ÉNONCÉ

Sur un même cylindre de fer sont enroulés deux bobinages (schéma ci-dessous)

La bobine (1) est dans un circuit comportant un générateur de tension continue, un interrupteur, un rhéostat et une résistance R₁ aux bornes de a laquelle on branche la voie Y₁ d'un oscilloscope.

La bobine (2) est reliée sur une résistance R₂ aux bornes de laquelle on branche la voie Y₂ de l'oscilloscope.

1) a) Quelles sont les grandeurs visualisées sur chaque voie de l'oscilloscope?
b) Qu'observe-t-on si l'interrupteur K est ouvert?

2) On ferme l'interrupteur K.

a) Analyser les conséquences de l'établissement du courant dans la bobine (1).

    b) Qu'observe-t-on alors sur chacune des voies de l'oscilloscope?

3) L'interrupteur K étant toujours fermé, on augmente rapidement, mais régulièrement, la valeur de la résistance du rhéostat.

a) Analyser le phénomène qui se produit alors.

b) Qu'observe-t-on sur la voie 2 ?

CONSEILS

Rechercher les dipôles dont les bornes sont reliées aux entrées de l'oscilloscope.

Repérer:

·la borne reliée à la masse,

·le sens du courant dans le dipôle.

Analyser les variations du champ magnétique dans le circuit 0 lors de la fermeture de l'interrupteur.

Rechercher le sens du courant induit qui crée un champ magnétique induit s'opposant à la variation du champ magnétique inducteur .

À partir des sens des courants inducteurs et induits, déterminer les signes des intensités i₁ et i ₂ et les signes des tensions u_NM et u_BA.

Rechercher l'origine de la modification
du champ magnétique inducteur.

SOLUTION

1) a) l'oscilloscope visualise les tensions:
u_NM=R₁.i₁ sur la voie Y₁;

U_BA=R₂·i₂ sur la voie Y₂.

b) u_NM = 0, car il n'y a pas de courant dans (1) (interrupteur ouvert) ;

u_BA = 0, car il n'y a pas de courant dans (2) (circuit fermé sans f.e.m. d'induction)

2) a) L'établissement du courant dans l'inducteur (bobine (1) ) crée un champ magnétique B dans le barreau de fer
(parallèle au barreau et vers la droite).
L'induit (bobine (2)), qui est traversé par

un champ inducteur  dont la valeur B croît  brusquement, est le siège d'une     induit t '2 <

f.e.m induite. D'après la loi de Lenz, le
courant induit crée un champ magnétique induit ( champ propre) de sens opposé au champ inducteur
dont la valeur B croît: le courant induit circule

donc dans le sens négatif (son intensité i ₂ est négative).

b) Sur la voie Y₁, la tension u_NM = R₁.i₁ passe rapidement de la valeur 0 à une valeur positive constante.

Sur la voie Y₂ apparaît fugitivement une tension négative:

U_BA=R₂.i₂, avec i₂<0.

3) a) En augmentant la valeur de la résistance Rh on diminue l'intensité i₁ du courant inducteur: la valeur du champ inducteur  traversant l'induit diminue. D'après
la Loi de Lenz, le courant induit d'intensité i₂ a.alors un sens positif: le champ induit  a le même sens que  dont la valeur décroît.

b) Durant l'augmentation de la résistance Rh du rhéostat, on observe une tension u _BA = R₂.i₂ positive (i ₂ > 0) de valeur d'autant plus grande que l'augmentation de la résistance est rapide.

CONNAISSANCES ESSENTIELLES DU COURS

1  Analyse d'un schéma (doc. 2 du cours)

a)  Indiquer, sur le schéma, l'induit et l'inducteur.

b)  Que visualise l'oscilloscope?

À quoi cette grandeur est-elle égale?

c) Qu'est-ce qui permet d'affirmer que la bobine est en mouvement?

2 Vrai ou Faux

Choisir, parmi les propositions suivantes, celles qui sont fausses et les corriger:

a) Une bobine placée dans un champ magnétique variable est le siège d'une f.e.m. induite.

b) Dans une bobine placée dans un champ magnétique variable, on a toujours un courant induit.

e) Une f.e.m. induite n'apparaît dans une bobine que lorsqu'on approche un pôle nord d'aimant de l'une de ses faces.

d) Le phénomène d'induction ne s'observe que si l'inducteur se déplace par rapport à l'induit, et vice
versa.

e) Lors du phénomène d'induction, l'effet est d'autant plus important que les variations du champ inducteur sont rapides.

f) Le sens du courant induit est donné par la loi de Lenz.

