Seconde expérience à interpréter

[invitee1274303]

Bonsoir, en désespoir de cause voici ma seconde expérience : matériel, on a un tube en cuivre de 30 cm de long, diamètre 1 cm, un aimant néodyme cylindrique (diamètre 0,5 cm et longueur 3 cm) et un chronomètre.
expérience : on fait tomber l'aimant de sa hauteur stature debout (on va dire 1m80) et (de préférence) on chronomètre sa chute. Maintenant on tient le tube de cuivre verticalement devant soi en étant toujours debout, on fait tomber l'aimant dans le tube, et on chronomètre sa chute jusqu'à ce qu'il touche le sol (donc après avoir traversé le tube)
mesures : avec tube, la chute de l'aimant est plus longue, plus courte ou c'est pareil (grosso modo) que la chute libre étalon.

C'est vraiment une expérience pas cher et hyper facile à reproduire, il n'y a pas de piège, sauf peut-être dans l'interprétation (j'y reviendrai).

Merci de votre participation.
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[phuphus]

Bonsoir,

a voté !

Ceci dit, il manque "la" bonne réponse : la deuxième expérience est impossible à réaliser car l'aimant s'est brisé lors de la première

[azad]

Salut…
On peut admettre que lors de son passage dans le tube, l'aimant ne touche jamais la paroi interne de ce tube.
Reste la petite remarque sibylline

c'est pareil "grosso modo"

qui ouvre la porte à n'importe quelle interprétation.
Cependant, à cause de la naissance de courants de Foucault, j'ai voté "plus long"

[LPFR]

Bonjour.
Effectivement, les courants de Foucault doivent ralentir la chute.
Mais en pratique il est peu probable qu'on arrive à mesurer le ralentissement avec un chronomètre à la main. Car les forces sont faibles comparées au poids de l'aimant et difficiles à distinguer des frottements contre les parois.

Pour montrer cet effet il est plus intéressant de faire tomber un léger anneau en aluminium autour d'un aimant.
Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitecaafce96]

Bonjour,
Expérience bien connue du Palais de la Découverte :

http://www.palais-decouverte.fr/file...8_p32-33_w.pdf

[stefjm]

Effectivement, les courants de Foucault doivent ralentir la chute.
Mais en pratique il est peu probable qu'on arrive à mesurer le ralentissement avec un chronomètre à la main. Car les forces sont faibles comparées au poids de l'aimant et difficiles à distinguer des frottements contre les parois.

Bonjour LPFR,
Comme j'avais l'intuition contraire à vous, je me suis fais une petite recherche :

 Cliquez pour afficher

Çà n'a pas l'air d'être un faux. (fake)
Cordialement.

[curieuxdenature]

Bonjour

j'ai fait l'expérience de la feuille d'alu posée sur l'eau, en passant un aimant puissant au dessus, le morceau d'alu est entrainé dans la direction de l'aimant.
C'est faible mais net.

[stefjm]

C'est le principe de la machine asynchrone (ou à induction).

Edit: d'ailleurs, à ce propos : http://forums.futura-sciences.com/ph...ml#post4780625

[invitee1274303]

Bonjour, désolé du retard (j'ai un peu de mal), c'est cool on semble d'accord.
@phuphus : C'était normal c'est une brisure de symétrie !
Bon stop la déconne. J'en étais arrivé à la conclusion du Palais de la Découverte (yes catmandou).
Interprétation (sous forme de questions) : bon on a des courants de Foucault induis qui induisent une réaction magnétique opposée au champ de l'aimant se qui freine sa chute et annule l'accélération de pesanteur. Alors peut-on récupérer les courants de Foucault, ou bien ce sont des pertes nettes ? Dans le lien donné par catmandou, il parle de freinage "électromagnétique" (est-ce un abus de langage ?) car on devrait dire magnétodynamique, il n'y a pas déséquilibre de charges donc de champ E (enfin il me semble ?). Si on prend le tube de Cu fendu sur sa longueur, peut-on mesurer une tension entre les côtés de la fente pendant le passage de l'aimant ? Obtiendrait-on le même genre de phénomène avec un aimant non conducteur (avec des ferrites merci LPFR, le problème est qu'ils sont beaucoup moins puissants ?) ?

