Champs magnétiques et inductance

Chaque fois que des électrons traversent un conducteur, un champ magnétique se développe autour de ce conducteur. Cet effet est appelé électromagnétisme .

Les champs magnétiques affectent l'alignement des électrons dans un atome et peuvent provoquer le développement d'une force physique entre les atomes à travers l'espace, tout comme les champs électriques développant une force entre des particules chargées électriquement. Comme les champs électriques, les champs magnétiques peuvent occuper un espace complètement vide et affecter la matière à distance.

Force de champ et flux de champ

Les champs ont deux mesures :un champ force et un champ flux . Le champ force est la quantité de « poussée » qu'un champ exerce sur une certaine distance. Le champ flux est la quantité totale, ou effet, du champ dans l'espace. La force de champ et le flux sont à peu près analogues à la tension ("poussée") et au courant (flux) à travers un conducteur, respectivement, bien que le flux de champ puisse exister dans un espace totalement vide (sans le mouvement de particules telles que les électrons) alors que le courant ne peut avoir lieu que où il y a des électrons libres pour se déplacer.

Le flux de champ peut être opposé dans l'espace, tout comme le flux d'électrons peut être opposé par la résistance. La quantité de flux de champ qui se développera dans l'espace est proportionnelle à la quantité de force de champ appliquée, divisée par la quantité d'opposition au flux. Tout comme le type de matériau conducteur dicte la résistance spécifique de ce conducteur au courant électrique, le type de matériau occupant l'espace à travers lequel une force de champ magnétique est imprimée dicte l'opposition spécifique au flux de champ magnétique.

Alors qu'un flux de champ électrique entre deux conducteurs permet une accumulation de charge d'électrons libres dans ces conducteurs, un flux de champ magnétique permet à une certaine « inertie » de s'accumuler dans le flux d'électrons à travers le conducteur produisant le champ.

Champs magnétiques plus forts avec des inducteurs

Inducteurs sont des composants conçus pour tirer parti de ce phénomène en façonnant la longueur de fil conducteur sous la forme d'une bobine. Cette forme crée un champ magnétique plus fort que ce qui serait produit par un fil droit. Certains inducteurs sont formés avec du fil enroulé dans une bobine autoportante.

D'autres enroulent le fil autour d'un matériau de noyau solide d'un certain type. Parfois, le noyau d'un inducteur sera droit et d'autres fois, il sera joint en boucle (carré, rectangulaire ou circulaire) pour contenir complètement le flux magnétique. Ces options de conception ont toutes un effet sur les performances et les caractéristiques des inducteurs.

Le symbole schématique d'un inducteur, comme le condensateur, est assez simple, n'étant guère plus qu'un symbole de bobine représentant le fil enroulé. Bien qu'une forme de bobine simple soit le symbole générique de tout inducteur, les inducteurs à noyaux se distinguent parfois par l'ajout de lignes parallèles à l'axe de la bobine. Une version plus récente du symbole de l'inducteur supprime la forme de la bobine au profit de plusieurs « bosses » d'affilée :

Comme le courant électrique produit un champ magnétique concentré autour de la bobine, ce flux de champ équivaut à un stockage d'énergie représentant le mouvement cinétique des électrons à travers la bobine. Plus il y a de courant dans la bobine, plus le champ magnétique sera fort et plus l'inducteur stockera d'énergie.

Parce que les inducteurs stockent l'énergie cinétique des électrons en mouvement sous la forme d'un champ magnétique, ils se comportent très différemment des résistances (qui dissipent simplement l'énergie sous forme de chaleur) dans un circuit. Le stockage d'énergie dans un inducteur est fonction de la quantité de courant qui le traverse.

La capacité d'un inducteur à stocker de l'énergie en fonction du courant se traduit par une tendance à essayer de maintenir le courant à un niveau constant. En d'autres termes, les inducteurs ont tendance à résister aux changements en courant. Lorsque le courant à travers un inducteur augmente ou diminue, l'inducteur « résiste » au changement en produisant une tension entre ses fils en polarité opposée au changement .

Pour stocker plus d'énergie dans un inducteur, le courant qui le traverse doit être augmenté. Cela signifie que son champ magnétique doit augmenter en intensité et que le changement d'intensité de champ produit la tension correspondante selon le principe de l'auto-induction électromagnétique.

Inversement, pour libérer de l'énergie d'un inducteur, le courant qui le traverse doit être diminué. Cela signifie que le champ magnétique de l'inducteur doit diminuer en intensité et que le changement d'intensité de champ induit automatiquement une chute de tension de polarité opposée.

