Les équations de Maxwell permettent d’obtenir l’équation locale de conservation de la charge.
Point clé 1 – Équation locale de conservation de la charge ♥︎✍
avec le vecteur densité volumique de courant () ; la densité volumique de charge () ; le temps ().
1.2. Courants de déplacement
Le terme se nomme la densité de courant de déplacement1. Son unité est .
L’ARQS2 magnétique consiste à négliger les courants de déplacement.
Point clé 2 – Équations de Maxwell dans l’ARQS ♥︎
Hypothèse : Dans l’ARQS magnétique
avec le champ électrique () ; la densité volumique de charge () ; la permittivité diélectrique du vide () ; le champ magnétique () ; le temps () ; la perméabilité magnétique du vide () ; le vecteur densité volumique de courant ().
Point clé 3 – Condition d’application de l’ARQS ✍
avec la longueur caractéristique du système () ; la durée caractéristique de variation des grandeurs () ; la célérité de la lumière dans le vide ().
1.3. Du régime stationnaire au régime variable
Dans l’ARQS magnétique, les équations de Maxwell-Thomson et Maxwell-Ampère sont les mêmes qu’en stationnaire. Tous les résultats vus dans le chapitre « Champ magnétique en régime stationnaire » restent donc valables.
Point clé 4 – Théorème d’Ampère ♥︎✍
Hypothèse : Dans l’ARQS magnétique
avec une courbe fermée orientée ; le champ magnétique () ; l’élément de longueur de , orienté dans son sens de parcours () ; la perméabilité magnétique du vide () ; le courant électrique enlacé par la courbe d’Ampère ().
1.4. Principe de l’ARQS
Dans l’ARQS, les courants créent des champs magnétiques (qu’on peut déterminer avec le théorème d’Ampère) qui induisent à leur tour des champs électriques (qu’on peut déterminer avec la loi de Maxwell-Faraday).
1.5. Conservation de la charge dans l’ARQS
Dans l’ARQS, l’équation locale de conservation de la charge peut être simplifiée.
Point clé 5 – Équation locale de conservation de la charge dans l’ARQS ♥︎✍
Hypothèse : Dans l’ARQS magnétique
avec le vecteur densité volumique de courant ().
2. Induction
2.1. Circulation du champ électrique
Point clé 6 – Circulation du champ électrique ♥︎✍
Hypothèses :
La courbe est fermée et immobile.
est le flux de à travers une surface s’appuyant sur , orientée par le sens de parcours de (règle de la main droite).
avec une courbe fermée orientée ; le champ électrique () ; l’élément de longueur de , orienté dans son sens de parcours () ; le flux du champ magnétique () ; le temps ().
Dans le cas où suit un circuit électrique, on obtient la loi de Lenz-Faraday.
Point clé 7 – Loi de Lenz-Faraday ♥︎
Hypothèses :
La force électromotrice est orientée dans le sens de parcours du circuit (convention générateur).
La surface sur laquelle on calcule est orientée par ce même sens de parcours.
avec la force électromotrice () ; le flux du champ magnétique () ; le temps ().
Application 1 ✍
Un circuit électrique carré de côté comportant un condensateur de capacité et un résistor de résistance est placé dans un champ magnétique qui lui est orthogonal. Représenter le circuit électrique équivalent.
2.2. Courants de Foucault
Lorsqu’un cylindre conducteur est placé dans un champ magnétique oscillant, des courants y apparaissent. Ces courants sont appelés courants de Foucault.
Point clé 8 – Courants de Foucault ✍
Hypothèses :
À l’intérieur du cylindre.
Dans l’ARQS.
Le cylindre est plongé dans un champ magnétique uniforme parallèle à son axe.
Le champ induit par les courants de Foucault est négligé.
avec le champ électrique () ; l’amplitude du champ magnétique extérieur () ; la pulsation () ; la distance à l’axe du cylindre () ; le temps ().
La présence d’un champ électrique dans un milieu conducteur entraine la production de chaleur par effet Joule3.
Les courants de Foucault ont la même direction et le même sens que le champ électrique induit. Ils forment des boucles orthogonales au champ magnétique.
Point clé 9 – Densité volumique de puissance dissipée par effet Joule ♥︎
Hypothèses :
Dans un conducteur ohmique
Dans l’ARQS
avec la densité volumique de puissance dissipée par effet Joule () ; la conductivité électrique () ; le champ électrique ().
Point clé 10 – Puissance moyenne dissipée par les courants de Foucault ✍
Hypothèses :
Dans un conducteur ohmique.
Dans l’ARQS.
Le cylindre est plongé dans un champ magnétique uniforme parallèle à son axe.
Le champ induit par les courants de Foucault est négligé.
avec la puissance moyenne dissipée dans le cylindre () ; la conductivité électrique () ; l’amplitude du champ magnétique extérieur () ; la pulsation () ; la hauteur du cylindre () ; le rayon du cylindre ().