Ce sera tout ? oh oui !

[invitecaafce96]

Re,
Perdus ou pas, il y a des situations où les courants de Foucault sont bien utiles ...

http://fr.telma.com/
http://fr.telma.com/produits/fonctionnement

[LPFR]

...Si on prend le tube de Cu fendu sur sa longueur, peut-on mesurer une tension entre les côtés de la fente pendant le passage de l'aimant ? Obtiendrait-on le même genre de phénomène avec un aimant non conducteur (avec des ferrites merci LPFR, le problème est qu'ils sont beaucoup moins puissants ?) ?

Ce sera tout ? oh oui !

Bonjour.
Oui. On doit pouvoir mesurer la tension induite sur les bords de la coupure du tube. Il faut un oscilloscope assez sensible, car la tension induite avec un aimant de 1T et de 2 cm de diamètre sera de l'ordre du mV pour un passage en 0,1 s.
Avec un aimant en ferrite le phénomène sera le même mais, comme vous l'avez prévu, il sera plus faible car le champ des ferrites est bien plus faible que celui des aimants au néodyme. Le fait que l'aimant soit conducteur ou non ne joue pas.
Au revoir.

[phuphus]

Bonjour à tous,

Dans le PDF du palais de la découverte, ils parlent juste d'un mouvement rectiligne uniforme "dès le début de la chute". Les forces résistives dues aux courants de Foucault sont proportionnelles à la vitesse, il me semble, donc on a juste un terme d'amortissement qui fait que la vitesse limite est atteinte plus vite. Mais l'accélération n'est pas "annulée".

Maintenant, la question que je me pose, c'est quelle est la proportion entre l'effet Joule dû aux courants de Foucault (car cela joue dans le freinage) et la réaction par loi de modération ?

[Pio2001]

Bonjour,
Un bilan énergétique devrait permettre d'y voir clair. La seule source d'énergie est la pesanteur, et la seule énergie produite est la chaleur.

Si on atteint un état stationnaire, où la vitesse de la chute est constante, alors la chaleur produite par effet joule, en watts, doit être égale à la perte d'énergie potentielle de pesanteur m.G.h/t de l'aimant (m = masse, G = constante de gravitation, h = hauteur de chute, t = temps).

[stefjm]

Maintenant, la question que je me pose, c'est quelle est la proportion entre l'effet Joule dû aux courants de Foucault (car cela joue dans le freinage) et la réaction par loi de modération ?

C'est bizarre comme question : C'est la loi de modération qui induit un courant qui fait chauffer...

On peut bien dire que l'accélération de la pesanteur est annulé par la réaction : on se retrouve en régime stationnaire, à vitesse constante. (avec somme des forces =0)

C'est l'équivalent d'un moteur électrique qui convertit de l'énergie cinétique (elle même obtenue mécaniquement par perte d'énergie potentielle) en énergie électrique.

Sauf qu'ici, plutôt que de charger une batterie ou réutiliser plus loin l'électricité produite, on laisse chauffer directement le cuivre.

Cordialement.

[phuphus]

Bonjour,

OK pour stefjm et Pio2001. Je suis bien d'accord avec vous que par un bilan énergétique, tout finit en chaleur.

Petit aparté : ma définition du sens physique est duale. J'entends par "sens" non pas la signification des choses, mais plutôt quelque chose qui se rapprocherait d'un sens au même titre que la vue ou l'odorat. Pour moi, le "sens physique" est donc la capacité qu'a quelqu'un à pouvoir appréhender l'évolution d'un système. Je dis que ma définition est duale, car de manière très simpliste (presque manichéenne), j'aime bien ne retenir que 2 mécanismes dans ce sens physique :
- le câblage du cerveau, obtenu par expérience, et qui va par exemple faire qu'un joueur de pétanque n'a aucun besoin de connaître les lois de Newton
- les bases théoriques, sur lesquelles on va se reposer pour appréhender un phénomène non connu à priori. Dans ce cas, il s'agit d'une estimation rapide et sans autre outil que notre propre réflexion. Dès qu'on sort un stylo ou un ordi, ce n'est plus du sens physique.

