Fiche explicative de la leçon: Induction électromagnétique dans les générateurs Physique

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment décrire le phénomène d’induction électromagnétique dans des systèmes tels que des générateur ou des dynamos.

Le phénomène d’induction électromagnétique correspond à la production d’un courant électrique dans un matériau conducteur se déplaçant à proximité d’un aimant.

La figure suivante représente un aimant immobile situé à proximité d’une bobine de fil conductrice.

Seule une des lignes de champ du champ magnétique de l’aimant est représentée. En réalité, les lignes de champ vont du pôle nord de l’aimant vers le pôle sud, de manière symétrique et dans toutes les directions.

Il n’existe courant induit dans la bobine si ni l’aimant ni la bobine ne se déplacent.

La figure suivante représente un aimant qui est rapproché ou éloigné de manière mécanique de la bobine conductrice.

Un courant est produit par induction électromagnétique dans la bobine.

Nous voyons que la direction du courant produit dans la bobine est liée au fait que l’aimant se rapproche ou s’éloigne de la bobine, mais que dans les deux cas, un courant est produit.

Un courant serait également produit si l’aimant restait immobile et que la bobine était rapproché ou éloigné de l’aimant. Ce courant aurait la même intensité que dans le cas où l’aimant est déplacé.

Si un aimant est déplacé à travers une bobine conductrice, d’un côté à l’autre, cela veut dire que d’abord l’aimant se rapproche et qu’ensuite il s’éloigne de la bobine. La direction du courant dans la bobine change donc à chaque fois que cela se produit.

Un générateur est un appareil qui utilise le phénomène d’induction électromagnétique pour produire un courant électrique.

La figure suivante représente les principaux composants d’un générateur.

Sur la représentation schématique d’un générateur, généralement seuls les pôles de l’aimant sont représentés.

La bobine d’un générateur doit être reliée à un circuit, comme indiqué sur la figure suivante.

Le circuit peut être composé de n’importe quel composant électrique ayant besoin du courant produit par le générateur.

Pour qu’un courant soit produit, il doit exister des forces permettant de faire tourner la bobine, comme indiqué sur la figure suivante.

Ces forces sont exercées pour faire tourner la bobine.

Il est très important de comprendre les points suivants concernant les forces à l’origine de la rotation de la bobine : 

• Les forces à l’origine de la rotation de la bobine sont des forces exercées de manière mécanique.
• Les forces à l’origine de la rotation ne sont ni électriques ni magnétiques.
• Les forces à l’origine de la rotation ne dépendent pas de l’existence d’un champ magnétique.
• La rotation de la bobine est fondamentalement la même que la rotation mécanique de tout objet autour d’un axe et n’est pas lié à un phénomène électromagnétique.

Lorsque la bobine est en rotation, un courant est produit dans la bobine par induction électromagnétique. Comme le circuit est connecté à la bobine, le courant circule aussi dans le circuit.

Il est important de noter que le circuit n’est pas représenté sur le schéma des forces à l’origine de la rotation de la bobine. Il existe plusieurs méthodes permettant de relier une bobine en rotation à un circuit.

L’une de ces méthodes consiste à utiliser des bagues collectrices. Cette méthode est illustrée sur la figure suivante.

Il est utile de regarder de plus près les bagues sur la figure suivante.

On voit que les deux extrémités de la bobine sont en contact avec les bagues.

Les bagues sont en rotation et elles tournent en fait à la même vitesse que la bobine.

Le contact entre les bagues et les extrémités du circuit se fait au niveau des balais, qui frottent contre les bagues en rotation. Cela permet de faire le lien entre la bobine et le circuit.

La figure suivante représente les variations du courant en fonction du temps dans un circuit connecté à un générateur avec des bagues collectrices comme celui-ci, pour une vitesse de rotation constante de la bobine.

Le graphique représente les variations de l’intensité du courant pour une rotation complète de la bobine.

Nous voyons que le courant change de direction pendant la rotation de la bobine. Sur la première moitié de la rotation, le courant circule dans une certaine direction à travers le circuit et sur la deuxième moitié de la rotation, le courant circule dans la direction opposée. Il s’agit d’un courant alternatif.

Un autre moyen de connecter un générateur à un circuit est d’utiliser un commutateur. Ceci est représenté sur la figure suivante.

Le commutateur est représenté en détail sur la figure suivante.

Nous voyons que lorsque la bobine tourne, les deux moitiés du commutateur tournent également. La vitesse de rotation est la même pour la bobine et le commutateur.

Chaque moitié du commutateur est reliée à un balai, qui est connecté à une extrémité différente du circuit.

Lorsque le commutateur a effectué la moitié de la rotation complète, il y a alors un échange des extrémités du circuit auxquelles les deux moitiés du commutateur sont connectées. Cela signifie qu’il y a également un échange des extrémités de la bobine auxquelles les deux moitiés du circuit sont connectées.

La figure suivante représente les variations du courant en fonction du temps dans un circuit relié à un générateur par un commutateur comme celui-ci, pour une vitesse de rotation constante de la bobine.

Le graphique représente les variations du courant pour une rotation complète de la bobine.

