Pourquoi une inductance crée une tension qui s'oppose au variation de courant

[Albert-cosmoff]

bonjour a tous,

voila, je n'arrive pas du tout a comprendre l'effet physique qui fait que la bobine a une tension a ses bornes lorsqu'on lui met un courant. je précise que la formule v=Ldi/dt je la connais bien et oui elle démontre bien ce qui se passe mais c'est le phénomène physique qui m’intéresse.

si on prend une circuit simple: une source de tension, un interrupteur et une bobine branché en série.

on remarque que le courant est une belle exponentiel se stabilisant en 5*taux du a la tension de la bobine qui va petit a petit diminuer.

quand on ferme l'interrupteur, les électrons dans les atomes de cuivre vont "s’aligner" et vu que la bobine est une succession de spires il y a donc une grande concentrée d’électron qui s’aligne d'un coup se qui crée une ddp ?

je dois dire probablement n'importe quoi mais j'aimerais des éclaircissements

merci d'avance
-----

[stefjm]

De la même façon qu'une masse s'oppose au variation de vitesse sous une accélération constante, une bobine s'oppose au variation de courant sous tension constante.
C'est exactement le même modèle.

La création d'un champ magnétique associé au courant emmagasine de l'énergie magnétique dans la bobine, de la même façon que la masse emmagasine de l'énergie cinétique lorsqu'elle est animée d'une vitesse.

[LPFR]

Bonjour.
Une bobine crée un champ magnétique, et un flux magnétique qui est entouré par les spires de la bobine.
Les variations du camp magnétique donnent une variation du flux magnétique entouré par les spires et cette variation du flux induit la tension dont on parle.
C’est la loi de Faraday : V = N dΦ/dt
Pour un même courant, le camp et donc le flux est (en gros) proportionnel au nombre N de spires.
Et la tension induite est proportionnelle aux variations du flux. Donc, pour une variation de courant, la tension induite est proportionnelle au carré du nombre de spires.

La conclusion est qu’une bobine n’est pas seulement un tas de spires en série, car le champ produit par chaque spire fait passer du flux dans les autres aussi.

Il s’avère que le signe de la tension induite tend à s’opposer aux variations du courant (règle de Lenz (et non loi de Lenz)). Et c’est heureux, car si c’était l’inverse, le courant augmenterait indéfiniment dans une bobine court-circuitée, ce qui poserait des problèmes avec la conservation de l’énergie.
Au revoir.

[soliris]

De la même façon qu'une masse s'oppose au variation de vitesse sous une accélération constante, une bobine s'oppose au variation de courant sous tension constante.
C'est exactement le même modèle.

Hum ! je ne suis qu'un néophyte qui s'amuse avec l'analyse dimensionnelle: "une bobine s'oppose aux variations de courant sous tension constante", certes, mais pour faire une comparaison avec la masse, il faudrait plutôt parler d'un "débit de masse" local, parce qu'un courant est un "débit de charge" local.
Votre exemple devrait donc se replacer comme suit : "De la même façon qu'un débit de masse s'oppose localement à une variation de vitesse constante, une bobine s'oppose localement à la variation constante de courant"

Tout cela devient difficile à comprendre, dans ce contexte. Non ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[stefjm]

masse pour inductance
vitesse pour courant
accélération pour tension

Peut importe ce qu'est un courant...

[coussin]

L'élément hydrodynamique équivalent d'une bobine est une roue avec des pales. Ce modèle est là pour insister sur le fait que cet élément possède une "inertie" : faut du temps, y a un régime transitoire, quand on établit ou coupe le courant.
C'est le lien avec les systèmes de masses dont parlent stefjm et soliris : l'inertie.

[Coccinelleamoustaches]

Hum ! je ne suis qu'un néophyte qui s'amuse avec l'analyse dimensionnelle

L'analyse dimensionnelle n'a pas de sens pour évaluer cette analogie. Il est évident que les grandeurs concernées n'auront pas les même dimensions puisqu'on n'étudie pas les mêmes objets. Ce que propose stefjm c'est une analogie sur le rôle phénoménologique de ces grandeurs (rôle inertiel en l’occurrence)
et puis tu te mélanges et tu n'adresses pas les bonnes grandeurs. C'est l'inductance qui fait le parallèle avec la masse, pas le courant... le courant serait le parallèle de la vitesse ici.

EDIT : je n'avais pas vu que coussin et stefjm avaient répondu avant moi ^^

[soliris]

masse pour inductance
vitesse pour courant
accélération pour tension

Excusez-moi si j'émet encore une ânerie, mais la formule ne donne-t-elle pas une force plutôt qu'une accélération ? Est-ce qu'il y a un raccourci habituel que je ne connais pas ?