Ici, si j'utilise la thermo, mon "sens physique" va me dire que l'effet Joule fait tout ; ou plutôt finit par tout faire
Si je me représente le problème en termes de forces, je vois bien que la force résistante n'est pas directement liée à l'effet Joule.
Enfin, si je branlote un anneau d'alu dans un entrefer, j'ai du mal à relier mentalement la force résistante que je ressens à une dissipation en chaleur ; cela rejoint donc ma deuxième intuition.

D'où ma question, il est vrai maladroite. Puis-je donc solliciter votre aide pour voir si mes intuitions contradictoires peuvent être fructueuses, ou si au contraire c'est juste de la masturbation intellectuelle ? (deux mots du même champ lexical en deux phrases, heureusement que je n'accorde que peu de crédit à la psychanalyse )

J'ai donc 2 questions.

Si on atteint un état stationnaire

on se retrouve en régime stationnaire, à vitesse constante

Première question : quid des transitoires ? Ou autre manière de le dire : comment correctement interpréter le phénomène dans le cas d'un tube court et d'un aimant qui n'a pas l'occasion d'atteindre sa vitesse limite ?

Et deuxième question, notre aimant passe cette fois-ci au travers d'une boucle supraconductrice, les deux étant constamment coaxiaux. Par rapport à la chute libre sans boucle, l'aimant est-il ralenti / non affecté / accéléré ?

@ polmichet : je crois que l'interprétation du phénomène sera encore un peu plus subtile que prévu.

[stefjm]

OK pour stefjm et Pio2001. Je suis bien d'accord avec vous que par un bilan énergétique, tout finit en chaleur.

Ici oui, mais ce n'est pas toujours le cas.
L'aimant qui descent induit un courant dans le tube : C'est le principe d'une génératrice asynchrone (déplacement d'un champ tournant devant de la ferraille qui est alors parcourue par un courant qu'on peut récupérer, par exemple pour charger une batterie.
Ici, ce courant circule dans la spire en CC et l'énergie électrique finit directe en thermique.

Petit aparté : ma définition du sens physique est duale. J'entends par "sens" non pas la signification des choses, mais plutôt quelque chose qui se rapprocherait d'un sens au même titre que la vue ou l'odorat. Pour moi, le "sens physique" est donc la capacité qu'a quelqu'un à pouvoir appréhender l'évolution d'un système. Je dis que ma définition est duale, car de manière très simpliste (presque manichéenne), j'aime bien ne retenir que 2 mécanismes dans ce sens physique :
- le câblage du cerveau, obtenu par expérience, et qui va par exemple faire qu'un joueur de pétanque n'a aucun besoin de connaître les lois de Newton
- les bases théoriques, sur lesquelles on va se reposer pour appréhender un phénomène non connu à priori. Dans ce cas, il s'agit d'une estimation rapide et sans autre outil que notre propre réflexion. Dès qu'on sort un stylo ou un ordi, ce n'est plus du sens physique.

D'après ta définition, j'ai un très bon sens physique car je suis capable de faire des calculs-modélisation de tête (comme du calcul mental) sans usage de stylo (c'est démodé) ou d'ordi.
Les BO, BF, je les intuite dans ma tête et je prédit exactement ce qu'il se passe...

Première question : quid des transitoires ? Ou autre manière de le dire : comment correctement interpréter le phénomène dans le cas d'un tube court et d'un aimant qui n'a pas l'occasion d'atteindre sa vitesse limite ?

Il y a un RL électrique, premier ordre de constante de temps L/R.
La vitesse est probablement en Vmax(1-e^(-t/tau))

Dans les premiers instants, la vitesse est en Vmax.t/tau, c'est comme une chute libre, donc peu (pas) de chauffe. (mais pas de force électromagnétique non plus, seulement le poids) Il y a transformation d'énergie potentielle en énergie cinétique.

En régime stationnaire, la force électromagnétique équilibre le poids. Comme on a une vitesse Vmax, une force travaille contre l'autre : Il y a transformation d'énergie potentielle en énergie électrique à énergie cinétique constante. (puisque Vmax constante)

Et deuxième question, notre aimant passe cette fois-ci au travers d'une boucle supraconductrice, les deux étant constamment coaxiaux. Par rapport à la chute libre sans boucle, l'aimant est-il ralenti / non affecté / accéléré ?