  3  Loi de Lenz

a) Énoncer la loi de Lenz.

b) Faire un schéma d'expérience illustrant cette loi.

  4  Applications du phénomène d'induction

Citer deux applications du phénomène d'induction

APPLICATIONS DIRECTES DU COURS

5/ 

Faces d'une bobine et sens du courant induit
Indiquer, pour chaque schéma, le nom de la face de la bobine en regard de l'aimant, ainsi que le sens du courant induit correspondant.

6/

Indiquer, pour chaque schéma représentant un circuit orienté, le signe de l'intensité du courant induit et celui de la tension U_AB.

7/

Un aimant droit est déplacé selon l'axe d'une bobine sur laquelle a été choisi un sens positif de circulation du courant.

1) On approche de la bobine, par la gauche, le pôle nord de l'aimant. Indiquer:

a) le nom des faces;

b) le sens du courant induit ;

e) le signe de l'intensité du courant induit;
d) le signe de la tension u_AB .

2) On éloigne de la bobine, par la droite, le pôle nord de l'aimant. Répondre aux mêmes questions.

3) On approche de la bobine, par la droite, le pôle sud de l'aimant. Répondre aux mêmes questions.

4) Reprendre la question 1), l'enroulement du fil de la bobine étant en sens contraire de celui schématisé

8/

Soit  le champ magnétique inducteur crée par l'aimant dans la bobine.

1) On approche le pôle nord de l'aimant.

   a) Représenter le champ magnétique propre  induit dans la bobine.

   b) En déduire le sens du courant induit.

2) On retourne l'aimant et on éloigne le pôle sud.

a) Représenter les vecteurs Ba et Bp.

b) En déduire le sens du courant induit.

9/

On considère l'expérience représentée sur le schéma suivant:

1) Représenter le champ magnétique inducteur dans la bobine du circuit induit.

11/

, On considère le montage ci-dessous:

1) Représenter le champ magnétique Ba créé par l'aimant dans la bobine.

2) On approche la bobine de l'aimant fixe.

a) Représenter le champ propre Bp.

b) En déduire le sens du courant induit.

Inducteur fixe (Ex. 10 et 1l)

10/

On considère le montage ci-dessous comportant un circuit induit (2) et un circuit inducteur (1).

2) Quelle est la valeur du courant induit lorsque l est constant?

3) Par l'intermédiaire du rhéostat, on augmente l.

   a) Comment varie la valeur du champ inducteur.

   b) Représenter le champ magnétique induit  qui apparaît dans la bobine (2).

c) Quel est le sens du courant induit?
   Quel est son signe?

d) Donner le signe de la tension U_BA.

4) Reprendre la question précédente si on diminue l’intensité I.

1) a) Indiquer le signe de l'intensité du courant induit  qui apparaît dans la bobine du circuit 2) lorsque l'on se déplace le curseur du rhéostat vers la droite.

b) L'intensité du courant induit dépend-elle de la déplacement du curseur?    .

2) On inverse les branchements aux bornes du générateur du circuit (1). Indiquer le signe de la tension U_AB lorsque l'on déplace vers la droite le curseur du rhéostat,

12/Schématisation - Bilan de puissance

1) Donner le signe de l'intensité du courant induit qui apparaît lors de l'expérience schématisée ci-dessous

2) Compléter le schéma électrique représentant de résistance r lors du phénomène d'induction.

3) Effectuer un bilan de puissance.

UTILISATION DES ACQUIS

Interaction entre deux bobines (Ex. 13 et 14)

13/  Vrai ou faux

On considère deux bobines B_l et B₂ .

Indiquer les propositions exactes.

Un courant circule dans B₂ dans le sens indiqué lorsque:

a)  on augmente 1;

b)  on diminue 1;

e) on éloigne B₂ de B₁;
d) on approche B₂ de B₁ ;

1t

e) on fait tourner B₂ de  autour de son axe ;

f) on fait tourner B₁ de  autour de son axe .

14/ Dans quels cas le spot de l'oscilloscope se déplace-t-il vers le bas?

a) On approche la bobine de la spire.

b) On éloigne la bobine de la spire.

c) On diminue l'intensité 1.

d) On augmente l'intensité 1.

Principe du transformateur (Ex. 15 et 16)

15/Deux bobines d'axes confondus sont face à face comme l'indique le schéma suivant:

L'inducteur, relié à un générateur de courant sinusoïdal, est parcouru par un
courant dont l'intensité i₂ est représentée en fonction du temps.

