Inductances | Sciences de l'Ingénieur 1ère

Introduction

INDUCTANCES ÉLECTRIQUES
Composants passifs de stockage magnétique

Découvrez les composants passifs capables de stocker l'énergie magnétique

Bobine
Auto-induction
Henry

Définition des inductances

Concept fondamental

DÉFINITION D'UNE INDUCTANCE
Définition

Une inductance est un composant passif électrique constitué d'une bobine de fil conducteur.

Elle est capable de stocker de l'énergie sous forme d'énergie magnétique.

Elle est caractérisée par son inductance, notée L, exprimée en henrys (H).

Symbole électrique : une bobine
Unité de mesure

L'unité d'inductance est le henry (H), nommé en l'honneur de Joseph Henry.

Des multiples et sous-multiples sont utilisés :

  • Microhenry (µH) = 10⁻⁶ H
  • Millihenry (mH) = 10⁻³ H
  • Kilohenry (kH) = 10³ H

Principe de fonctionnement

Processus d'auto-induction

CHAMP MAGNÉTIQUE
Création du champ

Lorsqu'un courant traverse une bobine, il crée un champ magnétique à travers la bobine :

  • Le courant électrique crée un champ magnétique
  • Le champ magnétique est proportionnel à l'intensité du courant
  • Le flux magnétique Φ est lié à l'inductance par Φ = L × I
LOI DE FARADAY
Phénomène d'auto-induction

La loi de Faraday énonce que la tension induite dans une bobine est proportionnelle à la variation du flux magnétique :

e = -L × (di/dt)

Où e est la force électromotrice induite (en volts), L est l'inductance (en henrys), et di/dt est la variation du courant par unité de temps (en ampères/seconde).

Types d'inductances

Catégories d'inductances

INDUCTANCES À AIR
Bobine sans noyau

Les inductances à air n'ont pas de matériau magnétique dans leur cœur :

  • Stabilité thermique élevée
  • Linéarité parfaite (pas de saturation)
  • Inductances généralement faibles
  • Utilisées dans les circuits HF
INDUCTANCES À NOYAU FERRITE
Matériau magnétique

Les inductances avec noyau ferrite offrent des inductances plus élevées :

  • Grande perméabilité magnétique
  • Permettent des inductances élevées dans un petit volume
  • Peuvent saturer à haute intensité
  • Utilisées dans les alimentations et les filtres
INDUCTANCES À NOYAU FER
Matériau ferromagnétique
  • Très grandes inductances
  • Saturation magnétique possible
  • Pertes magnétiques importantes
  • Utilisées dans les transformateurs et les machines électriques

Charge et décharge

Processus dynamique

CIRCUIT R-L DE CHARGE
Équation de charge

Le processus de charge d'une inductance à travers une résistance suit l'équation :

I(t) = (E/R)(1 - e^(-tR/L))

Où I(t) est le courant dans l'inductance au temps t, E est la tension d'alimentation, R est la résistance, L est l'inductance, et τ = L/R est la constante de temps.

CIRCUIT R-L DE DÉCHARGE
Équation de décharge

Le processus de décharge suit l'équation :

I(t) = I₀ × e^(-tR/L)

Où I₀ est le courant initial dans l'inductance, et les autres paramètres sont les mêmes.

CONSTANTE DE TEMPS
Caractéristique importante

La constante de temps τ = L/R caractérise la rapidité du processus :

  • Après t = τ, le courant atteint environ 63% de la valeur finale
  • Après t = 5τ, l'inductance est considérée comme chargée (99%)
  • Elle s'exprime en secondes

Associations d'inductances

Circuits combinés

CIRCUIT SÉRIE
Inductances en série

Dans un circuit série, les inductances sont connectées bout à bout :

Léq = L₁ + L₂ + ... + Ln

Le courant est le même dans toutes les inductances, et la tension totale est la somme des tensions partielles.

CIRCUIT PARALLÈLE
Inductances en parallèle

Dans un circuit parallèle, les inductances sont connectées entre les mêmes points :

1/Léq = 1/L₁ + 1/L₂ + ... + 1/Ln

La tension est la même aux bornes de chaque inductance, et le courant total est la somme des courants partiels.