Mon sens physique prédit : non affecté.
La constante de temps devient infinie, donc on est toujours "dans les premiers instants".

Dans un moteur asynchrone, la résistance rotorique ne peut jamais être complètement négligée : Elle participe obligatoirement à la modélisation car d'un point de vu électrique, on voit R/g avec g le glissement de la machine. (g=0 au synchronisme, g=1 à l'arret)

Je suis à peu près sûr qu'un moteur asynchrone à supra ne fonctionne pas. (en synchrone ou à courant continu : oui.)

Tu vois que le lien entre le moteur asynchrone et la chaleur est subtile, d'où tes bonnes interrogations.

Cordialement.

[phuphus]

Bonsoir,

En régime stationnaire, la force électromagnétique équilibre le poids. Comme on a une vitesse Vmax, une force travaille contre l'autre : Il y a transformation d'énergie potentielle en énergie électrique à énergie cinétique constante. (puisque Vmax constante)

C'est justement cela qui me turlupine : si j'étais capable de dériver la force électromag directement de l'effet Joule, alors je verrais directement le lien entre les deux et mes visions thermo et force seraient en accord. Tout irait bien, et cela ne serait qu'un choix d'angle d'attaque pour résoudre le problème. Mais mes deux visions ne s'accordent pas...

Pour ce qui est de la boucle supraconductrice, voilà ce que je m'en fais comme idée :

Phase 1 : Lorsque l'aimant commence à accélérer, il induit un courant dans la spire qui se transforme alors en électro-aimant, s'opposant à l'accélération de l'aimant. On supposera que les masses et champs de cet aimant sont tels qu'il arrive à traverser la spire.
Lorsque le plan médian de l'aimant arrive au niveau de la spire, il a transféré une partie de son énergie cinétique à la spire, qui la stocke sous forme d'énergie magnétique 1/2.L.i^2.
Phase 2 : Dès que le plan médian de l'aimant passe la spire, cette dernière se comporte en moteur et propulse l'aimant. En contrepartie, elle se retrouve dans un flux inverse de la part de l'aimant, ce qui bouffe le courant emmagasiné.
Phase 3 : Au moment où le courant dans la spire devient nul, cette dernière est toujours dans le champ de l'aimant, et le courant s'inverse par rapport aux phases 1 et 2. La spire emmagasine de nouveau de l'énergie magnétique et freine l'aimant.
Si on ne passe pas le point de courant nul dans la spire, alors celle-ci n'a pas restitué toute l'énergie stockée pendant la première phase, et donc encore une fois l'aimant est freiné par rapport au cas chute libre.

Dans les deux cas, l'aimant est freiné.

Prenons maintenant une spire résistive. la dissipation par effet Joule va faire que la spire freine moins l'aimant pendant la phase 1, et va aussi faire que l'aimant n'est pas autant accéléré pendant la phase 2 (bien sûr, les constantes de temps en jeu vont sûrement faire qu'à la transition entre la phase 1 et la phase 2, toute l'énergie cédée par l'aimant pendant la phase 1 sera déjà dissipée), et aussi que la phase 3 commence plus tôt. Par contre, la phase 3 est moins "freinante" dans le cas spire résistive.

Je peux donc maintenant reformuler ma question : quel est le ratio entre effet Joule total dans le cas de la spire résistive et énergie magnétique stockée à la fin de la phase 3 dans le cas spire supraconductrice ?

Dans un moteur asynchrone, la résistance rotorique ne peut jamais être complètement négligée : Elle participe obligatoirement à la modélisation car d'un point de vu électrique, on voit R/g avec g le glissement de la machine. (g=0 au synchronisme, g=1 à l'arret)

Je suis à peu près sûr qu'un moteur asynchrone à supra ne fonctionne pas. (en synchrone ou à courant continu : oui.)

Tu vois que le lien entre le moteur asynchrone et la chaleur est subtile, d'où tes bonnes interrogations.

Merci beaucoup pour cette analogie intéressante ! Mais pour pouvoir la suivre, va falloir que je révise un peu (ça ne me fera pas de mal )

[stefjm]

C'est justement cela qui me turlupine : si j'étais capable de dériver la force électromag directement de l'effet Joule, alors je verrais directement le lien entre les deux et mes visions thermo et force seraient en accord. Tout irait bien, et cela ne serait qu'un choix d'angle d'attaque pour résoudre le problème. Mais mes deux visions ne s'accordent pas...