[bachir1994]

Bonjour,
T'a raison mdv/dt à la dimention d'une force, et dv/dt d'une accélération.
je suis trés curieux de lire le comentaire de Stefjm, qui est loin d'être néophyte.
A+

[bachir1994]

Bonjour.
le courant augmenterait indéfiniment dans une bobine court-circuitée, ce qui poserait des problèmes avec la conservation de l’énergie.
Au revoir.

Bonjour,
Je suis tout à fait d'accord que dans la question posée par Albert-cosmoff le "pourquoi" doit être remplacé par le "comment".
mais la réponse fournie par rapport à la loi de la conservation de l'énergie est un peut philosophique, et ca explique le pourquoi au lieu du comment.
et cette réaction est admise et même postuler par Newton dans : sa troisième loi (action/réaction) aussi connue sous le nom de principe des actions réciproques. Elle s'énonce ainsi:
"Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'égale intensité, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B."
là il parle bien entendu du mouvement et de l'inertie et on peut se permettre de l'étendre aux autres phénomène physique.
A+

[stefjm]

Excusez-moi si j'émet encore une ânerie, mais la formule ne donne-t-elle pas une force plutôt qu'une accélération ? Est-ce qu'il y a un raccourci habituel que je ne connais pas ?

L'ânerie est de mon coté.
C'est bien une force qui provoque une variation de vitesse pour une masse donnée.

Bonjour,
T'a raison mdv/dt à la dimention d'une force, et dv/dt d'une accélération.
je suis trés curieux de lire le comentaire de Stefjm, qui est loin d'être néophyte.
A+

Pas néophyte mais qui écrit quand même parfois des bêtises...

Mes excuses si ma boulette a perturbé.

[stefjm]

Il s’avère que le signe de la tension induite tend à s’opposer aux variations du courant (règle de Lenz (et non loi de Lenz)). Et c’est heureux, car si c’était l’inverse, le courant augmenterait indéfiniment dans une bobine court-circuitée, ce qui poserait des problèmes avec la conservation de l’énergie.

Il y a derrière ce signe une notion très forte de stabilité : Cela s'oppose, réponse en e^(-t), convergente vers 0. Cela ne s'oppose pas, réponse en e^(+t) divergence à l'infini.

[cosmoff]

On peut répondre à la question de maniere tres simple :
la variation d'un champ magnétique sur une bobine ou meme un fil crée une tension qui va déplacer les électrons, c'est comme ca qu'on crée de l'électricité. Et la variation d'un courant dans un fil fait varier le champ magnétique. Si tu es d'accord avec ca le reste est facile :

Quand tu alimentes un circuit, le courant ne va pas atteindre directement son courant maximal, le courant va "monter petit à petit". Cette variation de courant va faire varier le champ magnétique dans le fil. Et comme tu le sais, la variation d'un champ magnétique crée une tension (création d'électricité). On a donc bien une tension

[soliris]

On peut répondre à la question de maniere tres simple :
.. Et comme tu le sais, la variation d'un champ magnétique crée une tension (création d'électricité). On a donc bien une tension

Maintenant tu ne t'intéresses plus au "pourquoi", Cosmoff ? Dommage.
Car le lien entre magnétisme et électricité n'est toujours pas établi; peut-être un jour quelqu'un viendra avec un modèle qui expliquera exactement pourquoi il y a "2 faces sur cette même pièce".

[coussin]

Car le lien entre magnétisme et électricité n'est toujours pas établi; peut-être un jour quelqu'un viendra avec un modèle qui expliquera exactement pourquoi il y a "2 faces sur cette même pièce".

Bah oui, le magnétisme c'est un des plus grands secrets de notre temps hein...

[mach3]

Maintenant tu ne t'intéresses plus au "pourquoi", Cosmoff ? Dommage.
Car le lien entre magnétisme et électricité n'est toujours pas établi; peut-être un jour quelqu'un viendra avec un modèle qui expliquera exactement pourquoi il y a "2 faces sur cette même pièce".

ben si, c'est la relativité restreinte. Si vous avez un champ dû à une charge (pas forcément électrique, c'est général), il vient automatiquement avec un champ dû aux mouvements des charges, pour respecter la covariance (du coup ces deux champs sont inclus dans un "machin" plus général, un tenseur). D'ailleurs si on construit, à partir de rien, le champ d'interaction le plus simple possible dans le cadre de la RR, on obtient quelque chose qui s'identifie à l’électromagnétisme.

m@ch3

[stefjm]

@ mach3
Y compris la masse considérée comme charge de l'interaction gravitationnelle?

