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Peut-on prévoir les effets des courants de Foucault ?

Par Clément le 11/01/2019 Ressources > Physique-Chimie > Cours de Physique > CPGE 2 PSI > Les Courants de Foucault

Présentation

Les courants de Foucault sont des courants électriques qui se trouvent au centre d’une masse conductrice. Ces courants sont provoqués par la variation de champ magnétique extérieur qui traversent la masse ou par le déplacement de cette dernière au sein du champ.

Un pendule de Foucault est un pendule inventé par le physicien éponyme Léon Foucault. Son but était de prouver l’existence de la rotation de la Terre par rapport à un référentiel galiléen (référentiel où l’on croit à l’existence de l’inertie). Cette peut notamment s’expliquer par l’effet de la force de Coriolis.

Histoire des courants de Foucault

Ces phénomènes physiques sont notés ainsi du nom de Jean Bernard Léon Foucault. Ce physicien d’origine française, a vécu de 1819 à 1868. Récompensé par de nombreuses distinctions, c’est à lui que l’on doit l’invention du gyroscope. Il a aussi démontré que la Terre tourne sur elle même grâce au pendule de Foucault. Passionné d’astronomie, c’est aussi un domaine dans lequel il a beaucoup travaillé.

Explication de leur fonctionnement

Lorsqu’une masse conductrice est introduite dans un champ magnétique, une force électromotrice apparaît. C’est elle qui est à l’origine des courants dans la masse. Il se produit alors deux effets : la création d’un champ magnétique en opposition à la cause de variation du champ extérieur, ce qui est décrit par la loi de Lenz, et un échauffement, causé par l’effet Joule de la masse conductrice. Cet échauffement augmente plus la vitesse entre l’inducteur et la pièce conductrice est élevée.

Ces deux effets causent alors de forces de Laplace qui s’opposent au déplacement de l’énergie.

Les forces de Laplace sont des forces en électromagnétique qui sont exercées par un champ magnétique sur un conducteur traversé par un courant.

Loi de Lenz-Faraday

La loi de Lenz-Faraday est une loi physique qui explique le fonctionnement de l’induction électromagnétique. Formulée d’après les travaux de deux scientifiques célèbres : Michael Faraday et Heinrich Lenz, elle est de nos jours déduite de l’équation de Maxwell.

Équation de Maxwell

Les équations de Maxwell-Gauss, aussi connues sous le noms d’équations de Maxwell-Lorenz sont des équations fondamentales de la physique. En effet, ces sont elles qui régissent l’électromagnétisme. Elles tiennent leur nom du physicien James Clerk Maxwell d’origine écossaise. Toute sa vie il a travaillé sur les champs électriques et magnétiques et il a également contribué à l’élaboration de nombreuses lois physiques dans son domaine. Il est considéré comme l’un des scientifiques les plus influents du IXXèmesiècle.

Elle réunit sous la forme d’équations intégrales des lois déjà connues telles que celles de théorèmes de Gauss, Ampère et Faraday.

Les équation de Maxwell sont essentielles puisqu’elles démontrent qu’en régime stationnaire, les champs électrique et magnétiques sont indépendants l’un de l’autre, ce qui n’est pas nécessairement le cas lorsque l’on se trouve en régime variable. En effet, dans le cas le plus général, il faut alors parler du champ électromagnétique puisque la séparation entre l’électrique et le magnétique n’est qu’un aspect visualisé par l’Homme.

Effet Joule

L’effet Joule est la réaction thermique et le dégagement de chaleur qui provient d’une résistance électrique lorsqu’un courant électrique la traverse. Cette appellation a été donnée en référence au physicien anglais James Prescott Joule qui l’a découvert en 1840.

Applications à la vie quotidienne

Le tri des déchets avec des séparateurs à courant de Foucault permet d’isoler les éléments ferreux des non-ferreux. Les métaux étant revendus par les usines de retraitement, l’achat d’un séparateur à courants de Foucault se révèle être un investissement durable et rentable.

Automobile

Freinage et courants de Foucault

On peut utiliser la puissance des courants de Foucault afin de créer des freinages puissants. On les retrouve sur des gros engin roulants tels que des autobus, des camions équipées de lourdes remorques ainsi que sur certains trains.

Leur fonctionnement est simple : il y a deux électroaimants fixes que l’on appelle stators qui envoie des courants de Foucault dans des disques conducteurs appelés rotors.
Au moment du freinage, on met en marche les électroaimants qui génèrent des forces de Laplace par le biais des disques conducteurs. Cela crée un couple de freinage.

L’avantage de ce type de freinage est qu’il ne comporte aucune usure. En effet, là où il s’agit de courants magnétiques qui s’opposent dans le cas des freins à courants de Foucault, ce sont des disques et des plaquettes qui s’usent par frottement sur nos freins traditionnels. Cela n’empêche que les freins à courants de Foucault dégagent de la chaleur à cause de l’effet Joule.

Cependant, comme le freinage est généré par la vitesse des disques, les freins à courants de Foucault ne permettent pas un arrêt complet du véhicule et ne sont donc présents qu’en complément des systèmes de freinage classiques. Ils sont mêmes obligatoires pour certains poids-lourds qui effectuent des trajets en montagne et pour lesquels des freins à disques et plaquettes traditionnels ne feraient pas preuve d’assez d’endurance.

