Fiche explicative de la leçon: Redressement de courant Physique • Troisième secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire l’utilisation d’un commutateur pour convertir la sortie d’un générateur de courant alternatif en un courant continu.

Un générateur est un appareil qui transforme de l’énergie mécanique en énergie électrique. Il le fait en appliquant une force mécanique pour faire tourner une bobine de fil dans un champ magnétique constant. La bobine tourne dans un plan qui est perpendiculaire au champ magnétique, comme indiqué ci-dessous.

Même si le champ est constant, le champ magnétique total passant dans la bobine change à mesure que la bobine tourne.

En raison de cette variation, une différence de potentiel est induite dans la bobine.

La différence de potentiel dans la bobine crée un courant, qui est la façon dont le générateur transfère l’énergie électrique vers un circuit externe.

Le courant induit dans la bobine rotative sera un courant alternatif (AC). Le courant dans la bobine change de sens chaque fois que la bobine effectue une demi-rotation. Le courant généré au cours du temps apparaît donc comme suit.

Bien que le courant créé par un générateur soit naturellement alternatif, de nombreuses utilisations pratiques de l’énergie électrique exigent un courant qui ait toujours le même sens. Un tel courant est appelé courant continu (CC).

Pour qu’un générateur délivre un courant continu, le courant qu’il produit est modifié par un processus appelé redressement.

Étant donné le courant alternatif illustré ci-dessus, le courant de sortie, dit redressé, apparaîtra comme suit.

Notez que le redressement d’un courant alternatif ne change pas l’intensité du courant. Le redressement ne change que le sens du courant afin qu’il soit toujours le même.

Rappelons que lorsqu’un générateur produit un courant, ce courant est acheminé vers un circuit externe. Le circuit externe peut se connecter à la bobine rotative du générateur au moyen de pièces appelées bagues collectrices, comme suit.

Les bagues collectrices sont des bagues conductrices qui établissent un contact électrique constant avec les extrémités de la bobine rotative. Elles permettent le transfert de courant même lorsque la bobine tourne, comme indiqué sur le schéma ci-dessous.

Chaque bague collectrice est fixée à une borne du circuit externe. Comme chaque bague maintient un contact avec la même borne à tout moment, les bagues collectrices elles-mêmes n’affectent pas le sens du courant. Toute variation du sens du courant dans la bobine est transmise au circuit externe.

Les bagues collectrices sont un moyen efficace de transférer un courant alternatif vers un circuit externe. Cependant, pour transférer un courant continu, le courant doit être redressé lors de son transfert.

Ceci est accompli en utilisant un dispositif appelé commutateur. Un commutateur est une bague fendue faite de matériau conducteur, comme indiqué ci-dessous.

À la différence des bagues collectrices, un commutateur tourne avec la bobine. Chaque moitié du commutateur maintient un contact électrique constant avec une extrémité de la bobine.

Regardons de plus près : 

Chaque extrémité de la bobine rotative est fixée à la moitié du commutateur à bague fendue. Lorsque la bobine et le commutateur tournent ensemble, le contact électrique avec le circuit externe est maintenu par ce que l’on appelle des balais.

Le commutateur est une bague divisée en deux moitiés égales. Pendant la moitié d’une rotation, il sera en contact avec un balai, et pendant l’autre moitié, il sera en contact avec le deuxième balai.

Le courant dans le commutateur change de sens, comme dans la bobine. Cependant, la vitesse de cette alternance correspond à la vitesse à laquelle le commutateur établit le contact électrique avec l’une ou l’autre extrémité du circuit externe.

Ainsi, il en résulte que même si le courant dans la bobine continue d’alterner, le courant dans le circuit externe est toujours dirigé dans le même sens. C’est par ce moyen que le commutateur redresse le courant.

On considère maintenant le courant redressé produit par un tour complet de la bobine rotative.

L’intensité du courant généré dépend de l’angle de la bobine par rapport au champ magnétique. On peut dire qu’au départ, la bobine a la position suivante.

Avec cette orientation, la bobine ne produit aucun courant. C’est toujours vrai lorsque la bobine est située dans un plan perpendiculaire au champ magnétique.

Cependant, la bobine qui tourne avec d’autres angles génère un courant qui est ensuite redressé par le commutateur.

L’intensité redressée délivrée au circuit externe lors d’une rotation complète de la bobine est illustrée sur le schéma suivant.

Notez les orientations de la bobine par rapport au champ qui produisent des courants minimum et maximum.

Exemple 1: Identifier la sortie de courant à partir d’un générateur redressé

Le mouvement d’un générateur de courant alternatif aux instants successifs , et est illustré par trois images. La sortie du courant est redressée à l’aide d’un commutateur. Quelle est la couleur de la courbe sur le graphique qui montre correctement la sortie du générateur entre et  ? Les flèches vertes représentent le courant induit.

Réponse

D’après les trois images du mouvement de la bobine, nous voyons que, à l’instant , le plan de la bobine est parallèle au champ magnétique, qui est dirigé de droite à gauche.

Avec cette orientation, le courant induit dans la bobine atteint son intensité maximale.

