Dans ce tutoriel, nous allons voir que l’inducteur est un composant électrique utilisé pour introduire une inductance dans un circuit qui s’oppose à la variation de l’écoulement du courant, tant en magnitude qu’en direction, et qu’un simple morceau de fil conducteur peut également avoir une certaine quantité d’inductance.

Dans nos tutoriels sur l’électromagnétisme, nous avons vu que lorsque un courant électrique circule à travers un conducteur, un flux magnétique se développe autour de ce conducteur. Cet effet produit une relation entre la direction du flux magnétique, qui circule autour du conducteur, et la direction du courant circulant à travers le même conducteur. Cela résulte en une relation entre la direction du courant et celle du flux magnétique, appelée “Règle de la main droite de Fleming”.

Mais il existe également une autre propriété importante liée à une bobine enroulée, qui est qu’une tension secondaire est induite dans la même bobine par le mouvement du flux magnétique, opposant ou résistant à tout changement dans le courant électrique qui la traverse.

A Typical Inductor

Dans sa forme la plus simple, un inducteur n’est rien d’autre qu’une bobine de fil enroulée autour d’un noyau central. Pour la plupart des bobines, le courant, ( i ) circulant à travers la bobine produit un flux magnétique, ( NΦ ) autour de celle-ci qui est proportionnel à ce courant électrique.

Un inducteur, également appelé choke, est un autre type de composant électrique passif constitué d’une bobine de fil conçue pour tirer parti de cette relation en induisant un champ magnétique en elle-même ou dans son noyau en raison du courant circulant à travers la bobine de fil. Former une bobine de fil en un inducteur donne un champ magnétique beaucoup plus fort que celui qui serait produit par une simple bobine de fil.

Les inducteurs sont formés avec du fil enroulé serré autour d’un noyau central solide qui peut être soit une tige cylindrique droite, soit une boucle continue ou un anneau pour concentrer leur flux magnétique.

Le symbole schématique d’un inducteur est celui d’une bobine de fil ; par conséquent, une bobine de fil peut également être appelée un inducteur. Les inducteurs sont généralement classés selon le type de noyau interne autour duquel ils sont enroulés, par exemple, noyau creux (air libre), noyau en fer solide ou noyau en ferrite doux, les différents types de noyau étant distingués par l’ajout de lignes continues ou pointillées parallèles à côté de la bobine de fil.

Symbole de l’Inducteur

Le courant, i, qui circule à travers un inducteur produit un flux magnétique qui lui est proportionnel. Mais, contrairement à un condensateur qui s’oppose à un changement de tension à travers ses plaques, un inducteur s’oppose à la vitesse de changement du courant qui le traverse en raison de l’accumulation d’énergie auto-induite dans son champ magnétique.

En d’autres termes, les inducteurs résistent ou s’opposent aux changements de courant mais laissent facilement passer un courant continu stable. Cette capacité d’un inducteur à résister aux variations de courant, et qui relie également le courant, i, à son lien de flux magnétique, NΦ, en tant que constante de proportionnalité, est appelée inductance, qui est représentée par le symbole L avec des unités de Henry, (H) d’après Joseph Henry.

Étant donné que le Henry est une unité d’inductance relativement grande en soi, des sous-unités du Henry sont utilisées pour indiquer sa valeur pour les petits inducteurs. Par exemple :

Préfixes d’Inductance

Pour afficher les sous-unités du Henry, nous utiliserions par exemple :

• 1mH = 1 milli-Henry  –  ce qui équivaut à un millième (1/1000) d’un Henry.
• 100μH = 100 micro-Henries  –  ce qui équivaut à cent millionièmes (1/1,000,000) d’un Henry.

Les inducteurs ou bobines sont très courants dans les circuits électriques et de nombreux facteurs déterminent l’inductance d’une bobine, tels que la forme de la bobine, le nombre de tours de fil isolé, le nombre de couches de fil, l’espacement entre les tours, la perméabilité du matériau du noyau, la taille ou la section transversale du noyau, etc., pour n’en nommer que quelques-uns.

Une bobine d’inducteur a une zone centrale, ( A ), avec un nombre constant de tours de fil par unité de longueur, ( l ). Donc, si une bobine de N tours est liée par une quantité de flux magnétique, Φ, alors la bobine a un lien de flux de NΦ et tout courant, ( i ), qui circule à travers la bobine produira un flux magnétique induit dans la direction opposée à celle du courant. Ensuite, selon la loi de Faraday, tout changement dans ce lien de flux magnétique produit une tension auto-induite dans la bobine unique de :

Un champ magnétique variant dans le temps induit une tension qui est proportionnelle au taux de changement du courant qui le produit, avec une valeur positive indiquant une augmentation de l’EMF et une valeur négative indiquant une diminution de l’EMF. L’équation reliant cette tension auto-induite, le courant et l’inductance peut être trouvée en substituant le μN²A / l avec L dénotant la constante de proportionnalité appelée inductance de la bobine.

