Un très grand nombre de convertisseurs d’énergie électriques (transformateurs et convertisseurs électroniques), électromécaniques (moteurs et générateurs) ou électrothermiques (chauffage) sont constitués d’un étage dans lequel l’énergie est contenue dans un champ magnétique. Ces machines possèdent alors un circuit magnétique, un dispositif permettant de créer le champ magnétique, enroulement ou aimant permanent, qu’on nomme inducteur et, enfin, un dispositif destiné à subir l’influence de ce champ magnétique nommé induit.
Dans certains cas, comme l’alimentation à découpage de type fly-back non isolé, l’enroulement est unique et il joue successivement le rôle d’inducteur et d’induit.
Le champ magnétique peut être constant ou variable dans le temps et le circuit magnétique peut-être fixe ou mobile ce qui, pour chaque cas, crée des contraintes que le concepteur du convertisseur doit prendre en compte. La principale étant que les conducteurs soumis à des champs magnétiques variables sont l’objet de forces électromotrices responsables de l’apparition de courants qui sont, dans certains cas, indésirables.
Le stockage de l’énergie dans un convertisseur peut se faire aussi dans un champ électrique, on parle alors de machines électrostatiques, mais ces dernières sont beaucoup moins répanduesIl existe désormais des systèmes appelés super condensateurs qui permettent de stocker très rapidement une charge électrique (par exemple, récupération de l'énergie de freinage d'un véhicule). compte tenu des contraintes magnétiques et électriques maximales admissibles dans les matériaux qui donnent un énorme avantage aux convertisseurs utilisant les champs magnétiques..
thumb|Les lignes de champ magnétique (en vert) d'une boucle de fil parcourue par un courant passent par le centre de la boucle, concentrant le champ à cet endroit.
Un circuit inducteur. ou enroulement inducteur correspond à un circuit constitué de conducteurs électriques dont l’objectif est de créer le champ magnétique au sein du matériau.
Pour des raisons d'efficacité mais aussi pour éviter les fuites de flux vers l'extérieur, fuites qui seraient susceptibles de perturber le fonctionnement d'autres appareils, le fil est disposé en forme d'enroulement (spirale ou hélice) autour du circuit magnétique . Les enroulements inducteurs sont utilisées en génie électrique, dans les applications où le courant électrique interagit avec le champ magnétique, dans des dispositifs tels que les machines électriques, les bobines d'inductance, les électro-aimants, les transformateurs et les bobines de capteur. Un courant électrique passe à travers le fil de la bobine pour engendrer un champ magnétique ou, inversement, un champ magnétique externe « variable dans le temps » à l'intérieur de la bobine de champ génère une force électromotrice (tension électrique) dans le conducteur, décrite par la loi de Lenz-Faraday. Selon la loi de Lenz, la tension induite a une polarité (direction) qui s'oppose à la variation du courant qui l'a créée. Par conséquent, les circuits inducteurs s'opposent à toute modification du courant qui les traverse.
Un courant traversant un conducteur quelconque crée un champ magnétique circulaire autour du conducteur en raison de la loi d'Ampère. L'avantage d'utiliser la forme de la bobine est qu'elle augmente l'intensité du champ magnétique produit par un courant donné et qu'elle concentre le flux en son sein. Les champs magnétiques engendrés par les différentes spires du fil passent tous par l'intérieur de la bobine et s'additionnent (superposent) pour produire un champ plus puissant à cet endroit. Plus le nombre de spires du fil est grand, plus le champ produit est puissant.
La direction du champ magnétique produit par une bobine peut être déterminée par la règle de la main droite. Si les doigts de la main droite sont enroulés autour du noyau magnétique d'une bobine dans le sens conventionnel du courant à travers le fil, le pouce pointera dans la direction où les lignes de champ magnétique passent à travers la bobine. L'extrémité d'un noyau magnétique d'où émergent les lignes de champ est définie comme étant le pôle Nord.
Il existe de nombreux types de bobines utilisés dans les équipements électriques et électroniques.
vignette|Dans une bobine composée de plusieurs tours de fil, le champ magnétique des tours s'additionne au sein de la bobine, créant ainsi un champ plus puissant. Ce dessin montre une coupe transversale au centre de la bobine. Les croix représentent les fils dans lesquels le courant pénètre dans la page ; les points représentent les fils dans lesquels le courant sort de la page.
À noter que le terme anglais Commission électrotechnique internationale "Vocabulaire Electrotechnique International", norme internationale ISO / CEI 60050 Inductance, bobine d'inductance : Electropédia 151-13-25. signifie bobine d'inductance ou inductance, un terme plus générique décrivant tout composant produisant un effet inductif significatif.
Description Le flux magnétique engendré par un courant donné dépend de la forme géométrique du circuit mais aussi du matériau au sein duquel ce flux du champ magnétique est créé. En l'absence de saturation et/ou d'hystérésis, on a une quasi linéarité et leur rapport définit l'inductance ainsi : .
