La loi de Lenz
La loi de Lenz est une façon courante de comprendre comment les circuits électromagnétiques obéissent à la troisième loi de Newton et à la conservation de l'énergie. La loi de Lenz porte le nom d'Emil Lenz, et elle dit
Une force électromotrice induite (emf) donne toujours naissance à un courant dont le champ magnétique s'oppose à la modification du flux magnétique initial.
La loi de Lenz est représentée par le signe négatif dans la loi d'induction de Faraday :
E = - ∂ Φ B ∂ t {\displaystyle {\mathcal {E}}=-{\frac {\partial \Phi _{\mathrm {B} } }{\partie t}}}
,
qui indique que la force électromotrice induite (ℰ) et la variation du flux magnétique (∂ΦB) ont des signes opposés.
La force électromotrice induite et le courant induit qui en résulte sont dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsque B est dirigé vers l'extérieur de la page et que la surface du circuit diminue. Le flux à travers ce circuit diminue dans la direction de l'extérieur. Maintenant, le courant induit I produit son propre champ magnétique, et nous pouvons utiliser la règle de la poignée droite pour calculer la direction de ce champ. Le résultat est que le champ magnétique dû au courant induit est également dirigé vers l'extérieur à l'intérieur du circuit. C'est comme si la nature, par le biais de ce champ induit, essayait de compenser la réduction du flux due au champ appliqué B. Ceci s'avère être expérimentalement une règle générale, de sorte que nous pouvons dire que
La direction de la fEM induite est toujours telle qu'elle entraîne une opposition au changement qui la produit.
C'est la loi de Lenz.
Comme autre exemple de l'application de la loi de Lenz, considérons une bobine de fil à laquelle une batterie est soudainement connectée. Supposons que la batterie déclenche un courant circulant dans le sens des aiguilles d'une montre, comme le voit l'observateur. Ce courant donnera naissance à un champ magnétique dont les lignes enfileront la bobine et tourneront à l'extérieur de celle-ci. Ainsi, à mesure que le courant dû à la batterie s'accumule, il y a un flux magnétique changeant à travers la bobine et cela doit entraîner une force électromotrice induite dans la bobine. Quelle est la direction de cette force électromotrice induite ? La loi de Lenz nous dit immédiatement qu'elle doit être dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, afin de s'opposer à l'accumulation du courant. De même, lorsque le courant dans un circuit est interrompu, la force électromotrice induite cherche à empêcher le courant de s'éteindre, ce qui explique l'étincelle observée lorsque les interrupteurs sont ouverts lentement. La force électromotrice induite dans un circuit dont le courant change est appelée force électromotrice inverse, car elle s'oppose toujours à l'altération du courant. Elle résulte de la modification du champ magnétique propre du courant, un effet appelé auto-inductance.
Si la loi de Lenz n'était pas vraie, une augmentation du courant dans une bobine entraînerait une force électromotrice qui aiderait la batterie utilisée, augmentant ainsi le courant, ce qui entraînerait une force électromotrice plus importante et une augmentation du courant, à l'infini. Il s'agirait d'une situation instable, dans laquelle le principe de conservation de l'énergie serait désobéi.
Ce type de raisonnement peut être étendu à d'autres situations dans lesquelles un système en équilibre est déplacé et le principe auquel on est parvenu est le suivant.
Lorsqu'un système en équilibre est perturbé, l'équilibre est déplacé dans la direction qui tend à annuler les effets de la perturbation.
Cette généralisation de la loi de Lenz est appelée principe de Le Chatelier.
Questions et réponses
Q : Qu'est-ce que la loi de Lenz ?
R : Selon la loi de Lenz, une force électromotrice (emf) induite génère toujours un courant dont le champ magnétique s'oppose à la variation du flux magnétique initial.
Q : Comment la loi de Lenz apparaît-elle dans la loi d'induction de Faraday ?
R : Dans la loi d'induction de Faraday, la loi de Lenz est représentée par un signe négatif, indiquant que la force électromotrice induite et la variation du flux magnétique sont opposées.
Q : Dans quelle direction le courant induit circule-t-il lorsque B' est dirigé du côté vers l'extérieur et que la surface du circuit diminue ?
R : Le courant induit se déplace dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsque B' se déplace d'un côté à l'autre et que la surface du circuit diminue.
Q : Qu'est-ce que la nature essaie de faire avec ce champ induit ?
R : La nature essaie de compenser la diminution du flux causée par le champ appliqué en créant un champ magnétique extérieur dans le circuit causé par le courant induit.
Q : Que se passe-t-il lorsqu'une batterie est soudainement connectée à une bobine conductrice ?
R : Lorsqu'une pile est soudainement connectée à une bobine de fil, elle déclenche un courant qui, du point de vue de l'observateur, tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Cela génère une force électromotrice induite qui, selon la loi de Lenz, est orientée dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et résiste à l'augmentation du courant provoquée par le couplage.
Q : Quel effet l'auto-inductance a-t-elle sur les circuits dans lesquels les courants changent ?
R : L'auto-inductance fait qu'une augmentation du courant dans un enroulement provoque une force électromotrice qui résiste à cette augmentation, empêchant ainsi les situations instables où la conservation de l'énergie serait violée.
Q:Quel principe peut être étendu à partir de la loi de Lenz ?
R : La loi de Lenz peut être étendue au principe de Le Chatelier selon lequel, lorsque l'équilibre d'un système est perturbé, l'équilibre se déplace de sorte que les effets de la perturbation s'annulent.