La relation entre le flux dans l’inducteur et le courant circulant à travers l’inducteur est donnée par : NΦ = Li. Comme un inducteur est constitué d’une bobine de fil conducteur, cela réduit alors l’équation ci-dessus pour donner l’EMF auto-induit, parfois appelé back emf induit dans la bobine également :

Back emf généré par un Inducteur

Où : L est l’auto-inductance et di/dt le taux de changement de courant.

Bobine d’Inducteur

Donc, d’après cette équation, nous pouvons dire que “l’EMF auto-induit est égal à l’inductance multipliée par le taux de changement de courant” et un circuit ayant une inductance d’un Henry aura une EMF d’un volt induite dans le circuit lorsque le courant circulant dans le circuit change à un rythme d’un ampère par seconde.

Un point important à noter à propos de l’équation ci-dessus. Elle ne relie que l’EMF produite à travers l’inducteur aux changements de courant car si le courant de l’inducteur est constant et ne change pas, par exemple dans un courant DC stable, alors la tension EMF induite sera nulle parce que le taux instantané de changement de courant est nul, di/dt = 0.

Avec un courant DC stable circulant à travers l’inducteur et donc une tension induite nulle à son niveau, l’inducteur agit comme un court-circuit, égale à un morceau de fil, ou au moins une résistance de très faible valeur. En d’autres termes, l’opposition à l’écoulement du courant offerte par un inducteur est très différente entre les circuits AC et DC.

La Constante de Temps d’un Inducteur

Nous savons maintenant que le courant ne peut pas changer instantanément dans un inducteur, car pour que cela se produise, le courant devrait changer d’une quantité finie en un temps nul, ce qui entraînerait que le taux de changement du courant serait infini, di/dt = ∞, rendant l’EMF induite infinie aussi et des tensions infinies n’existent pas. Cependant, si le courant circulant dans un inducteur change très rapidement, comme avec le fonctionnement d’un commutateur, des tensions élevées peuvent être induites à travers la bobine de la bobine.

Considérons le circuit d’un inducteur pur à droite. Avec le commutateur, ( S1 ) ouvert, aucun courant ne circule à travers la bobine d’inducteur. Comme aucun courant ne circule à travers l’inducteur, le taux de changement de courant (di/dt) dans la bobine sera zéro. Si le taux de changement du courant est nul, il n’y a pas d’auto-induit back-EMF, ( V_L = 0 ) à l’intérieur de la bobine inducteur.

Si nous fermons maintenant le commutateur (t = 0), un courant circulera à travers le circuit et augmentera lentement jusqu’à sa valeur maximale à un rythme déterminé par l’inductance de l’inducteur. Ce taux de courant circulant à travers l’inducteur multiplié par l’inductance de l’inducteur en Henry, donne un certain effet d’EMF auto-induite fixe produit à travers la bobine, comme déterminé par l’équation de Faraday ci-dessus, V_L = -Ldi/dt.

Cette EMF auto-induite à travers la bobine de l’inducteur, ( V_L ) lutte contre la tension appliquée jusqu’à ce que le courant atteigne sa valeur maximale et qu’un état stable soit atteint. Le courant qui circule maintenant à travers la bobine n’est déterminé que par la résistance DC ou “pure” des enroulements de la bobine alors que la réactance de la bobine a diminué à zéro car le taux de changement de courant (di/dt) est nul dans un état stable. En d’autres termes, dans une vraie bobine, seule la résistance DC des enroulements existe pour s’opposer à l’écoulement du courant à travers elle-même.

De même, si le commutateur (S1) est ouvert, le courant circulant à travers la bobine commencera à descendre, mais l’inducteur luttera à nouveau contre ce changement et essaiera de maintenir le courant à sa valeur précédente en induisant une autre tension dans l’autre direction. La pente de la diminution sera négative et liée à l’inductance de la bobine comme indiqué ci-dessous.

Courant et Tension dans un Inducteur

Quelle tension induite sera produite par l’inducteur dépend du taux de changement de courant. Dans notre tutoriel sur L’Induction Électromagnétique, La Loi de Lenz a déclaré que : “la direction de l’EMF induit est telle qu’elle s’oppose toujours au changement qui la cause”. En d’autres termes, une EMF induite s’opposera toujours au mouvement ou au changement qui a commencé l’EMF induite en premier lieu.

