Inductance

Source : Yong P. Chen, PhD, département de physique & astronomie, Faculté des sciences, Université de Purdue, West Lafayette, Indiana

Cette expérience utilise bobines inductives pour démontrer le concept de l’inducteur et l’inductance. Induction magnétique sera démontrée à l’aide d’un aimant de tige insérée dans ou extraites de la base d’une bobine pour induire une tension transitoire force électromotrice (emf) dans la bobine, mesurée par un voltmètre. Cette expérience démontrera également l’inductance mutuelle entre deux spires, où tournant sous ou hors tension un courant circulant dans une bobine peut induire une tension emf dans une deuxième bobine est proche. Enfin, l’expérience démontrera la self-inductance d’une bobine, lorsqu’un courant de commutation induit un CAG pour allumer une ampoule connectée en parallèle avec la bobine.

Conformément à la Loi de Faraday, un champ magnétique de changeant (dépendant du temps) B induit un champ électrique, connu comme le champ de force électromotrice (emf). Si le champ magnétique est transversal sur une boucle unique de la bobine, le champ de l’emf génère une tension emf V dans l’ensemble les deux extrémités de la bobine :

(Équation 1)

Le flux magnétique à travers la boucle est,

où A est l’aire de la boucle, et si le champ magnétique B est le long d’une direction générale, B doit être remplacé par sa composante perpendiculaire à la région de la boucle et ΔΦ/Δt sont le taux de sa variation. Le signe moins dans l’équation 1 indique la direction de la FEM induite (ou tension) : il essaie toujours de s’opposer à la modification du champ B externe en générant un courant dans la bobine qui produit son propre champ magnétique dans la direction opposée de la modification du champ B. La direction du champ magnétique induit est liée à la direction du courant dans la bobine par la règle de la main rouge (envelopper les doigts de la main droite autour de la direction actuelle, les points de pouce dans la direction du champ magnétique produits par le courant). Par exemple, si le champ B est le long de la + direction (est de la région de la boucle dans le plan yz) x et augmente avec le temps, alors le champ magnétique généré par les emf induit et le courant sera dans le x - direction ; Si le champ B est en baisse, l’emf induit et le courant génère un champ magnétique dans le signe + direction x. C’est le phénomène de l’induction magnétique. Pour une « » bobine de N spires, la tension de l’emf générée par chaque tour s’ajoutera jusqu'à une tension totale de emf. Au cours de l’induction magnétique, la bobine peut être considérée comme un analogue d’une pile qui aurait une tension de sortie et (si certains se chargement est connectée) un courant. Dans cette expérience, ce phénomène sera démontré en utilisant une augmentation ou diminution de champ magnétique B produit par : (1) un aimant permanent déplacé vers ou loin de la bobine (Figure 1) ; (2) une autre bobine avec un courant I qui circule dans la bobine, où je peux être allumé ou éteint (Figure 2) ; et (3) la bobine elle-même avec un courant I traversant, où je peux être allumé ou éteint (Figure 3). Dans le cas (3), l’induction est dénommée auto-induction (et le solénoïde est un exemple d’un « inducteur »). Pour les cas (2) et (3), étant donné que le flux magnétique ou champ magnétique (dont changement provoque l’induction) est proportionnel au courant I, la tension de la FEM induite est proportionnelle au taux de la variation du courant (ΔI/Δt), avec le facteur proportionnel L connu comme le mutual inductance comme dans le cas (2) ou self-inductance comme c’est le cas (3) , respectivement :

(Équation 2)

La direction de la tension V est déterminée de manière similaire comme décrit ci-dessus : le CEM V va essayer de produire un courant I et son propre champ magnétique qui s’oppose au changement dans le champ magnétique d’origine B.

1. l’Induction magnétique

1. Obtenir une bobine de solénoïde (avec un noyau creux) et un aimant de la tige (avec ses pôles Nord et Sud marqué).
2. Obtenir un ampèremètre analogique bipolaire avec une aiguille de l’indicateur. L’aiguille est nominalement la position centrale en zéro lecture et va dévier vers la droite ou la gauche selon le sens de circulation du courant (positif lecture signifie que le courant passe de la borne positive à et la borne négative à l’intérieur de l’ampèremètre).
3. Branchez les deux extrémités de l’aimant pour le « + » et « − » bornes de l’ampèremètre, comme dans la Figure 1. La connexion peut être établie avec les câbles avec des pinces ou des fiches banane en recevant des ports sur les instruments.
4. Faire l’aimant de tige plus près de la bobine et insérer son extrémité nord dans son noyau, tel qu’illustré à la Figure 1. Observez l’ampèremètre et le signe de sa lecture. Pour toutes les observations être menée par la suite, toujours enregistrer le signe ainsi l’ampleur approximative de la lecture.
5. Extrait de l’aimant de la bobine et observer la lecture sur l’ampèremètre.
6. Avec l’aimant de tige loin de la bobine, retournez-le et maintenant passer l’extrémité du Sud plus près à la bobine. Insérez l’extrémité sud dans le noyau de la bobine et observer la lecture sur l’ampèremètre.
7. Extraire l’aimant de la bobine à nouveau et observer la lecture sur l’ampèremètre.
8. Répéter les étapes 1.6 et 1.7 ci-dessus (insérer et extraire le pôle sud de l’aimant) mais avec un plus lent, puis une vitesse plus rapide et observez et comparez la lecture sur l’ampèremètre.

