de Laplace

11 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 2 h 30calculatrice autorisée

  1. Flux d’un champ uniforme : orientation et ordres de grandeurDifficulté 1 sur 3
  2. Loi de Lenz : cinq situationsDifficulté 1 sur 3
  3. Force électromotrice induite dans un cadre fixeDifficulté 1 sur 3
  4. Inductance propre d’une bobine longueDifficulté 1 sur 3
  5. Mesure d’une inductance par le régime transitoireDifficulté 2 sur 3
  6. Rails de Laplace à vitesse imposéeDifficulté 1 sur 3
  7. Freinage par inductionDifficulté 2 sur 3
  8. Deux bobines de même axe en influence totaleDifficulté 2 sur 3
  9. Transformateur d’alimentationDifficulté 2 sur 3
  10. Alternateur : cadre rectangulaire en rotationDifficulté 2 sur 3
  11. Courants de FoucaultDifficulté 1 sur 3
2

Exercices d'application

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Mise en œuvre : conversion électromécanique, bilans énergétiques, couplage en régime sinusoïdal

9 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3 à Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 3 hcalculatrice autorisée

  1. Un cadre traverse une zone de champDifficulté 2 sur 3
  2. Rails de Laplace en moteur : démarrage et bilan énergétiqueDifficulté 2 sur 3
  3. Alternateur linéaire : quelle charge choisir ?Difficulté 2 sur 3
  4. Rails de Laplace inclinés : vitesse limiteDifficulté 2 sur 3
  5. Bobine de détection d’un champ variableDifficulté 2 sur 3
  6. Deux circuits couplés en régime sinusoïdal forcéDifficulté 3 sur 3
  7. Transformateur chargé : jusqu’où le modèle idéal ?Difficulté 2 sur 3
  8. Haut-parleur électrodynamiqueDifficulté 3 sur 3
  9. Simulation numérique du système électromécaniqueDifficulté 2 sur 3
3

Interrogation A

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Lois de l’induction, auto-induction et mutuelle, conversion électromécanique

Durée : 1 hcalculatrice autorisée3 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours6 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Un solénoïde et sa bobine de mesure7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Rails de Laplace entraînés par une masse pendante7 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Interrogation B

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Énergie magnétique, conversion électromécanique, circuits couplés en régime sinusoïdal

Durée : 1 hcalculatrice autorisée3 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours6 ptsDifficulté 2 sur 3
  2. Un alternateur dont on ne néglige plus l’inductance7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Chargeur à induction7 ptsDifficulté 3 sur 3
5

Approfondissement

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Sept problèmes pour aller au bout de l’induction

7 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 4 hcalculatrice autorisée

  1. L’énergie magnétique de deux circuits couplésDifficulté 3 sur 3
  2. Mesurer une inductance mutuelle sans mutuellemètreDifficulté 3 sur 3
  3. Des rails de Laplace qui oscillentDifficulté 3 sur 3
  4. La chute d’un aimant dans un tube de cuivreDifficulté 3 sur 3
  5. Quelle charge pour un alternateur réel ?Difficulté 3 sur 3
  6. Pourquoi feuillette-t-on les circuits magnétiques ?Difficulté 3 sur 3
  7. La spire de résistance nulle (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
6

DS type concours

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Le vélo d’appartement connecté

Durée : 4 hcalculatrice autorisée3 parties23 questionsbarème indicatif sur 20

7

Planche de colle

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Une question de cours et quatre exercices d’oral

1 question de cours4 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 3 sur 3environ 20 min{20\,\mathrm{min}} par exercice

  1. Question de coursDifficulté 1 sur 3
  2. Ouverture d’un circuit inductifDifficulté 1 sur 3
  3. Un cadre qui tombe hors d’un champDifficulté 2 sur 3
  4. AlternateurDifficulté 2 sur 3
  5. Lanceur électromagnétique à condensateurDifficulté 3 sur 3

Prépa · Physique-chimie : les 26 chapitres

  1. Mesures et incertitudes
  2. Optique géométrique
  3. Circuits dans l’ARQS
  4. Circuits du premier ordre
  5. Oscillateurs libres et forcés
  6. Filtrage linéaire
  7. Propagation et interférences
  8. Cinématique du point
  9. Lois de Newton
  10. Énergétique du point
  11. Particules chargées
  12. Transformations de la matière
  13. Cinétique chimique
  14. Structure des entités chimiques
  15. Moment cinétique et forces centrales
  16. Mouvement d’un solide
  17. Système thermodynamique
  18. Premier principe
  19. Deuxième principe
  20. Machines thermiques
  21. Champ magnétique et forces de Laplace
  22. Induction
  23. Physique quantique
  24. Solides cristallins
  25. Acide-base et précipitation
  26. Oxydo-réduction et diagrammes E-pH