Nous voyons que la direction du courant est la même tout au long de la rotation, mais que l’intensité du courant varie. Il s’agit d’un courant alternatif redressé.

La figure suivante permet de comparer les variations du courant en fonction du temps pendant une rotation complète pour un générateur utilisant des bagues collectrices et un autre générateur utilisant un commutateur.

Regardons maintenant un exemple concernant le courant produit par les générateurs utilisant des bagues collectrices et ceux utilisant un commutateur.

Exemple 1: Comprendre le fonctionnement des générateurs

La figure représente deux schémas de générateurs simples. Le premier modèle utilise des bagues collectrices pour faire circuler le courant induit dans un circuit externe. Le deuxième modèle utilise un commutateur pour faire circuler le courant induit dans un circuit externe.

Le graphique ci-dessous représente la différence de potentiel en fonction du temps pour quatre générateurs différents.

1. Sur le graphique, quelle courbe correspond à la différence de potentiel produite par le générateur utilisant un commutateur ? 
2. Sur le graphique, quelle courbe correspond à la différence de potentiel produite par le générateur utilisant des bagues collectrices ? 

Réponse

Question 1

La différence de potentiel produite par un générateur est directement proportionnelle au courant produit par ce générateur. Ce qui est vrai pour les variations du courant en fonction du temps pour un générateur est aussi vrai pour les variations de différence de potentiel en fonction du temps pour ce même générateur.

Le courant produit par un générateur qui utilise un commutateur pour se connecter à un circuit circule toujours dans une seule direction. Nous n’observons pas cela sur la courbe , la courbe ne convient donc pas.

L’intensité produite par un générateur qui utilise un commutateur pour se connecter à un circuit varie en fonction du temps. Nous n’observons pas cela sur la courbe , la courbe ne convient donc pas.

Le courant produit par un générateur qui utilise un commutateur pour se connecter à un circuit s’annule deux fois pendant une rotation complète de la bobine. Nous n’observons pas cela sur la courbe , la courbe ne convient donc pas.

La courbe représente un courant qui circule toujours dans la même direction, qui varie en fonction du temps et qui s’annule à intervalles réguliers. La bonne réponse est donc la courbe .

Question 2

La différence de potentiel produite par un générateur est directement proportionnelle au courant produit par ce générateur. Ce qui est vrai pour les variations du courant en fonction du temps pour un générateur est aussi vrai pour les variations de différence de potentiel en fonction du temps pour ce même générateur.

L’intensité produite par un générateur qui utilise des bagues collectrices pour se connecter à un circuit varie en fonction du temps. Nous n’observons pas cela sur la courbe , la courbe ne convient donc pas.

Le courant produit par un générateur qui utilise des bagues collectrices pour se connecter à un circuit change de direction à chaque rotation de la bobine. Nous n’observons pas cela sur les courbes et .

La courbe représente un courant dont la direction change de manière régulière. La bonne réponse est donc la courbe .

Le courant produit par un générateur varie en fonction du temps et s’annule deux fois pendant une rotation complète de la bobine. Il est important de comprendre pourquoi le courant varie de cette manière.

Le courant produit par induction électromagnétique dans un fil en mouvement est proportionnel à la force qui s’exerce sur ce fil de manière perpendiculaire au champ magnétique dans lequel se fait le mouvement.

La figure suivante représente la direction du courant dû à l’induction électromagnétique dans la bobine d’un générateur avec deux positions particulières pour la bobine.

Nous voyons que lorsque la force est perpendiculaire au champ magnétique du générateur, un courant est produit perpendiculairement au mouvement du fil et au champ magnétique.

Nous voyons que lorsque la force est parallèle au champ magnétique du générateur, il n’existe pas de force perpendiculaire au champ magnétique et aucun courant n’est produit.

Regardons maintenant un exemple concernant le courant produit par un générateur utilisant des bagues collectrices à différentes positions de la bobine du générateur lors de sa rotation.

Exemple 2: Comprendre les générateurs à bagues collectrices

Les images (a), (b), (c) et (d) de la figure (A) représentent plusieurs configurations d’un générateur de courant alternatif simple. Une spire de fil de cuivre unique est en rotation dans un champ magnétique uniforme créé par deux aimants permanents. Les quatre images de la figure représentent la spire selon quatre positions différentes lors de sa rotation.

La figure (B) est un graphique représentant le courant produit par ce générateur en fonction du temps.

1. Quelle position de la spire sur la figure (A) correspond au point sur la figure (B) ? 
2. Quelle position de la spire sur la figure (A) correspond au point sur la figure (B) ? 

Réponse

Question 1

Le point est le point où l’intensité du courant dans la spire est la plus grande.

La position (c) de la spire correspond à un courant nul, car la force agissant sur la spire est parallèle au champ magnétique du générateur. La position (c) ne convient donc pas.

Lorsque la spire est parallèle au champ magnétique, le courant produit est nul. Lorsque la spire est perpendiculaire au champ magnétique, l’intensité du courant produit est maximale. Cela correspond à la position (a).

Question 2

Le point est le point où le courant dans la spire est nul. