électricité (PTSI) · Chapitre 8 · Exercice de TD
Inductance et énergie d'une bobine longue
Les lois de l'induction · D. L'auto-induction · niveau 2
Énoncé
Une bobine longue de spires, de longueur et de rayon , est parcourue par le courant . On admet que le champ intérieur est uniforme, , dirigé selon l'axe, et que le champ extérieur est négligeable.
1) Exprimer le flux propre de la bobine et en déduire son inductance , où . Pourquoi est-elle proportionnelle à et non à ? Vérifier l'homogénéité, sachant que s'exprime en .
2) Calculer . Avec un noyau de fer doux de perméabilité relative (on admet que le champ intérieur est alors multiplié par ), que devient ? Situer ces valeurs par rapport aux bobines de travaux pratiques.
3) Pour (bobine sans noyau), calculer et l'énergie .
4) Montrer que . Interpréter. Quel ordre de grandeur d'énergie stocke l'aimant supraconducteur d'un appareil d'imagerie par résonance magnétique, où règne un champ de T dans un volume de l'ordre du mètre cube ?
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. Le champ est donné ; la définition du flux propre, ; la définition du flux à travers un circuit de spires, somme des flux à travers chaque spire.
1) Le flux propre et le . On oriente chaque spire dans le sens du courant ; la normale est alors dans le sens du champ créé (main droite), et le flux à travers une spire vaut . Les spires, traversées par le même champ uniforme, sont en série dans le même circuit : leurs flux s'ajoutent. Le point délicat : pourquoi . Le nombre de spires intervient deux fois, pour deux raisons distinctes. Une première fois dans le champ : spires parcourues par créent un champ fois plus grand qu'une seule. Une seconde fois dans le flux : ce champ traverse spires, dont les flux s'additionnent. Doubler le nombre de spires (à longueur égale) quadruple l'inductance.
Homogénéité. s'exprime en henrys par mètre, est sans dimension, est une longueur : s'exprime en .
2) Valeurs. et Avec le noyau de fer, le champ, donc le flux, est multiplié par : . C'est la gamme des bobines de travaux pratiques : quelques millihenrys à air, l'ordre du henry avec un noyau. Validité. Ici : l'approximation de bobine longue est raisonnable ; avec du fer, n'est qu'un ordre de grandeur (il dépend du champ, et le fer sature vers à T).
3) Le champ et l'énergie à A. une centaine de fois le champ magnétique terrestre, et
4) Où est l'énergie ? On remplace par son expression et par : Le nombre de spires a disparu, et est exactement le volume où règne le champ. L'énergie est ce volume multiplié par , qui ne dépend que du champ local : une densité volumique d'énergie magnétique. L'énergie n'est pas « dans le fil » : elle est dans le champ. Contrôle numérique : , multiplié par , redonne mJ.
L'imagerie médicale. À T, la densité vaut ; sur un mètre cube, l'énergie stockée est de l'ordre du mégajoule — l'énergie cinétique d'une voiture sur autoroute.
Ce que l'exercice installe. Calculer une inductance à partir d'un champ donné : flux à travers une spire, multiplié par le nombre de spires, divisé par le courant. Retenir l'ordre de grandeur ( à air, avec du fer) et le . Et lire comme une énergie localisée dans le champ, de densité — idée qui permettra de raisonner sur l'énergie de deux circuits couplés (exercice 6).
100 % gratuit
La suite du chapitre est sur Adloun
- 18 autres exercices corrigés dans ce chapitre, et 10 à chercher avec le tuteur
- Les 2 QCM du chapitre, le premier sans compte
- Le podcast et la vidéo du chapitre et la correction filmée du TD : 2 minutes sans compte
- Le tuteur, qui guide pas à pas sans donner la réponse
Sans compte : le cours, le premier QCM et 2 minutes de podcast et de vidéo. Exercices et tuteur : inscription gratuite en 30 secondes, sans carte bancaire.