Application 2 ✍
Une casserole en aluminium () a un fond de rayon et d’épaisseur . Elle est posée sur une plaque à induction qui crée, au niveau du fond, un champ magnétique oscillant de fréquence et d’amplitude de l’ordre de . Une plaque domestique fournit au plus quelques kilowatts.
Calculer la puissance dissipée que prévoit le modèle du cours. Commenter.
Le champ créé au centre du fond par les courants de Foucault vaut environ . Le comparer à . Le modèle est-il valable ?
D’après la loi de Lenz, ce champ s’oppose au champ créé par la plaque. Conclure sur la possibilité d’utiliser des ustensiles en aluminium sur une plaque à induction.
2.3. Intérêt du feuilletage
Dans les transformateurs et dans les moteurs, des pièces métalliques sont placées dans des champs magnétiques variables et sont donc le siège de courants de Foucault. Ces courants de Foucault représentent des pertes qu’on souhaite limiter.
Pour limiter les pertes par courants de Foucault, on utilise le feuilletage. Le feuilletage consiste à découper la pièce métallique en feuillets séparés par de l’isolant électrique afin d’empêcher les courants de Foucault de circuler. Les feuillets doivent être parallèles au champ magnétique. Les boucles de courants de Foucault sont ainsi limitées.
Fig. 1. – Transformateur et rotor d'un moteur électrique dont le feuilletage est visible.
3. Inductance propre, inductance mutuelle
3.1. Cas du solénoïde
Point clé 11 – Champ magnétique et flux pour un solénoïde ✍
Hypothèses :
Les effets de bord sont négligés.
Le champ magnétique est nul à l’extérieur du solénoïde.
Le solénoïde est assimilé à une succession de spires resserrées et d’espacement constant.
avec le champ magnétique () ; la perméabilité magnétique du vide () ; le nombre de spires (sans unité) ; la longueur du solénoïde () ; l’intensité du courant () ; le flux du champ magnétique () ; le rayon du solénoïde ().
Le flux magnétique propre est proportionnel au courant. Cette propriété peut être généralisée. Le coefficient de proportionnalité est l’inductance propre.
Point clé 12 – Inductance propre ♥︎
avec le flux du champ magnétique () ; l’inductance propre () ; l’intensité du courant ().
Application 3 ✍
Calculer l’inductance propre d’un solénoïde de de long et de de rayon comportant spires.
Point clé 13 – Relation tension-courant pour une bobine ♥︎✍
Hypothèse : En convention récepteur
avec la tension aux bornes de la bobine () ; l’inductance propre () ; l’intensité du courant () ; le temps ().
3.2. Énergie stockée
Point clé 14 – Énergie stockée dans une bobine ♥︎✍
avec l’énergie stockée () ; l’inductance propre () ; l’intensité du courant ().
Dans l’exemple d’un solénoïde, l’énergie stockée s’écrit . On peut utiliser cette expression pour exprimer la densité volumique d’énergie magnétique.
Point clé 15 – Densité volumique d’énergie magnétique ♥︎✍
Hypothèse : L’expression obtenue pour un solénoïde peut être généralisée.
avec la densité volumique d’énergie magnétique () ; le champ magnétique () ; la perméabilité magnétique du vide ().
3.3. Inductance mutuelle
Lorsque deux bobines sont présentes simultanément, le champ magnétique créé par l’une peut induire une tension dans l’autre. Ce phénomène s’appelle induction mutuelle.
Point clé 16 – Flux magnétique ♥︎
avec le flux magnétique total à travers la bobine 1 () ; le flux propre de la bobine 1 () ; le flux mutuel, créé par la bobine 2 à travers la bobine 1 () ; l’inductance propre de la bobine 1 () ; l’intensité du courant circulant dans la bobine 1 () ; l’inductance mutuelle entre la bobine 1 et la bobine 2 () ; l’intensité du courant circulant dans la bobine 2 ().
L’inductance mutuelle dépend de la géométrie et de la position relative des deux bobines. Elle est algébrique : changer le sens d’orientation d’une des bobines change son signe. Si les bobines sont infiniment éloignées, .
Point clé 17 – Énergie stockée dans deux bobines en interaction ♥︎✍
avec l’énergie stockée () ; l’inductance propre de la bobine 1 () ; l’inductance propre de la bobine 2 () ; l’intensité du courant circulant dans la bobine 1 () ; l’intensité du courant circulant dans la bobine 2 () ; l’inductance mutuelle entre la bobine 1 et la bobine 2 ().
En plus de l’énergie stockée dans chacune des bobines et , un troisième terme correspondant à l’interaction des bobines apparait.
L’inductance mutuelle d’un circuit 1 sur un circuit 2 est la même que celle du circuit 2 sur le circuit 1 : .
Point clé 18 – Valeur limite de l’inductance mutuelle ♥︎✍
avec l’inductance mutuelle entre la bobine 1 et la bobine 2 () ; l’inductance propre de la bobine 1 () ; l’inductance propre de la bobine 2 ().
1Il est parfois appelé simplement courant de déplacement par abus de langage.