Figure 1 : Schéma montrant un aimant se déplaçant vers/à partir d’une bobine pour induire un courant dans la bobine (induction magnétique).

2. Inductance mutuelle

1. Obtenir une deuxième bobine de solénoïde (dénommée bobine #2) et apportez-la à proximité de la première bobine (appelée bobine #1), tel qu’illustré à la Figure 2. Les deux bobines sont alignés approximativement le long d’un axe commun.
2. Branchez les deux extrémités de la bobine #2 à une source de tension DC avec un interrupteur, comme illustré à la Figure 2. Bobine #1 est toujours connecté à l’ampèremètre analogique.
3. Avec le commutateur ouvrir, affectez à la source de tension + 2 V, puis fermer l’interrupteur pour permettre un courant de circuler dans la bobine #2 et observer la lecture sur l’ampèremètre connecté à bobine #1 lorsque l’interrupteur est allumé.
4. Maintenant Ouvrez l’interrupteur et la lecture sur l’ampèremètre.
5. Définissez la source de tension −2 V (ou, subsidiairement, swap, les deux fils reliés à la plus et moins les bornes de la source de tension pour inverser le signe de la tension et le courant à appliquer à la bobine #1), répétez les étapes 2.3 (interrupteur sur) et 2.4 (éteindre) et observer l’ampèremètre connecté bobine #1.
6. Maintenant, bobine insert #2 dans le noyau de bobine #1 autant que possible, répétez l’étape ci-dessus 2.5 et observer que la lecture sur l’ampèremètre connecté bobine #1.

Figure 2 : Schéma montrant qu’une commutation courant allumé ou éteint dans une bobine induirait actuel en un autre à proximité de la bobine (induction mutuelle).

3. self-inductance

1. Obtenir une ampoule il se raccordent en série avec l’ampèremètre, puis connectez la combinaison à bobine #2 en parallèle avec l’alimentation en volts, tel qu’illustré à la Figure 3. La tension de l’alimentation en volts est fixée à 1 V.
2. Fermer l’interrupteur pour permettre l’écoulement du courant dans la bobine. L’ampoule doit être dim car la bobine a une résistance beaucoup plus petite que l’ampoule d’éclairage, et la plupart du courant s’écoule à travers la bobine.
3. Ouvrir l’interrupteur afin que la volt couper du reste du circuit et observez l’ampoule et l’ampèremètre lecture lorsque l’interrupteur est vient d’ouvrir.

Figure 3 : Schéma montrant un circuit pour démontrer l’auto-induction, où tuning hors courant dans une bobine induit une tension transitoire et le courant dans une ampoule relié.

Des résultats représentatifs de ce qui peut être observé sur l’ampèremètre lecture pour les Sections 1 et 2 (setups dans les Figures 1 et 2) sont résumées dans les tableaux 1 et 2 ci-dessous.

Tableau 1 : Résultats représentatifs pour la Section 1. Pour l’étape 1.8, observer qu’une vitesse plus rapide du mouvement donne une plus grande (plus grande déviation de l’aiguille) de lecture sur l’ampèremètre.

Tableau 2 : Résultats représentatifs pour la Section 2. Pour l’étape 2.6, observer que placer la bobine #2 à l’intérieur de la bobine #1 donne une lecture plue (alors que les signes de la lecture restent les mêmes) sur l’ampèremètre par rapport à l’étape 2.5 pour chaque action de commutateur correspondant.

Pour l’article 3, si au départ le courant en raison de l’alimentation en volts (+ 1 V) passe de la droite vers la gauche dans la bobine, l’éteindre (ouverture de l’interrupteur) induit un courant transitoire dans la même direction. L’ampoule s’allume brièvement et l’ampèremètre va enregistrer une lecture positive pour la connexion donnée à la Figure 3.

Dans cette expérience, nous avons démontré comment modifier un champ magnétique (en déplaçant un aimant) induit un courant dans une bobine, et aussi comment changer le courant dans la bobine induit actuelle dans une autre bobine (induction mutuelle). Nous avons aussi démontré que changer le courant dans une bobine induit une tension et courant dans la bobine même (auto-induction).

Inductances (habituellement sous la forme de bobines) sont utilisées dans de nombreuses applications de circuit, comme pour stocker l’énergie magnétique lorsqu’un flux actuels de l’état d’équilibre. Ils sont utiles pour le signal électrique de transformation ; par exemple, en tenant le dérivé ou l’intégrale d’un signal électrique, pour le filtrage et pour les circuits de résonance. Ils sont également utilisés dans les transformateurs pour modifier la tension des signaux AC.

L’auteur de l’expérience reconnaît l’aide de Gary Hudson pour la préparation du matériel et Chuanhsun Li pour démontrer les étapes dans la vidéo.