En électricité, l'effet Joule n'est qu'une conversion d'énergie électrique vers une énergie thermique : On a alors courant et tension en phase aux bornes de la résistance.
Mais ce n'est pas le seul cas, en particulier, il y a aussi le cas des sources (de tension ou de courant) qui elles aussi convertissent de l'énergie électrique en énergie chimique (batterie) , mécanique (moteur) et ce de façon réversible.

Il me semble que si on prenait un tube fendu qu'on branche à une source de tension en série avec une diode en inverse (pour éviter que la baterie ne se décharge dans le tube et le fasse chauffer pour rien!), on obtiendrait la récupération de l'énergie mécanique de la chute de l'aimant sous forme électrique, puis chimique.

Dans ce cas parfait, plus de themo et d'éffet Joule.

Je peux donc maintenant reformuler ma question : quel est le ratio entre effet Joule total dans le cas de la spire résistive et énergie magnétique stockée à la fin de la phase 3 dans le cas spire supraconductrice ?

Il va falloir que j'y réfléchisse. Je n'ai pas tout suivi.

Merci beaucoup pour cette analogie intéressante ! Mais pour pouvoir la suivre, va falloir que je révise un peu (ça ne me fera pas de mal )

C'est beaucoup plus qu'une analogie : c'est un générateur à induction. (linéaire au lieu d'être rotatif, mais c'est pareil.)

[stefjm]

Merci beaucoup pour cette analogie intéressante ! Mais pour pouvoir la suivre, va falloir que je révise un peu (ça ne me fera pas de mal )

Bonjour phuphus,
J'ai décrit le modèle d'un moteur asynchrone ici :
http://forums.futura-sciences.com/el...ml#post4799333

Il y a forcément une part de l'énergie qui est perdue par effet Joule :
La résistance rotor vue du stator se décompose en



fait de l'effet Joule quelque soit le glissement.
convertit la puissance électrique en puissance mécanique ou le contraire.

Pour un moteur ou générateur rotatif, g varie
de 0 (synchronisme, f secondaire =0, vitesse de rotation = à celle du champ primaire)
à 1 (rotor arrêté)
ou à -1 (rotor qui va à deux fois à l'envers, encore une petite fréquence négative... )

D'ailleurs, en rapport avec ce post (désolé pour la pub, j'ai pas mal causé de moteur asynchrone ces temps ci...)
http://forums.futura-sciences.com/ph...synchrone.html
Je me demande s'il ne faudrait pas mettre un condensateur aux bornes du tuyau fendu pour avoir une bonne auto excitation du truc.

Appel aux vrais physiciens...

Cordialement.

[stefjm]

Bonjour,
Dans le cas de ce générateur linéaire, je me demande un peu quand même où est le synchronisme? (équivalent du moteur à vide avec courant secondaire induit nul)
Un avis de physicien pour savoir si ma comparaison avec le moteur asynchrone est correcte ou à l'ouest?
Cordialement.

[phuphus]

Bonsoir,

Il me semble que si on prenait un tube fendu qu'on branche à une source de tension en série avec une diode en inverse (pour éviter que la baterie ne se décharge dans le tube et le fasse chauffer pour rien!), on obtiendrait la récupération de l'énergie mécanique de la chute de l'aimant sous forme électrique, puis chimique.

Ce serait donc la version à une spire de ça :

http://www.zone-ecolo.com/lampe-dynamo.php

Je me demande s'il ne faudrait pas mettre un condensateur aux bornes du tuyau fendu pour avoir une bonne auto excitation du truc.

Je suppose que le condo, c'est pour faire un oscillateur LC au stator à la fréquence de synchronisme voulue ? Je ne pense pas qu'on ait intérêt à avoir des oscillations dans le cas linéaire. On pourrait utiliser ce condo en temps que batterie à charger, mais la tension aux bornes du condo équilibrerait assez rapidement la fem produite par l'aimant (sauf aimant très lourd ??)