L'inductance d'un circuit dépend de la géométrie du trajet du courant ainsi que de la perméabilité magnétique des matériaux voisins. Un circuit inducteur est un montage constitué d'un fil ou d'un autre conducteur façonné de manière à concentrer le flux du champ magnétique à travers le circuit, généralement sous la forme d'une bobine ou d'une hélice, avec deux bornes. En enroulant le fil dans une bobine, on augmente le nombre de fois où les lignes de flux magnétique relient le circuit, ce qui accroît le champ et donc l'inductance. Plus il y a de tours, plus l'inductance est élevée. L'inductance dépend également de la forme de la bobine, de la séparation des spires et de nombreux autres facteurs. En ajoutant un "noyau magnétique" fait d'un matériau ferromagnétique comme le fer à l'intérieur de la bobine, le champ magnétisant de la bobine induira une magnétisation dans le matériau, augmentant ainsi le flux magnétique. La perméabilité élevée d'un noyau ferromagnétique peut augmenter l'inductance d'une bobine par un facteur de plusieurs milliers par rapport à ce qu'elle serait sans lui. Toutefois la présence de ce matériau entraine des complications. À la différence du vide ce dernier est plus ou moins conducteur et va donc être le siège de courants induits non désirés. De plus le flux du champ magnétique ne sera plus proportionnel au courant qui traverse l'inducteur ce qui peut produire des non-linéarités non désirées, enfin, à tension égale, la croissance du courant au cours du temps sera plus limitée ce qui peut limiter la fréquence de fonctionnement du dispositif.
Loi de comportement En l'absence de saturation, toute modification du courant traversant une inductance crée un changement de flux, induisant une tension aux bornes de l'inductance. En vertu de la loi d'induction de Faraday, la tension induite par tout changement du flux magnétique à travers le circuit est donnée par :
En reformulant la définition de ci dessus on obtient :
Il en résulte que
pour indépendant du temps, du courant et de la liaison du flux magnétique.
L'inductance est donc également une mesure de la quantité de force électromotrice (tension) générée pour un taux de variation de courant donné. Par exemple, une inductance de 1 henry produit une force électromotrice de 1 volt lorsque le courant qui la traverse varie à raison de 1 ampère par seconde. On considère généralement qu'il s'agit de la loi de comportement (équation de définition) du circuit inducteur (ou d'une bobine d'inductance).
Le dipôle dual d'une bobine d'inductance est le condensateur, qui stocke l'énergie dans un champ électrique plutôt que dans un champ magnétique. Sa relation courant-tension est obtenue en échangeant le courant et la tension dans les équations d'une bobine d'inductance et en remplaçant L par la capacité C.
Loi de Lenz
La polarité (direction) de la tension induite est donnée par la loi de Lenz, qui stipule que la tension induite sera telle qu'elle s'opposera au changement de courant.. Par exemple, si le courant à travers un enroulement inducteur augmente, la tension induite sera positive au point d'entrée du courant et négative au point de sortie, tendant à s'opposer au courant supplémentaire.... L'énergie du circuit externe nécessaire pour surmonter cette " hauteur " potentielle est stockée dans le champ magnétique de l'inducteur. Si le courant diminue, la tension induite sera négative au point d'entrée du courant et positive au point de sortie, tendant à maintenir le courant. Dans ce cas, l'énergie du champ magnétique est restituée au circuit.
Énergie stockée dans un circuit inducteur Une explication intuitive de la raison pour laquelle une différence de potentiel est induite lors d'un changement de courant dans un circuit inducteur est la suivante :
Lorsqu'il y a une variation du courant dans un circuit inducteur, il y a une variation de l'intensité du champ magnétique. Par exemple, si le courant est augmenté, le champ magnétique augmente. Toutefois, cela a un prix. Le champ magnétique contient de l'énergie potentielle, et l'augmentation de l'intensité du champ nécessite le stockage d'une plus grande quantité d'énergie dans le champ. Cette énergie provient du courant électrique qui traverse le circuit inducteur. L'augmentation de l'énergie potentielle magnétique du champ est transmise par les charges circulant dans les enroulements. Cela se traduit par une force dite contre-électromotrice aux bornes des enroulements tant que le courant augmente. Une fois que le courant n'augmente plus et qu'il est maintenu constant, l'énergie du champ magnétique est constante et, en dehors des pertes dues aux résistances, aucune énergie supplémentaire ne doit être fournie, de sorte que la différence de potentiel aux bornes se limite à celle correspondant à la loi d'Ohm. De même, si le courant traversant le circuit inducteur diminue, l'intensité du champ magnétique diminue, et l'énergie dans le champ magnétique diminue. Cette énergie est renvoyée dans le circuit sous la forme d'une augmentation de l'énergie potentielle électrique des charges en mouvement, ce qui provoque une augmentation de la tension aux bornes des enroulements.
Dérivation Le travail effectué par unité de charge sur les charges traversant le circuit inducteur est de . Le signe négatif indique que le travail est effectué contre la force électromotrice, et non par la force électromotrice. Le courant est la charge par unité de temps qui traverse le circuit inducteur. Par conséquent, le taux de travail fourni par les charges à l'encontre de la force électromotrice, c'est-à-dire le taux de variation de l'énergie du courant, est donné par la formule suivante :
D'après l'équation constitutive du circuit inducteur, donc
Dans une inductance à noyau ferromagnétique, lorsque le champ magnétique s'approche du niveau de saturation du noyau, l'inductance commence à changer, elle est fonction du courant . En négligeant les pertes, l'énergie stockée par un circuit inducteur traversé par un courant qui la traverse est égale à la quantité de travail nécessaire pour établir le courant dans le circuit inducteur. Elle est donnée par:, ou est la présumée « inductance différentielle » et est définie comme suit : . Dans une inductance à noyau d'air ou une inductance à noyau ferromagnétique en dessous de la saturation, l'inductance est constante (et égale à l'inductance différentielle), donc l'énergie stockée est de