L’induction électromagnétique

Approchez un aimant d’une bobine de fil reliée à un ampèremètre : l’aiguille dévie. Arrêtez le mouvement : elle revient à zéro. Éloignez l’aimant : elle dévie dans l’autre sens. Ce n’est pas l’aimant qui crée le courant, c’est la variation du champ magnétique. Ce phénomène, l’induction, est le principe de fonctionnement des centrales électriques, des transformateurs, des plaques de cuisson à induction et des chargeurs sans fil.

La découverte de Faraday

En 1820, le Danois Hans Christian Œrsted montre qu’un courant électrique crée un champ magnétique (voir magnétisme). Les physiciens cherchent alors l’effet inverse : un aimant peut-il produire un courant ? Le Britannique Michael Faraday y parvient en août 1831 : il constate qu’un courant n’apparaît dans une bobine qu’au moment où l’on établit ou coupe le courant dans une autre bobine enroulée sur le même anneau de fer, puis en déplaçant un aimant dans une bobine. L’Américain Joseph Henry fait des observations analogues à la même époque.

Le flux magnétique

Le flux magnétique Φ mesure la quantité de champ magnétique qui traverse une surface. Pour un champ uniforme B traversant une boucle de surface S :

Φ = B × S × cos θ

où θ est l’angle entre le champ et la perpendiculaire à la boucle. Il s’exprime en webers (Wb). Le flux peut varier de trois façons :

1. le champ B change (on approche un aimant, on fait varier un courant) ;
2. la surface S change (on déforme le circuit) ;
3. l’angle θ change (on fait tourner la bobine dans le champ).

La loi de Faraday

Plus le flux varie vite, plus la tension est grande : un aimant déplacé rapidement induit une tension plus forte qu’un aimant déplacé lentement. Un champ magnétique constant, même très intense, n’induit rien.

La loi de Lenz : le signe moins

Le physicien russe Heinrich Lenz énonce en 1834 que le courant induit circule dans un sens tel qu’il s’oppose à la cause qui lui a donné naissance. Si l’on approche le pôle nord d’un aimant, la bobine crée elle-même un pôle nord face à lui, qui le repousse ; si on l’éloigne, elle crée un pôle sud qui le retient.

Cette loi traduit la conservation de l'énergie : pour produire un courant, il faut fournir un travail contre la force qui s’oppose au mouvement. C’est pourquoi une dynamo de vélo rend le pédalage plus dur quand la lampe est allumée.

Les courants de Foucault

Dans une pièce métallique massive soumise à un champ variable, des courants induits tourbillonnent dans la masse : ce sont les courants de Foucault, étudiés par Léon Foucault en 1855. Ils chauffent le métal et freinent les mouvements. Ils sont :

• utiles dans les plaques de cuisson à induction, les freins électromagnétiques des poids lourds et des trains, les détecteurs de métaux, le tri des déchets métalliques ;
• nuisibles dans les transformateurs et les moteurs, où ils gaspillent de l’énergie : on y utilise des noyaux en tôles fines isolées les unes des autres pour les limiter.

Les applications majeures

L’alternateur : produire l’électricité

Un alternateur fait tourner un aimant (ou un électroaimant) devant des bobines, ou des bobines dans un champ magnétique. Le flux varie périodiquement et induit une tension alternative (voir courant alternatif et continu). Que l’énergie mécanique vienne d’une turbine à vapeur (centrales nucléaires, à charbon, à gaz), d’une chute d’eau, du vent ou d’un moteur thermique, c’est toujours l’induction qui la convertit en électricité. Seuls les panneaux photovoltaïques et les piles échappent à ce principe.

Le transformateur : changer la tension

Deux bobines enroulées sur un même noyau de fer : le courant alternatif dans la première crée un flux variable qui induit une tension dans la seconde. Le rapport des tensions est égal au rapport des nombres de spires :

U₂ / U₁ = N₂ / N₁

Les transformateurs élèvent la tension à 400 000 V pour le transport sur les lignes à très haute tension, ce qui réduit les pertes, puis l’abaissent jusqu’à 230 V pour les habitations. Ils ne fonctionnent qu’en courant alternatif.

Autres applications

L’induction dans la théorie de Maxwell

Faraday décrit l’induction de manière qualitative, avec ses lignes de force. James Clerk Maxwell la traduit en 1865 dans l’une de ses quatre équations : un champ magnétique variable crée un champ électrique, même dans le vide et sans fil conducteur. Associée à l’effet inverse, cette idée conduit à la prédiction des ondes électromagnétiques, dont la lumière (voir spectre électromagnétique) et les ondes radio, produites par Heinrich Hertz en 1887-1888.

Questions fréquentes

Qu’est-ce que l’induction électromagnétique en une phrase ?

C’est la production d’une tension électrique dans un circuit par un champ magnétique qui varie, par exemple quand on déplace un aimant près d’une bobine.

Un aimant immobile peut-il produire du courant ?

Non. Seule une variation du flux magnétique induit une tension. Il faut déplacer l’aimant, déplacer ou tourner le circuit, ou faire varier le champ.

Pourquoi les plaques à induction ne chauffent-elles pas toutes les casseroles ?

Elles ont besoin d’un fond métallique ferromagnétique, comme la fonte ou certains aciers, pour concentrer le champ et produire des courants de Foucault suffisants. Le verre, la céramique, le cuivre ou l’aluminium pur ne conviennent pas sans disque adaptateur.

Pourquoi le transport de l’électricité se fait-il à très haute tension ?

À puissance égale, une tension plus élevée permet un courant plus faible, et les pertes par effet Joule dans les câbles sont proportionnelles au carré du courant. L’induction, via les transformateurs, permet de changer facilement de tension.