[bachir1994]

On peut répondre à la question de maniere tres simple :
la variation d'un champ magnétique sur une bobine ou meme un fil crée une tension qui va déplacer les électrons, c'est comme ca qu'on crée de l'électricité. Et la variation d'un courant dans un fil fait varier le champ magnétique. tension

Bonjour,
il faut rajouter au mot tension, en dernier, qu'elle est de signe contraire à la première c'est la réaction au phénomène initial qui à donner naissance au deuxième (Lenz).
A+

[bachir1994]

Quand tu alimentes un circuit, le courant ne va pas atteindre directement son courant maximal, le courant va "monter petit à petit". Cette variation de courant va faire varier le champ magnétique dans le fil. Et comme tu le sais, la variation d'un champ magnétique crée une tension (création d'électricité). On a donc bien une tension

Et c'est pour cela qu'on fait analogie avec les mouvement inertiel, ou il y' a toujours de l'inertie qui nous empêche d’atteindre instantanément une vitesse donnée.
A+

[bachir1994]

Maintenant tu ne t'intéresses plus au "pourquoi", Cosmoff ? Dommage.
Car le lien entre magnétisme et électricité n'est toujours pas établi; peut-être un jour quelqu'un viendra avec un modèle qui expliquera exactement pourquoi il y a "2 faces sur cette même pièce".

Bonjour,
Je pense que pour expliquer cette dualité, électricité-magnétisme, il faut sortir du cadre de la physique classique et entrer dans la physique relativiste, je ne peut malheureusement en dire plus car je suis moi même dans un terrain miné !
une discussion récente abordant ce sujet :
http://forums.futura-sciences.com/ph...elativite.html
A+

[mach3]

@ mach3
Y compris la masse considérée comme charge de l'interaction gravitationnelle?

oui, d'où le fait que la gravitation newtonnienne est incompatible avec la RR (c'est pas seulement parce c'est instantané) et qu'il a fallu passer à la RG. Mais pour la gravitation une source vectorielle (analogue au 4-vecteur densité de courant) et un champ d'interaction tensoriel de rang 2 (analogue au tenseur de faraday) ne suffisent pas * (c'est le gravitomagnetisme) bien qu'étant une approximation pas trop mauvaise en champ faible, il faut une source tensorielle de rang 2 (le fameux tenseur energie impulsion) et un champ d'interaction tensoriel de rang 4 (le tenseur de courbure), ce qui nous donne la RG

m@ch3

* : je n'ai pas encore compris pourquoi le gravitomagnetisme ne suffit pas, c'est peut-être lié à la non additivité de la masse, ce qui la différencie fortement de la charge électrique... C'est au programme de mes études autodidactes mais il faudra attendre quelques mois ou années

[yvon l]

bonjour a tous,

voila, je n'arrive pas du tout a comprendre l'effet physique qui fait que la bobine a une tension a ses bornes lorsqu'on lui met un courant. je précise que la formule v=Ldi/dt je la connais bien et oui elle démontre bien ce qui se passe mais c'est le phénomène physique qui m’intéresse.
...
je dois dire probablement n'importe quoi mais j'aimerais des éclaircissements

merci d'avance

Pour faire simple… une comparaison...
Le courant électrique est un déplacement de charges (électrons) qui a une masse propre (masse de l’électron). Un peu comme un courant d’eau dans une conduite. Si ce courant varie, l’inertie va induire une force qui s’oppose à cette variation. Dans le cas de l’eau, c’est une force mécanique qui s’oppose soit à l’augmentation de vitesse en freinant la rapidité de l’augmentation, soit qui essaye d’empêcher la diminution dans le cas de diminution du courant. Dans le cas du courant électrique, c’est la tension (force électromotrice)(dite induite) qui fait office de force (électrique) agissant sur le courant d’électrons.
On peut aussi raisonner en terme d’énergie. L’énergie cinétique des courants (eau ou électrons) varie si les courants varient. Cette énergie se transforme en énergie potentielle et ou en énergie thermique . Et cela ne peut pas se faire instantanément.