Contrôle de la vitesse

Dans certains véhicules qui fonctionnent avec un compteur de vitesse à aiguille, ce sont là aussi les courants de Foucault qui interviennent. Voici le fonctionnement de ce dispositif :

  • Un aimant est relié à la sortie de la boîte de vitesse du véhicule et entouré d’un tube de métal conducteur ;
  • Le tube remonte jusqu’au compteur de vitesse sur lequel est fixée une aiguille ;
  • Le tube pivote autour de son axe en étant retenu par un ressort en spirale qui est chargé de telle façon que l’aiguille soit sur 0 en position initiale ;
  • Plus la boîte de vitesse tourne vite plus la rotation du tube est forte et plus l’aiguille du conteur va s’éloigner de sa position initiale.

Brasure

On utilise les courants de Foucault pour réaliser des brasages par induction. On place alors les pièces à braser au milieu d’un champ magnétique très puissant.

Le chauffage grâce aux courants de Foucault

Votre plaque de cuisson utilise peut-être les courants de Foucault pour fonctionner et ce, sans que vous n’en ayez conscience. En effet, les plaques de cuisson à induction utilisent ce phénomène afin de faire cuire vos aliments.

On peut aussi utiliser les courants de Foucault afin de créer un chauffage à induction. Il faut alors que le milieu à chauffer soit pourvu d’éléments métalliques conducteurs d’électricité.

Pour finir, une dernière des applications des courants de Foucault en induction est celle des fours à induction utilisés dans la métallurgie. Ce sont des fours qui servent à chauffer une importante quantité de métal et ce avec des métaux qui ont des températures de fusion relativement hautes.

Les séparateurs à courant de Foucault

On peut utiliser les courants de Foucault et leurs propriétés magnétiques afin de séparer divers matériaux.

Leur application principale est dans les usines de retraitement des déchets. En effet, les séparateurs à courant de Foucault permettent de diviser les rebuts en deux parties : les éléments ferreux et les éléments non ferreux.

C’est en 1984 qu’à été inventé le premier séparateur à courant de Foucault. Hubert Juillet, un thermodynamicien français, l’a développé afin de satisfaire les besoins de l’industrie de valorisation des déchets.

Ces séparateurs fonctionnent de manière simple :

  • Les déchets sont placés sur un convoyeur en vrac ;
  • Un inducteur de champ magnétique est ajouté près du convoyeur ;
  • Un aimant permanent ou un électroaimant sont placés au dessus du convoyeur et récoltent les objets ferreux par aimantation.

On peut également régler la sensibilité du séparateur selon les caractéristiques du champ magnétique et de l’aimant. Par exemple, un électro-aimant de 1 kHz pourra attirer un morceau d’aluminium de seulement 5 mm !

Voici un tableau récapitulant les métaux attirés ou non par les séparateurs à courant de Foucault :

AttirésRepoussésIndifférents
FerAluminiumPlastique
CuivreMagnésiumPapier
NickelCarton
CupronickelsVerre
FerronickelsCéramique
Acier inoxydableSable
Cailloux

La vie domestique

Si vous utilisez encore un compteur électrique ancienne génération et que EDF ne vous l’a pas encore remplacé, alors c’est grâce au courant de Foucault que la roue pour comptabiliser vos kilowatts par heure fonctionne !

Comme vu précédemment, vous utilisez peut-être les courants de Foucault dans votre cuisine. Cependant, il est possible également qu’ils soient présents dans votre compteur électrique sans que vous n’en ayez conscience. Les anciens compteurs électriques à roue dentelée utilisent les courants de Foucault afin de comptabiliser l’électricité consommée.

Les courants de Foucault peuvent

Ils se retrouvent également dans les bobines et les dynamos. Ce sont elles qui permettent d’utiliser l’énergie produite par vos jambes pour faire tourner les roues de votre vélo afin de créer de la lumière pour vos phares.

Rappels sur les bobines

Une bobine est un enroulement de fils électriques conducteurs autour d’un élément ferromagnétique.

Ces éléments ont la particularité de pouvoir créer une impulsion de haute tension c’est pourquoi on les retrouve dans les bobines d’allumage dans les moteurs, notamment autour des bougies des voitures essence.
C’est la bobine qui donnera à la bougie l’impulsion nécessaire afin de créer un arc électrique et ainsi une étincelle qui feront exploser le mélange air-essence dans le cylindre.

Ensuite, on en trouve également dans la nature et particulièrement en zone rurale, là où les champs sont protégés par des clôtures électriques. En effet, la bobine permet de créer des impulsions à une tension élevée mais de faible puissance, permettant ainsi d’éloigner les animaux sans les blesser.

Pour finir, les bobines étaient utilisées dans les lampes à décharge qui sont aujourd’hui encore peu utilisées. Le tube fluorescent faisait partie des lampes à décharges qui nécessitaient l’utilisation d’une bobine. Celle-ci créait une impulsion afin d’allumer le tube et d’activer l’éclairage.

On retrouve également les bobines dans de nombreux appareils tels que les rails électromécaniques et les solénoïdes, les électroaimants et les moteurs électriques. Elles peuvent aider à filtrer des signaux électriques en réduisant l’ondulation ou les tensions parasites tout en filtrant les signaux bas.

En téléphonie, les bobines servent à compenser les pertes, même si elles sont progressivement remplacées par des répéteurs.

Enfin, en photographie, la bobine sert à charger le condensateur du flash électronique à partir de la pile ou de la batterie de l’appareil photo.

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