Hypothétiquement, un inducteur laissé en court-circuit maintiendra un taux de courant constant à travers lui sans assistance externe :

En pratique, cependant, la capacité d'un inducteur à s'auto-entretenir n'est réalisée qu'avec un fil supraconducteur, car la résistance du fil dans n'importe quel inducteur normal est suffisante pour faire chuter le courant très rapidement sans source d'alimentation externe.

Lorsque le courant traversant une inductance augmente, il fait chuter une tension opposée au sens du flux de courant, agissant comme une charge électrique. Dans cette condition, on dit que l'inducteur est en charge , car il y a une quantité croissante d'énergie stockée dans son champ magnétique. Notez la polarité de la tension par rapport au sens du courant :

Inversement, lorsque le courant traversant l'inducteur est diminué, il fait chuter une tension facilitant le sens du flux de courant, agissant comme une source d'alimentation. Dans cette condition, on dit que l'inducteur se décharge , car sa réserve d'énergie diminue à mesure qu'elle libère de l'énergie de son champ magnétique vers le reste du circuit. Notez la polarité de la tension par rapport au sens du courant.

Si une source d'énergie électrique est soudainement appliquée à un inducteur non magnétisé, l'inducteur résistera initialement au flux de courant en faisant chuter la pleine tension de la source. Au fur et à mesure que le courant commence à augmenter, un champ magnétique de plus en plus fort sera créé, absorbant l'énergie de la source. Finalement, le courant atteint un niveau maximum et cesse d'augmenter. À ce stade, l'inducteur cesse d'absorber l'énergie de la source et baisse la tension minimale sur ses fils, tandis que le courant reste à un niveau maximal.

Lorsqu'un inducteur stocke plus d'énergie, son niveau de courant augmente, tandis que sa chute de tension diminue. Notez que c'est précisément le contraire du comportement du condensateur, où le stockage d'énergie entraîne une augmentation de la tension aux bornes du composant ! Alors que les condensateurs stockent leur charge énergétique en maintenant une tension statique, les inducteurs maintiennent leur « charge » énergétique en maintenant un courant constant à travers la bobine.

Le type de matériau autour duquel le fil est enroulé a un impact considérable sur la force du flux de champ magnétique (et donc sur la quantité d'énergie stockée) généré pour une quantité donnée de courant à travers la bobine. Les noyaux de bobine en matériaux ferromagnétiques (tels que le fer doux) encourageront le développement de flux de champ plus forts avec une force de champ donnée que les substances non magnétiques telles que l'aluminium ou l'air.

Qu'est-ce que l'inductance ?

La mesure de la capacité d'un inducteur à stocker de l'énergie pour une quantité donnée de flux de courant est appelée inductance . Sans surprise, l'inductance est également une mesure de l'intensité de l'opposition aux changements de courant (exactement combien de tension auto-induite sera produite pour un taux de changement de courant donné). L'inductance est symboliquement désignée par un « L » majuscule et est mesurée dans l'unité de Henry, abrégée en « H ».

Choke Vs. Inducteur

Un nom obsolète pour un inducteur est choke , appelé ainsi en raison de son utilisation courante pour bloquer (« étouffer ») les signaux CA haute fréquence dans les circuits radio. Un autre nom pour un inducteur, encore utilisé dans les temps modernes, est réacteur , en particulier lorsqu'il est utilisé dans des applications de grande puissance. Ces deux noms auront plus de sens après avoir étudié la théorie des circuits à courant alternatif (AC), et en particulier un principe connu sous le nom de réactance inductive .

AVIS :

• Les inducteurs réagissent contre les changements de courant en faisant chuter la tension dans la polarité nécessaire pour s'opposer au changement.
• Lorsqu'une inductance est confrontée à un courant croissant, elle agit comme une charge :créant une tension car elle absorbe de l'énergie (positive du côté de l'entrée du courant et négative du côté de la sortie du courant, comme une résistance).
• Lorsqu'une inductance est confrontée à un courant décroissant, elle agit comme une source :elle crée une tension en libérant de l'énergie stockée (négative côté entrée de courant et positive côté sortie de courant, comme une batterie).
• La capacité d'un inducteur à stocker de l'énergie sous forme de champ magnétique (et par conséquent à s'opposer aux changements de courant) est appelée inductance . Il est mesuré dans l'unité de Henry (H).
• Les inducteurs étaient connus sous un autre terme :choke . Dans les applications à haute puissance, ils sont parfois appelés réacteurs .

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail d'inductance