La loi de Lenz et son interprétation. — Si on

cherche à déterminer expérimentalement le sens de la déviation de l'aiguille d'un galvanomètre sous l'action d'un courant de sens donné induit dans une bobine, on constate facilement que le sens de ce courant induit est toujours tel qu'il s'oppose à la variation du flux qui lui a donné naissance. En d'autres termes, s'il est dû à une augnientation du flux, le courant induit produit un flux de sens inverse à celui qui agit sur la bobine et s'oppose à l'augmentation du flux dans l'inducteur ; si, au contraire, le courant induit est la conséquence d'une diminution du flux, le flux dû à ce courant est de même sens et, dans ce cas, il s'oppose à la diminution du flux inducteur ; s'il était de sens inverse, il aurait pour efl*et de faire diminuer le flux inducteur encore plus rapidement. Tous ces faits sont résumés dans la loi de Lenz, qui est ainsi énoncée :

Lonquhin circuit se déplace dans un champ magnétique de manière que le flux auquel il est soumis varie constamment, le sens du courant induit est tel que les forces électromagnétiques exercées par le champ sur le circuit tendent à s'opposer au mouvement de ce dernier.

Ainsi formulée, cette loi peut paraître difficile à comprendre pour ceux qui ne sont pas familiarisés avec les études électrotechniques ; mais il suffit de donner ici quelques explications assez simples pour montrer que cette loi présente une grande analogie avec celle qui établit que tout système tend toujours à s'opposer aux déformations que Ton veiit lui faire subir.

L'étude des phénomènes qui se produisent lorsqu'on approche ou qu'on éloigne une bobine du pôle d'un électroaimant, du pôle Nord par exemple, permet d'expliquer clairement la loi de Lenz. Ce pôle est produit par un courant continu qui circule dans les spires en sens inverse du mouvement des aiguilles d'ime montre.

On a déjà constaté que, pendant tout le temps que la bobine est en mouvement pour se rapprocher de ce pôle, elle est le siège d'un courant induit, courant qui est la manifestation d'une production d'énergie électrique; il est évident que cette énergie est due à une dépense d'énergie mécanique correspondante, conséquence du principe de la conservation de l'énergie. Si l'on dépense de l'énergie mécanique pour approcher la bobine du pôle de l'électro-aimant afin d'obtenir la production d'un courant induit, il faut nécessairement vaincre une force résistante, sans cela il ne pourrait y avoir dépense d'énergie mécanique. Or l'expérience prouve que cette force résistante est la répulsion qui s'exerce entre le pôle Nord inducteur et entre le pôle Nord que le courant induit développe sur la face de la bobine qui se trouve en présence de l'inducteur. C'est pour cela qu'il est dit que le courant induit a un sens tel que les forces électromagnétiques qui s'exercent entre le champ et le circuit s'opposent au mouvement ; le phénomène inverse ne saurait se produire, parce qu'il serait en opposition absolue avec la loi de la conservation de l'énergie.

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Des phénomènes analogues se produisent également lorsqu'on éloigne la bobine du pôle de Télectro-aimant. On sait que le courant induit qui est développé dans la bobine induite est de sens inverse à celui qui se produit dans le cas où Ton approche la bobine ; donc il se développe un pôle Sud sur la face de la bobine qui se trouve en regard du pôle Nord de Tinducteur et, par conséquent, il y a attraction ; c'est justement cette attraction qui constitue la force résistante qu'il faut vaincre et Ténergie mécanique dépensée est équivalente à l'énergie électrique obtenue.

Il y a encore une autre expérience qui ne laisse plus aucun doute sur le sens des courants induits dans ces conditions.

On monte une petite bobine à Textrémité inférieure d'une tige de bois, dont l'extrémité supérieure est fixée de manière h pouvoir osciller libreriaent, comme un pendule, dans un plan correspondant à celui des spires. Gela fait, on place un électroaimant dans une position verticale telle que la bobine, dans son mouvement d'oscillation, passe entre les deux pôles de cet électro-aimant.

On laisse le circuit de la petite bobine ouvert et on la met en mouvement ; par suite de ce mouvement, il se développe une force électromotrice induite, mais il n'y a pas production d'un courant, le circuit étant ouvert ; par conséquent, il ne peut y avoir production d'énergie électrique et, dans ces conditions, la dépense de travail mécanique est nulle. La petite bobine continue à osciller comme si l'électro-aimant ne se trouvait pas sur son passage et elle s'arrête au bout d'un certain temps par la seule action de la résistance de l'air et du frottement au point de suspension.