1) Indiquer le sens du courant induit et le signe de son intensité i₂ de l’instant

2) Représenter graphiquement l'allure des variations de l'intensité i₂ en fonction du temps.

3) Représenter graphiquement l'allure des variations de i₂ en fonction du temps lorsque la fréquence de i₁ est plus grande.

16/Le solénoïde du montage ci-dessous est alimenté par un G.B.F. délivrant une tension triangulaire:

Avec une résistance R₁ de valeur importante, on observe une  tension u₁ = R₁. i₁ en dents de scie.

La tension u₂ = R₂. i₂ aux bornes de la résistance du circuit induit présente des créneaux: l'intensité i₂ du courant induit est alternativement positive et négative.

1) Justifier le signe de l'intensité i₂ du courant induit:

 a) lorsque l'intensité i₁ du courant inducteur croît;

 b) lorsque i₁ décroît.

2) On admet la relation avec K une constante qui dépend de la constitution des circuits. Montrer que cette relation est compatible avec les oscillogrammes observés

17/Chute verticale d'un aimant au travers d'une bobine plate

Un aimant droit (dont on a représenté les lignes de champ) est abandonné verticalement, le pôle nord vers le bas au-dessus du centre d'une bobine plate horizontale dont les bornes sont reliées par un fil conducteur.

1) a) Quel est le phénomène physique qui apparaît?

 b) Par quelle grandeur physique se manifeste-t-il ?

     c) De quelle façon peut-on mettre en évidence cette grandeur physique?

2) En négligeant les forces de frottement dues à l'air, peut-on dire que l'aimant est en chute libre? Pourquoi?

3) Décrire qualitativement l'évolution au cours de la chute de l'aimant de la grandeur physique évoquée
au 1) b).

18/Bobine plate dans un champ magnétique

Une bobine plate court-circuitée est placée dans un champ magnétique uniforme tel que les lignes de champ soient perpendiculaires au plan de chaque spire.

1) Faire un schéma du système décrit ci-dessus en orientant les lignes de champ et en choisissant un sens positif sur la bobine.

2) À partir de cette position, on fait tourner d'un demi-tour la bobine autour d'un axe  diamétral.

   a) Pourquoi se produit-il un phénomène d'induction électromagnétique?

   b) Indiquer sur le schéma le sens du courant induit.

3) a) À partir de la position finale de la question 2), décrire brièvement, en le justifiant, ce qui se produit lorsqu'on tourne la bobine dans le même sens et autour du
même axe, d'un deuxième demi-tour.

  b) Quel est le dispositif physique qui fonctionne sur le même principe?

19/Alternateur

Un alternateur est réalisé suivant le principe du schéma ci-avant. Il comprend un aimant tournant autour d’un axe D , deux bobines B_l et B₂ de même axe à D. Les deux bobines sont reliées en série n'apparaît pas sur le schéma).

1) Dans cet alternateur :

a) quel est l'inducteur?

b) quel est l'induit ?

2) Déterminer, à l'instant où l'aimant occupe la position indiquée sur le schéma, les signes des tensions produites dans chaque bobine par la rotation de l'aimant.

3) a) Comment faut-il relier ces deux bobines afin que leurs f.e.m. s'ajoutent?

b) Quelle est la borne positive de cette association dans la situation représentée sur le schéma?

c) Chaque bobine ayant une résistance r, dessiner le schéma équivalent à cette association lorsque l’aimant est en rotation dans le sens indiqué et dans la position du schéma.

4) Qu'advient-il si l'aimant tourne en sens inverse

20/ Moteur fonctionnant en alternateur

On réalise le montage du schéma suivant.

Lorsque la masse suspendue descend, elle entraîne la poulie et le rotor du moteur dans un mouvement de rotation. Le moteur se comporte alors comme un alternateur : une tension alternative apparaît entre ses bornes.
Si l'interrupteur K est ouvert, la descente de la masse est rapide; s'il est fermé, la masse descend lentement.

1) C2 En quoi cette expérience illustre-t-elle la loi de Lenz?

2) Lorsque K est fermé, le courant induit qui circule dans les bobines de l'induit (stator) crée des champs qui varient alternativement.

Quelles influences magnétiques ces champs induits ont-ils sur les variations des champs inducteurs dus aux aimants tournons du rotor ?

3) Effectuer le bilan énergétique du moteur fonctionnant ainsi en alternateur.