CIRCUITS MIXTES
Combinaisons complexes

Les circuits mixtes combinent des associations en série et en parallèle :

  • Identifier les groupes d'inductances en série ou en parallèle
  • Calculer l'inductance équivalente pour chaque groupe
  • Refaire le calcul jusqu'à obtenir une seule inductance équivalente

Énergie stockée

Stockage d'énergie magnétique

ÉNERGIE MAGNÉTIQUE
Formule de l'énergie

Une inductance parcourue par un courant stocke de l'énergie sous forme d'énergie magnétique :

E = ½ × L × I²

Où E est l'énergie stockée (en joules), L est l'inductance (en henrys), et I est le courant (en ampères).

APPLICATIONS DE L'ÉNERGIE
Utilisation de l'énergie stockée

Les inductances sont utilisées pour :

  • Le lissage des courants dans les alimentations
  • Le découplage des circuits électroniques
  • Le stockage temporaire d'énergie dans les convertisseurs
  • Les applications de temporisation
  • Les circuits oscillants

Exercice d'application

Problème d'inductances

ÉNONCÉ
Question

Un circuit est composé d'une source de tension de 12 volts, d'une résistance de 2 Ω et d'une inductance de 4 H connectées en série.

1. Calculez la constante de temps du circuit.

2. Calculez le courant dans le circuit après 2 secondes.

3. Calculez l'énergie stockée dans l'inductance une fois le régime permanent atteint.

4. Si un deuxième inducteur de 8 H est ajouté en parallèle, quelle est la nouvelle inductance équivalente ?

Solution de l'exercice

Correction détaillée

QUESTION 1 : CONSTANTE DE TEMPS
Calcul de τ

Données : R = 2 Ω, L = 4 H

Constante de temps : τ = L / R = 4 / 2 = 2 s

La constante de temps du circuit est de 2 secondes.

QUESTION 2 : COURANT APRÈS 2 S
Calcul du courant

Utilisation de la formule de charge : I(t) = (E/R)(1 - e^(-tR/L))

Avec E = 12 V, R = 2 Ω, L = 4 H, t = 2 s

I(2) = (12/2)(1 - e^(-2×2/4)) = 6(1 - e^(-1)) = 6(1 - 0,368) = 6 × 0,632 = 3,79 A

Le courant dans le circuit après 2 secondes est de 3,79 ampères.

QUESTION 3 : ÉNERGIE STOCKÉE
Calcul de l'énergie

En régime permanent, I = E/R = 12/2 = 6 A

Énergie : E = ½ × L × I² = ½ × 4 × 6² = ½ × 4 × 36 = 72 J

L'énergie stockée dans l'inductance est de 72 joules.

QUESTION 4 : ASSOCIATION PARALLÈLE
Calcul de l'inductance équivalente

Inductance 1 : L₁ = 4 H

Inductance 2 : L₂ = 8 H

En parallèle : 1/L éq = 1/L₁ + 1/L₂ = 1/4 + 1/8 = 2/8 + 1/8 = 3/8

Donc L éq = 8/3 = 2,67 H

La nouvelle inductance équivalente est de 2,67 henrys.

Résumé

Points clés

DÉFINITION ET PROPRIÉTÉS
Caractéristiques fondamentales
  • Une inductance stocke de l'énergie magnétique sous forme de courant
  • Elle est constituée d'une bobine de fil conducteur
  • Elle est caractérisée par son inductance L (en henrys)
  • La relation fondamentale est e = -L × (di/dt)
Types d'inductances
  • À air : stabilité thermique, circuits HF
  • À noyau ferrite : inductances élevées, alimentations
  • À noyau fer : très grandes inductances, transformateurs
Associations d'inductances
  • Série : L éq = L₁ + L₂ + ... + Lₙ
  • Parallèle : 1/L éq = 1/L₁ + 1/L₂ + ... + 1/Lₙ
  • Énergie : E = ½ × L × I²
Maîtrisez ces concepts pour comprendre les circuits électriques !

Conclusion

Félicitations !

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