Courant de Foucault

Règle de la main droite des courants de Foucault

La règle de la main droite, également connue sous le nom de règle de la main droite de Fleming, est un truc pratique pour se souvenir de la direction de la force de Lorentz sur les charges qui se déplacent dans un champ magnétique.

Contrairement aux charges dans un champ électrique, l'intensité et la direction de cette force sont déterminées par la vitesse \(\vec{v}\) des charges. Cette force est déterminée par le produit vectoriel croisé de la vitesse et du champ[\vec{F}=q(\vec{v}\times\vec{B})\].

Le vecteur formé par le produit croisé de deux vecteurs est toujours perpendiculaire aux vecteurs initiaux. Par conséquent, pour savoir dans quelle direction la force de Lorentz agit, nous utilisons la règle de la main droite. Considérons une plaque conductrice se déplaçant vers la droite sous un champ magnétique fixe pointant vers le bas à travers la plaque, comme indiqué ci-dessous.

Avec la main droite tendue, pointe l'index dans la direction du mouvement de la plaque, vers la droite. Cela représente la vitesse \(\vec{v}\) des charges. Maintenant, en gardant l'index tel quel, prends le deuxième doigt et pointe-le dans la direction du champ magnétique \(\vec{B}\), c'est-à-dire vers le bas. Maintenant, pointer le pouce donne la direction de la force de Lorentz sur les charges, vers l'arrière de la plaque.

Cette force fait dériver les charges vers l'arrière de la plaque, ce qui modifie leur vitesse \(\vec{v}\) et la direction de la force de Lorentz. En suivant la direction des charges avec l'index, on s'aperçoit que cette force de Lorentz les fait tourner en rond, formant des boucles fermées. Nous voyons donc que dans les situations où les charges d'un conducteur se déplacent perpendiculairement à un champ magnétique, des courants de Foucault se forment en raison de la force de Lorentz et de la règle de la main droite.

Perte de courant de Foucault

Après avoir vu comment ces courants de Foucault peuvent se produire, examinons maintenant leurs conséquences et l'effet qu'ils peuvent avoir sur certaines technologies clés.

L'un des effets les plus gênants des courants de Foucault est qu'ils peuvent être une énorme source de perte d'énergie, par exemple dans les transformateurs qui utilisent l'induction électromagnétique pour modifier la tension d'un courant électrique.

Les courants de Foucault provoquent des pertes d'énergie car aucun matériau n'est un conducteur parfait (à part les super-conducteurs, mais c'est une autre question). La plupart des matériaux ont une résistivité non nulle, ce qui signifie que les courants qui les traversent subissent une force de traînée due aux charges présentes dans les atomes et les molécules du conducteur lui-même.

Elle dépend de la résistance intrinsèque du matériau (R), de sa surface (A) et de sa longueur (L) :[\rho=\frac{R A}{L}.\rho=\rho=\rho]\rho=\rho.\rho=\rho.\rho=\rho.\rho.\rho.\rho.\rho.\rho.\rho.\r]

Ainsi, si des courants de Foucault apparaissent dans un conducteur dont la résistivité n'est pas nulle, ils dépenseront une partie de leur énergie cinétique sous forme de chaleur en essayant de surmonter les forces résistives. Cet effet de chauffage peut être brillamment exploité dans les plaques à induction modernes, qui utilisent l'induction électromagnétique pour produire des courants de Foucault dans une casserole au lieu de la chauffer avec des feux de gaz de manière conventionnelle.

Cependant, cet effet de chauffage peut constituer un problème majeur dans le contexte des transformateurs, où il faut conserver le plus d'énergie possible lors de la conversion entre différentes tensions. C'est pourquoi, dans les transformateurs modernes, les noyaux de fer sont constitués de centaines de feuilles de fer laminé mince. Comme les feuilles de fer sont isolées les unes des autres, les courants de Foucault ne peuvent pas se propager à travers le noyau de fer. De même, en gardant les feuilles aussi fines que possible, la résistivité du transformateur est maintenue aussi basse que possible.

Freinage par courants de Foucault

Cet effet de chauffage n'est pas le seul phénomène basé sur les courants de Foucault qui a été exploité pour produire des technologies ingénieuses. Les courants de Foucault peuvent également être utilisés pour produire des systèmes de freinage électromagnétiques, souvent utilisés dans les trains ou les chariots de montagnes russes. La physique qui sous-tend ce freinage est vraiment fascinante, car elle repose sur l'induction en va-et-vient de champs électriques et magnétiques.

Les freins à courant de Foucault existent en raison d'une loi de l'électromagnétisme connue sous le nom de loi de Lenz.

La loi de Lenz est contenue dans la loi d'induction de Faraday sous la forme d'un signe négatif dans l'équation \[\mathcal{E}=-\frac{\mathrm{d}\Phi_B(t)}{\mathrm{d}t}\].

Ce signe négatif garantit que le courant est dirigé de telle sorte que le champ magnétique produit par ce courant agit contre la variation initiale du flux. Ce champ magnétique opposé peut agir comme une force mécanique, en décélérant les objets magnétisés.

Par exemple, si l'on fait tomber un aimant dans un tuyau en cuivre, le changement de flux magnétique crée des courants de Foucault dans le tuyau. Ce courant produit alors une force magnétique qui agit contre le flux magnétique changeant, ralentissant l'aimant qui tombe. Cette expérience simple peut être réalisée dans un laboratoire scolaire et montre que l'aimant tombera sensiblement plus lentement dans le tuyau de cuivre qu'il ne le ferait en chute libre.

Les freins à courants de Foucault fonctionnent avec un disque rotatif de métal conducteur qui se déplace dans un champ magnétique fixe. Comme nous l'avons vu, cela produit des courants de Foucault dans le disque en rotation. Grâce à la loi de Lenz, ces courants de Foucault produisent alors des champs magnétiques qui s'opposent à la rotation du disque, ce qui le ralentit et entraîne la dissipation de l'énergie cinétique du disque sous forme de chaleur. Cette forme ingénieuse de rupture est souvent utilisée sur les chariots des montagnes russes pour ralentir en douceur les chariots à la fin de l'attraction. Cependant, comme les courants de Foucault ne peuvent être produits que lorsque le disque est en rotation, les freins à courants de Foucault ne peuvent pas être utilisés pour maintenir un train à l'arrêt. En général, les freins à courants de Foucault sont donc utilisés avec des freins mécaniques normaux, le plus souvent sur les trains.

Test des courants de Foucault

Les courants de Foucault sont également couramment utilisés dans les essais de matériaux, où ils peuvent être utilisés pour rechercher des fissures ou des défauts. Dans le contrôle par courants de Foucault (ECT), une sonde électrifiée composée d'une bobine de fil conducteur est passée sur la surface d'un matériau conducteur. Le champ magnétique créé par cette sonde électrifiée crée alors des courants de Foucault dans le matériau conducteur, la mesure de ces courants de Foucault indique la conductivité électrique et la perméabilité magnétique du matériau. Les fluctuations de la conductivité ou de la perméabilité du matériau au fur et à mesure que la sonde se déplace indiquent des défauts ou des fissures dans le matériau, qui peuvent être beaucoup trop petits pour être vus à l'œil nu. En raison de sa nature électrique, l'ECT ne peut être effectuée que sur des matériaux conducteurs. L'ECT est extrêmement important dans l'industrie aérospatiale, où la moindre fissure à la surface d'un avion peut rapidement devenir désastreuse lorsqu'il vole à grande vitesse et à haute altitude.