Auto-induction à l'ouverture du circuit

Programmes : APC, Sek II

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Objectif

Observer la force électromotrice d’auto-induction à l’ouverture d’un circuit comportant une bobine.

Le montage

Une source de 6 V, un interrupteur (fermé) et une bobine de 20 H dont l’enroulement a une résistance de 50 Ω ; en dérivation sur la bobine — une ampoule de 6 V / 0,5 W. Après le chargement de l’expérience, l’intensité du courant dans la bobine s’établit en quelques secondes à environ 0,12 A, 1,4 fois celle du courant dans l’ampoule (0,083 A).

Protocole

1. Attendez quelques secondes que le courant dans la bobine se stabilise.
2. Réglez la vitesse de l’horloge de simulation de la barre d’outils sur ×0.1 pour mieux voir l’éclair, ouvrez l’interrupteur et observez l’ampoule.
3. Remettez la vitesse à ×1, fermez l’interrupteur, attendez de nouveau quelques secondes et ouvrez-le.

Résultat attendu

Après l’ouverture de l’interrupteur, l’ampoule émet un éclair trois fois plus lumineux que d’habitude et s’éteint en quelques dixièmes de seconde (à ×0.1, en quelques secondes). La bobine maintient son courant, et celui-ci traverse l’ampoule — environ 0,12 A, 1,4 fois son courant nominal ; la tension aux bornes de l’ampoule monte brièvement jusqu’à environ 9,3 V — plus que celle de la source. La bobine est choisie pour que l’intensité de son courant ne soit que légèrement supérieure à celle du courant dans l’ampoule : avec une bobine qui établirait un courant trois fois plus intense, l’ampoule grillerait dès la première ouverture de l’interrupteur.

Questions

1. D’où vient l’énergie de l’éclair ?
2. Pourquoi monte-t-on une diode en dérivation sur la bobine d’un relais ?

Réponses

1. Du champ magnétique de la bobine. À 0,12 A, elle stocke \(W = L \cdot I^2 / 2\) = 20 · 0,12² / 2 ≈ 0,14 J ; après l’ouverture de l’interrupteur, cette énergie entretient le courant dans l’ampoule et se transforme en chaleur et en lumière dans le filament, et en chaleur dans l’enroulement de 50 Ω.
2. Quand on coupe un relais, sa bobine maintient son courant, comme le fait la bobine de ce montage. Si ce courant n’a aucun chemin, la tension d’auto-induction monte assez haut pour faire jaillir une étincelle entre les contacts de l’interrupteur ou claquer le transistor qui commande la bobine. La diode, polarisée en inverse en fonctionnement normal, offre au courant une boucle fermée autour de la bobine, rôle que joue l’ampoule sur ce montage, si bien que l’interrupteur ne voit guère plus que la tension d’alimentation.