[mach3]

Le courant électrique est un déplacement de charges (électrons) qui a une masse propre (masse de l’électron).

la masse de l'électron a-t-elle vraiment quelque chose à voir avec l'inductance?

m@ch3

[yvon l]

la masse de l'électron a-t-elle vraiment quelque chose à voir avec l'inductance?

m@ch3

Je ne sais pas, mais une charge électrique (massique) est accélérée par un champ créé par une ddp

[LPFR]

Pour faire simple… une comparaison...
Le courant électrique est un déplacement de charges (électrons) qui a une masse propre (masse de l’électron). Un peu comme un courant d’eau dans une conduite. Si ce courant varie, l’inertie va induire une force qui s’oppose à cette variation. Dans le cas de l’eau, c’est une force mécanique qui s’oppose soit à l’augmentation de vitesse en freinant la rapidité de l’augmentation, soit qui essaye d’empêcher la diminution dans le cas de diminution du courant. Dans le cas du courant électrique, c’est la tension (force électromotrice)(dite induite) qui fait office de force (électrique) agissant sur le courant d’électrons.
On peut aussi raisonner en terme d’énergie. L’énergie cinétique des courants (eau ou électrons) varie si les courants varient. Cette énergie se transforme en énergie potentielle et ou en énergie thermique . Et cela ne peut pas se faire instantanément.

Je ne sais pas, mais une charge électrique (massique) est accélérée par un champ créé par une ddp

Bonjour.
L’effet d’inertie des électrons existe. Mais il n’a rien à voir avec l’inductance et ses effets sont plusieurs ordres de grandeurs plus faibles. Mais c’est une des multiples méthodes utilisées pour mesurer le rapport e/m. On fait tourner une bobine de 20 000 tours à des milliers de tours par minute. Les deux extrémités de la bobine sont branchées à des contacts tournants, lesquels étaient branchés (à l’époque) sur un galvanomètre balistique. En arrêtant rapidement la rotation de la bobine, l’inertie des électrons les fait induire un courant. De la lecture du galva, on déduisait e/m.
Au revoir.

[mach3]

On fait tourner une bobine de 20 000 tours à des milliers de tours par minute. Les deux extrémités de la bobine sont branchées à des contacts tournants, lesquels étaient branchés (à l’époque) sur un galvanomètre balistique. En arrêtant rapidement la rotation de la bobine, l’inertie des électrons les fait induire un courant. De la lecture du galva, on déduisait e/m.

J'adore. ça c'est de la bonne physique expérimentale à papa comme on l'aime

m@ch3

[yvon l]

L’effet d’inertie des électrons existe. Mais il n’a rien à voir avec l’inductance et ses effets sont plusieurs ordres de grandeurs plus faibles...

Bonjour,
Ok Merci de votre réponse.
Alors serait-il abusif de parler d'énergie cinétique quand on parle de l'énergie dans une inductance W=1/2LI² ?

[LPFR]

Bonjour,
Ok Merci de votre réponse.
Alors serait-il abusif de parler d'énergie cinétique quand on parle de l'énergie dans une inductance W=1/2LI² ?

Bonjour.
Oui. Vraiment abusif.
Si vous étiez un de mes étudiants je vous aurais imposé une « punition » : calculer l’énergie d’une self avec un courant donné, et celle des électrons qui assurent ce courant. Comme inductance il faut prendre un cas simple : un solénoïde très long, avec beaucoup de spires. Et une densité d’électrons mobiles comme celle du cuivre.

Pour des courants habituels, la vitesse des électrons dans le conducteur est de l’ordre de quelques dizaines de µm/s. Pour de l’énergie cinétique ce n’est pas terrible
D’autant plus que l’énergie d’une self (inductance) se trouve dans le champ magnétique qu’elle a produit.
Au revoir.

[bachir1994]

Bonjour,
Sous contrôle des spécialistes en la matière, l'analogie de l'inertie, n'est pas vraiment une analogie, puisque dans les conducteurs les porteurs de charges ont bien une masse, et pour faire bouger cette masse il faut bien une force (champs électrique : je rentre pas dans les détails), et on peut pas le faire instantanément.
d'ailleurs on fermant un interrupteur pour alimenter une charge se trouvant à une distance considérable de l'interrupteur, c'est l’énergie qui se propage à la vitesse de la lumière mois quelque chose (on est pas dans le vide) qui va allumer la lampe d'une manière quasi instantanée et c'est pas les électrons qui transite via le contact de l'interrupteur, d'ailleurs ils ont même pas le temps de bouger de leurs place à la fréquence 50 hz, et ca c'est du à leurs inertie massique non ?.
A+

[coussin]

Bah j=sigma E. Le "temps de mise en mouvement des électrons par le champ électrique" est plus ou moins la partie imaginaire de sigma, non ?