Si, au contraire, on ferme le circuit de la petite bobine sur lui-même, pour que, sous l'action de la force électromotrice induite, un courant puisse se développer, donnant lieu ains à une production d'énergie électrique, le phénomène change complètement d'aspect. En donnant une assez forte impulsion à la bobine mobile, on constate que son mouvement se ralentit presque brusquement, comme cela se produirait si on la faisait

osciller dans un milieu visqueux, et il ne se produit plus ensuite la moindre oscillation. C'est là la meilleure preuve que le courant induit atj)oui: effet de s'opposer à la cause qui lui donne naissance.

Il est intéressant de rechercher maintenant comment se transforme l'énergie électrique due au travail mécanique absorbé. Dans les expériences précédentes, cette énergie électrique était partiellement employée, d'une part, à vaincre l'inertie de Taiguille du galvanomètre pour la faire dévier et, d'autre part, à produire un échauffement, c'est-à-dire qu'elle était en partie transformée en énergie thermique. Dans Texpérience actuelle, où il n'y a pas de galvanomètre dans le circuit, cette énergie électrique est totalement transformée en énergie thermique. Du reste, la simple réflexion, sans avoir recours à l'expérience, conduit à la même conclusion, si l'on tient compte de la loi de la conservation de l'énergie.

La loi de Lenz n'est qu'un cas particulier d'une loi générale qui établit que tout phénomène tend à s'opposer à la cause qui le produit. Le frottement, cette force bien connue, a un effet tel qu'il s'oppose toujours au mouvement qui le produit. Les mécaniciens savent bien, par expérience, qu'il est indispensable de réduire les frottements au minimum en graissant abondamment les surfaces frottantes et ils savent aussi qu'en négligeant cette précaution, il peut se produire de graves accidents, le travail de frottement pouvant alors atteindre une valeur telle qu'un moteur en marche peut être arrêté. Le fonctionnement d'un frein est fondé sur ce fait que le frottement, dû au fonctionnement d'un moteur, est une force agissant en sens inverse du mouvement et pouvant agir d'une façon plus ou moins énergique.

Quand on tire sur un ressort en boudin pour l'allonger, on développe une force élastique qui primitivement n'existait j3as; cette force résiste à l'allongement et c'est pourquoi il faut dépenser de l'énergie mécanique pour produire cet allongement. On peut en dire autant dans le cas de la compression.

Si l'on vient à comprimer brusquement de l'air, cet air

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s'échauffe et, par suite, tend à augmenter de volume, ce qui montre qu'il s'oppose à la compression que Ton veut exercer sur lui ; de môme, si on détend brusquement de l'air comprimé, cet air se refroidit pour les mômes raisons.

Les exemples pourraient ôtre multipliés àTinfini, mais ceux qui ont été cités suffisent amplement. L'énergie ne peut se manifester suivant des lois différentes, qu'il s'agisse d'énergie mécanique ou d'énergie électrique, parce que tout est parfaitement harmonisé dans la nature et que tous les phénomènes qui se manifestent à nos sens sont soumis à des lois universelles, très simples et rationnelles.

lé. Sens des courants induit^* — Dans la pratique, pour reconnaître rapidement le sens <fun courant induit, il suffit de se rappeler que son sens est tel dans la spire lapins rapprochée du pôle inducteur qiiil s y développe un pôle de même nom lorsqu'on approche la bobine et un pôle de nom contraire lorsqu'on V éloigne.

Dans l'étude du courant alternatif, cette règle est suffisante ; mais, dans l'étude des dynamos à courant continu, il en existe une autre qui, dans certains cas, convient mieux.

la

FiG. 20.

Les variations du flux dans un circuit ifig, 20) peuvent ôtre obtenues en déplaçant le conducteur ab dans la direction a'b' et transversalement par rapport k deux fils métalliques parallèles, le flux provenant d'un pôle Nord placé en dessous. Fleming a donné la règle suivante : en ouvrant les trois premiers

doigts de la main droite (fig, 21) placés perpendiculairement run par rapport à t autre, le pouce indique la direction du

mouvement du conducteur ab, rindex la direction des lignes de force et le fnédium le sens du -courant induit. Comme moyen mnémotechnique pour retrouver Tordre dans lequel les trois grandeurs doivent être indiquées, il suffit de se rappeler que Ton peut les représenter par la lettre m (mouvement), / (lignes de force) et / (force électromotrice) et que Tordre dans lequel se présentent ces lettres est Tinverse de celui dans lequel elles se présentent dans le mot Fleming,

Direction de la /hrœ dedromotrice induite)^ /

Direction tlumoi/vt des condudeurs

20. Courants de Foucault. — On n'a jusqu'ici examiné que les phénomènes d'induction qui se produisent dans un conducteur rectiligne ou dans les spires d'une bobine. On conçoit facilement que les phénomènes d'induction puissent se produire dans une masse conductrice de forme quelconque, mais il est alors plus difficile et moins simple de se rendre compte de la marche des courants, parce qu'ils se développent dans la masse même en produisant de l'énergie thermique et, par conséquent, un échauffement. Dans tous les cas, ces courants doivent satisfaire à la lai de Lenz, ainsi que le prouvent les expériences suivantes :