Dans le cas de ce générateur linéaire, je me demande un peu quand même où est le synchronisme? (équivalent du moteur à vide avec courant secondaire induit nul)

Le synchronisme, c'est quand l'aimant et le tube tombent à la même vitesse, non ? En clair, quand l'aimant lévite

Mon humble avis : la comparaison avec le moteur asynchrone utilisé en générateur est OK dans le cas que tu as évoqué d'un tube fendu relié à une batterie. A un détail près : ce n'est pas la charge mécanique qui est vue comme un élément résistif supplémentaire, mais directement le dispositif relié au tube fendu.

Pour le reste, je ne pense pas que réfléchir sur un moteur asynchrone nous aide à vraiment comprendre le rôle de l'effet Joule dans le freinage de l'aimant. Pour que le parallèle soit un peu plus valide, il faudrait que la phase 3 que j'ai décrite pour la spire supra n'existe pas, je pense. Donc mettre plusieurs aimants les uns à la suite des autres.

Autre manière de le dire : dans la page wiki, partie modèle, lorsque les flux sont décrits on utilise les inductances mutuelles pour se ramener à un équivalent monophasé. Ces inductances mutuelles, c'est ce qui fait qu'on dégage l'influence d'un pôle rotorique lorsque celui-ci est passé dans la zone d'influence de l'enroulement statorique suivant. Or, dans le cas du tube, il n'y a pas de "suivant".

Un petit espoir tout de même, le schéma équivalent ici :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Machine...3.A9n.C3.A9ral

ressemble méchamment à ça (premier schéma sur la page) :
http://www.klippel.de/measurements/t...arameters.html

Ce dernier schéma, c'est plutôt un "tube à plusieurs spires" (bobine...) qui bouge autour d'un aimant. Par contre, la bobine en question est ouverte : c'est du tube fendu.

Je suis à peu près sûr qu'un moteur asynchrone à supra ne fonctionne pas. (en synchrone ou à courant continu : oui.)

S'il est chargé, alors la charge intervient en tant que résistance rotorique, donc ça devrait être OK. Je pense qu'il y aura juste quelques subtilités de démarrage et de freinage, mais pas plus ??

J'avais déjà fait des calculs sur un haut-parleur à bobine supraconductrice (CF schéma donné en lien plus haut : c'est celui d'un HP ; c'est pour ça que je me permets de faire cette comparaison), et la conclusion c'était qu'il fallait changer les amplis car sinon, la bobine étant en court-circuit aux bornes de l'ampli, l'amortissement du HP devenait infini et l'empêchait de fonctionner. Mais que au voisinage de sa fréquence de résonance. Un tel HP commandé en courant et non en tension fonctionnait par contre très bien.

[phuphus]

Re,

le problème se ramène donc à expliciter le rôle de l'effet Joule dans le freinage de l'aimant. Nous sommes tous d'accord pour dire que l'énergie potentielle perdue par l'aimant, moins son énergie cinétique en fin de course, c'est la chaleur dégagée par effet Joule dans le tube. Ce que je ne vois pas pour l'instant, c'est la différence de comportement entre tube supraconducteur et tube résistif.

L'exemple de la spire ne permet pas vraiment d'appréhender ce qui se passerait avec plein de spires infiniment rapprochées. Je crois que l'étape suivante, ça va être des maths

@ Polmichet : tu suis toujours ?

[invitee1274303]

@ Polmichet : tu suis toujours ?

Oui oui ! Je réfléchis (je pense comprendre en partie vos points stefjm et toi) bon et pour le moment le seul truc à ajouter : le synchronisme dans le cas linéaire c'est de lâcher d'une même hauteur le tube et l'aimant dedans (on imagine qu'on est dans le vide) le système est en chute libre. Enfin si je comprends bien ce que tu veux dire par l'aimant lévite ? Ou alors c'est comme un aimant qui lévite au dessus d'un supra ? ça me fait penser à ça : http://www.supermagnete.de/fre/Utili...n-d-une-toupie la toupie magnétique lévitation sans supra !

Bref dans tout ça, c'est des histoire de régime (stationnaire/transitoire) et d'accélération ? Bonne nuit suis claqué

[invitee1274303]

Bonsoir, désolé pour le post #23, j'étais crevé ...