Alors, avec un courant décroissant, la polarité de la tension agira comme une source, et avec un courant croissant, la polarité de la tension agira comme une charge. Donc, pour le même taux de changement de courant à travers la bobine, que ce soit en augmentation ou en diminution, l’amplitude de l’EMF induite sera la même.

Exemple de Tutoriel No1

Un courant continu d’état stable de 4 ampères traverse une bobine solénoïde de 0,5H. Quelle serait la tension moyenne de back EMF induite dans la bobine si le commutateur dans le circuit ci-dessus était ouvert pendant 10mS et que le courant circulant à travers la bobine tombait à zéro ampère ?

Puissance dans un Inducteur

Nous savons qu’un inducteur dans un circuit s’oppose à l’écoulement du courant, ( i ), à travers lui parce que l’écoulement de ce courant induit une EMF qui s’y oppose, selon la Loi de Lenz. Par conséquent, un travail doit être accompli par la source de batterie externe pour maintenir le courant s’écoulant contre cette EMF induite. La puissance instantanée utilisée pour forcer le courant, ( i ), contre cette EMF auto-induite, ( V_L ), est donnée ci-dessus par :

La puissance dans un circuit est donnée par, P = V*I ; donc :

Un inducteur idéal n’a pas de résistance, seulement de l’inductance, donc R = 0 Ω et par conséquent, aucune puissance n’est dissipée dans la bobine, nous pouvons donc dire qu’un inducteur idéal n’a pas de perte d’énergie.

L’Énergie Stockée

Lorsque la puissance circule dans un inducteur, de l’énergie est stockée dans son champ magnétique. Lorsque le courant circulant à travers l’inducteur augmente et que di/dt devient supérieur à zéro, la puissance instantanée dans le circuit doit également être supérieure à zéro, ( P > 0 ), c’est-à-dire positive, ce qui signifie que de l’énergie est stockée dans l’inducteur.

De même, si le courant à travers l’inducteur diminue et que di/dt est inférieur à zéro, alors la puissance instantanée doit également être inférieure à zéro, ( P < 0 ), c’est-à-dire négative, ce qui signifie que l’inducteur renvoie de l’énergie dans le circuit. En intégrant l’équation pour la puissance ci-dessus, la totalité de l’énergie magnétique, qui est toujours positive, stockée dans l’inducteur est donc donnée par :

Énergie Stockée

Où :  W est en joules, L est en Henries et i est en Ampères.

L’énergie est en réalité stockée dans le champ magnétique qui entoure l’inducteur par le courant qui y circule. Dans un inducteur idéal qui n’a ni résistance ni capacité, à mesure que le courant augmente, de l’énergie circule dans l’inducteur et y est stockée dans son champ magnétique sans perte ; elle n’est pas libérée tant que le courant ne diminue pas et que le champ magnétique ne s’effondre pas.

Alors, dans un circuit à courant alternatif (AC), un inducteur stocke et livre constamment de l’énergie à chaque cycle. Si le courant circulant à travers l’inducteur est constant, comme dans un circuit DC, alors il n’y a aucun changement dans l’énergie stockée car P = Li(di/dt) = 0.

Ainsi, les inducteurs peuvent être définis comme des composants passifs car ils peuvent à la fois stocker et délivrer de l’énergie au circuit, mais ils ne peuvent pas générer d’énergie. Un inducteur idéal est classé comme sans perte, ce qui signifie qu’il peut stocker de l’énergie indéfiniment car aucune énergie n’est perdue.

Cependant, les inducteurs réels auront toujours une résistance associée aux enroulements de la bobine et chaque fois que le courant circule à travers une résistance, de l’énergie est perdue sous forme de chaleur due à la loi d’Ohm, ( P = I² R ), indépendamment de savoir si le courant est alternatif ou constant.

Alors, l’utilisation principale des inducteurs est dans les circuits de filtrage, les circuits de résonance et pour la limitation de courant. Un inducteur peut être utilisé dans des circuits pour bloquer ou remodeler le courant alternatif ou une gamme de fréquences sinusoïdales, et dans ce rôle, un inducteur peut être utilisé pour “accorder” un simple récepteur radio ou divers types d’oscillateurs. Il peut également protéger des équipements sensibles contre des pics de tension destructeurs et des courants de démarrage élevés.

Dans le prochain tutoriel sur les inducteurs, nous verrons que la résistance effective d’une bobine est appelée inductance, et que l’inductance, qui, comme nous le savons maintenant, est la caractéristique d’un conducteur électrique qui “s’oppose à un changement dans le courant”, peut être soit auto-induite, appelée auto-inductance, ou induite de façon externe, appelée inductance mutuelle.