La force électromotrice induite avec Arduino

Avec cette activité vous pourrez découvrir comme la variation du champ magnétique puisse produire un courant electrique, tout comme la dynamo d’un vélo.

Pour atteindre cet objectif, nous utiliseront Arduino UNO, une plate-forme matérielle utilisée pour construire projets de robotique, d’électronique et d’automatisation, sur laquelle on télécharge un software (dans le langage C) qui nous permettra de contrôler une série de capteurs liés à la carte elle-même, et d’intéragir avec eux. Dans ce projet, Arduino agira exclusivement comme voltmètre, permettant ainsi de mésurer la tension induite par la variation du champ magnétique. ​En plus de la carte d’Arduino, nous aurons bésoin d’un fil de cuivre, qui nous servira pour créer une bobine – par conséquent il en servira beaucoup – un tube en carton comme celui des rouleaux de papier de cuisine, autour duquel nous enroulerons le fil de cuivre, certains câbles de connexion, un aimant, qui doit glisser à l’intérieur du tube – donc ne le prenons pas trop grand – et une base de bois ou en carton.

Dans ce projet, nous verrons comment le courant qui circule à l’intérieur du circuit ne sera pas produit par une batterie ou une pile, mais par le mouvement d’un aimant. En fait, en faisant tomber l’aimant à l’intérieur d’un tube, le champ magnétique ainsi crée variera, en generant un courant electrique induit. En effectuant divers essais, vous pouvez facilement vérifier que l’intensité du courant induit dépend exclusivement de trois grandeurs:

1. la variation du champ magnétiqueextérieur (plus la vitesse de variation du champ magnétique est élevée, plus haute l’intensité du courant induit);
2. l’aire du circuitinduit(en augmentant le nombre de spires de la bobine, plus grande sera sa surface);
3. l’orientation du circuit.

De nombreuses expériences, menées dès le milieu du 19ème siècle, ont conduit à la loi de l’induction électromagnetique, connue aussi comme loi de Faraday – Neumann – Lenz, qui dit que la valeur de la force électromotrice induite est égale au rapport entre la variation du flux du champ magnétique (le flux du champ magnétique à travers le circuit est égale au produit de la zone A du circuit multiplié par le module de la composante du champ magnétique perpendiculaire au circuit) et le temps nécessaire pour avoir telle variation, tandis que le sens du courant induit, que l’on est venu créer, est toujours de nature à s’opposer à la variation du flux même. Nous pouvons donc affirmer que la force electromotrice induite dépend exclusivement de la rapidité avec laquelle le flux du champ magnétique à travers le circuit varie. Cela nous amène à conclure que pour avoir des courants induits intenses, il faut varier le flux du champ magnétique de beaucoup en peu de temps, par example en changeant vite le champ magnétique dans la zone du circuit, ou en variant rapidément l’orientation du circuit par rapport aux lignes du champ. Après cette brève introduction théorique, nous commençons avec la construction du circuit. D’abord, nous prenons le tube et commençons à enrouler autour le fil de cuivre, en créant au moins 50 enroulements le plus étroits que possible (il est fundamentale de ne pas laisser d’éspaces vides entre une spire et la suivante). Dans ce stade, c’est très important d’enrouler le fil le plus etroit que possibie au tube, en veillant à ne pas le déformer, et à ne pas dechirer le fil lui-même. En outre, pour voir clairement l’effet de variation du champ magnétique, c’est utile de laisser au moins 5 centimètres de tube libres de deux côtés. Une fois terminé la construction de la bobine, nous devons reglier les extremités à la carte d’Arduino, sélon le schéma suivant.

Liaisons entre la bobine et la carte Arduino: Premier bout de la bobine —> pin A1; Second bout de la bobine —> pin GND. Réalisés toutes les connections matériels, passons maintenant à  la programmation de la carte D’abord, rélions, avec son cable approprié, la carte Arduino à nôtre pc, où nous avons précédemment installé le logiciel pour contrôler et programmer la carte Arduino. Après avoir ouvert l’IDE d’Arduino, nous allons dans Instruments/carte et selectionnions Arduino/Genuino Uno et, après, dans Instruments/porte et selectionnions la porte à laquelle nôtre Arduino est rélié. De cette façon, nous avons reglé l’environnement de travail d’Arduino et nous pouvons commençer à écrire le code pour nôtre voltmètre, que vous pouvez télécharger ici.

D’abord, nous devons ouvrir le sketch à l’intérieur de l’IDE d’Arduino (fichier/ouvrir et puis selectionnions le fichier voltmètre.ino), et le téléchargeons sur la carte (pour faire ça, il suffit de cliquer sur la flèche en haut à gauche à côté du symbole de coche). Après quoi, nous ouvrons le traceur série d’Arduino (Instruments/traceur série).

Faites ces opérations préliminaires, préparez-vous à faire varier le champ magnétique pour générer un courant induit. Pour faire ça, il suffit de placer la bobine in position verticale, et faire tomber, à l’intérieur d’elle, nôtre aimant.  Ainsi Arduino lira la valeur de la tension induite, qui coule à l’intérieur du circuit, nous montrant sa variation dans le temps. Nous pouvons faire tomber plusieurs fois l’aimant, et voir ce qui se passe. Il peut arriver que la tension induite soit trop faible; par consequent, vous pouvez changer la valeur de multiplication du vout,  en l’augmentant d’un facteur 10 (de 1000.0 à 10000.0 par example) pour amplifier le signal lu par Arduino. Comme vous pouvez le voir dans l’image suivante, une onde représentant la valeur de tension lue par Arduino apparaîtra sur le traceur série. Au fur et à mesure que l’aimant entre dans la bobine, le flux du champ magnétique, passant à l’intérieur de la bobine elle-même, va changer en générant une variation de flux différente de zéro, induisant ainsi la formation d’un champ électrique et, par conséquent, d’une tension électrique. Au contraire, une fois que l’aimant est entré complètement à l’intérieur de la bobine, le flux du champ magnétique est constant, et par conséquent sa variation temporelle est nulle. Dans cette phase, le champ électrique induit est zero, ainsi que la tension qui passe dans le circuit. Dans le graphique, elle est représentée par une phase, plus ou moins rapide, dans laquelle la tension est zero. Enfin, tandis que l’aimant sorte de la bobine, le flux du champ magnétique change à nouveau dans le temps, entraînant la formation d’un champ électrique induit et d’une tension différente de zero.