La tige de bois, munie d'une petite bobine à son extrémité et suspendue comme un pendule (§ 18), peut être utilisée de nouveau pour effectuer une expérience démonstrative ; il suffit de remplacer la bobine par un secteur massif de cuivre ou d'aluminium découpé dans une planche du métal. En faisant osciller ce secteur entre les pôles d'un puissant électro-aimant, on constate que, dès que Télectro-aimant est excité, il influe for-

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tement sur le mouvement du pendule et que les oscillations cessent immédiatement. Ce sont les courants induits dan^ la masse de métal qui arrêtent le mouvement. C'est aussi pour la même cause qu'il est impossible, avec un marteau de cuivre, de frapper un fort coup sur le pôle d'un gros électro-aimant excité par un courant ; de même on ne peut frapper un coup sec sur le même pôle avec une lame de cuivre.

En recouvrant le secteur de cuivre du pendule d'une couche de cire et en le faisant mouvoir à la main entre les deux pôles de Télectro-aimant, on constate que la cire entre peu à peu en fusion par suite du développement de chaleur dû à la transformation de l'énergie électrique mise en jeu par les courants induits.

Les actions électromagnétiques produisent donc comme une sorte de frottement qui s'oppose au mouvement du conducteur mobile et cet effet est d'autant plus accentué que la vitesse est plus considérable.

On sait qu'un corps en mouvement est susceptible d'entraîner par frottement un autre corps en le déplaçant dans la même direction, mais avec une vitesse moindre (à moins que le frottement ne devienne tellement considérable qu'il produise une sorte d'accouplement à friction et, dans ce cas, la vitesse du corps entraîné est égale à celle du corps qui l'entraîne) ; de même un aimant placé horizontalement et animéd'un mouvement de rotation peut faire tourner un disque de cuivre monté sur pivot et librement suspendu au-dessus de lui. Les courants induits, tendant à s'opposer au mouvement de rotation de l'aimant, exercent leur action sur le disque qu'ils font tourner ; c'est sur ce principe qu'est fondée la construction de certains types, très employés, de moteurs k courant alternatif. On remarque aussi que le disque de cuivre ne peut jamais atteindre la même vitesse que celle que Ton imprime à l'aimant et que, dans le cas actuel, il n est pas possible que le disque de cuivre prenne une vitesse égale à celle de Taimant, car ces deux organes ne seraient plus alors animés d'un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre; si ces

deux organes se déplaçaient simultanément, il ne se produirait pas de variations de flux et, par suite, pas de courants induits. Le naouvement de rotation du disque doit donc être plus lent que celui de l'aimant.

21. Phénomène^ d'induction dans les conducteurs protégés par une masse de fer et courants de Foucault qui s'y produisent. — En effectuant l'expérience disposée comme le montre la figure 20, mais en protégeant le conducteur ab des actions magnétiques à l'aide d'un tube de fer, on constate que le galvanomètre dévie de la même manière, ce qui prouve que, malgré Técran magnétique, le conducteur est toujours le siège d'une force électromotrice induite. En déplaçant le système, le flux développé par le tube de fer se meut avec lui et avec le conducteur; il nV a donc pas de mouvement relatif entre eux; il en est autrement du conducteur qui, bien qu'entouré par le tube, se déplace par rapport au champ inducteur immobile, d'où production d'une force électromotrice. Il est évident que si Ton déplaçait le conducteur à l'intérieur du tube de fer, sans faire mouvoir lensemble par rapport au champ inducteur, il ne se développerait aucune force électromotrice.

Le procédé employé par presque tous les constructeurs et qui consiste à placer les conducteurs induits dans des trous pratiqués autour de la périphérie d'un noyau de fer est une excellente disposition, parce que, tout en n'empêchant pas les phénomènes d'induction électromagnétique de se produire, on donne aux induits ainsi établis la rigidité mécanique nécessaire.

L'emploi du fer est justifié par la nécessité d'établir un circuit magnétique d'aussi faible réluctance que possible, afin d'obtenir unilux d'induction maximum avec un nombre minimum d'ampères-tours sur l'inducteur. Pourtant cette masse de fer n'est pas complètement exempte de phénomènes d'induction électromagnétique lorsqu'elle coupe les lignes de force du champ magnétique; il se produit, alors des courants de

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Foucault très' énergiques, mais on prend la précaution de les réduire à leur valeur minimum en constituant les noyaux d'induit, non avec une masse de fer, mais bien avec des paquets de tôles très minces, isolées les unes des autres, comme on le fait, du reste, pour les dynamos à courant continu.