On voit aussi que, à et , le plan de la bobine n’est pas parallèle au champ magnétique, ce qui indique que le courant induit à ces instants sera inférieur à la valeur maximale.

On peut dire, alors, que la courbe illustrant correctement le courant induit sur l’intervalle de temps spécifié sera plus élevée vers le milieu et plus basse vers chaque extrémité de la courbe.

Parmi les quatre réponses possibles, la seule courbe qui suit cette description est la courbe bleue. C’est la courbe indiquant correctement la sortie du générateur entre et .

Exemple 2: Identifier la position de la bobine et le sens du courant dans un générateur à un instant donné

Le mouvement d’un générateur de courant alternatif aux instants successifs et est illustré sur deux images. La sortie du courant est redressée à l’aide d’un commutateur. Laquelle des images suivantes représente correctement la position et la sortie du générateur à un instant avec  ? Les flèches vertes représentent le courant induit.

Réponse

En observant la position de la bobine aux instants et et en notant que ces instants sont successifs (l’un après l’autre), on voit que, entre ces deux instants, la bobine a tourné approximativement de dans le sens des aiguilles d’une montre de notre point de vue. De plus, en observant le plan de la bobine, le courant est dirigé dans le sens des aiguilles d’une montre aux deux instants.

Nous imaginons maintenant que l’on avance à un instant . L’instant est plus avancé que de la même façon que est en avance sur , c’est-à-dire que l’intervalle de temps est le même.

On peut donc imaginer que la bobine à aura tourné de par rapport à sa position à . Parce que cette rotation est inférieure à , on s’attend à ce que lorsque le plan de la bobine est vu de dessus, le courant est dirigé dans le même sens des aiguilles d’une montre que à et .

En examinant les réponses fournies, B et C semblent répondre à ces critères. En y regardant de plus près, cependant, les connecteurs de couleur rouge et bleue dans la réponse B correspondent à l’ordre de ceux donnés dans l’énoncé du problème, tandis que ceux de la réponse C sont inversés.

Cette inversion indique la rotation progressive de la bobine de manière incorrecte. Par conséquent, nous éliminons la réponse C et choisissons l’option B comme bonne réponse.

Même lorsque le courant est redressé de sorte qu’il est dirigé dans le même sens, l’intensité du courant de sortie peut varier de manière significative, comme indiqué ci-dessous.

Pour « lisser » le courant redressé produit par un générateur, l’approche suivante peut être adoptée.

Rappelons que l’intensité du courant induit est maximale lorsque le plan de la bobine rotative est parallèle au champ magnétique et minimale lorsqu’elle est perpendiculaire à ce champ.

Considérons un ensemble de quatre bobines identiques disposées avec un angle de les unes par rapport aux autres.

Chacune de ces quatre bobines subira un courant induit lorsque l’appareil tournera, et chacune contribuera à un courant global généré.

Comme aucune des bobines ne se situe dans le même plan, chacune générera un courant avec une phase différente des autres.

Dans le graphique suivant, les courbes rouge, verte, bleue et violette représentent le courant redressé généré dans chaque bobine.

À chaque instant donné, nous trouvons le courant total généré en additionnant les valeurs des courbes rouge, verte, bleue et violette.

Sur le graphique suivant, ces valeurs sont combinées à deux instants donnés.

À chaque instant, le point noir est la somme des valeurs des points rouges. Les points noirs se situent le long de la courbe noire, indiquant que cette courbe représente le courant total généré à tout instant.

Cette somme peut être illustrée de manière plus explicite sur le graphique suivant.

Notez que l’intensité du courant varie moins sur la courbe noire que sur toutes les autres. Si encore plus de bobines étaient ajoutées à des angles intermédiaires, la courbe de courant total serait encore plus plate.

Voyons un exemple.

Exemple 3: Identifier la sortie du courant alternatif des bobines d’un générateur

Un générateur de courant alternatif redressé contient quatre bobines qui sont alignées les unes par rapport aux autres à des angles à intervalle égal, comme indiqué sur le schéma. Le graphique montre la sortie du générateur, où les courbes rouge, verte, bleue et violette correspondent à la sortie des différentes bobines. L’origine du graphique correspond aux boucles occupant les positions indiquées sur le schéma.

1. Quelle sortie de la boucle correspond à la courbe bleue ? 
2. Quelle est la couleur de la courbe correspondant à la sortie totale de toutes les boucles ? 

Réponse

La courbe bleue atteint une valeur maximale à . Les quatre bobines du schéma sont représentées à cet instant. Nous savons qu’une bobine avec son plan parallèle à un champ magnétique externe va générer une intensité de courant maximale à cet instant.

La bobine avec cette orientation à est marquée IV. C’est la boucle dont la sortie correspond à la courbe bleue.

Le courant de sortie total de toutes les boucles est égale à la somme des courants individuels générés. La courbe de cette sortie combinée est donnée en additionnant les courbes rouge, bleue, verte et violette à chaque instant. Par conséquent, la courbe orange indique la sortie totale de toutes les boucles.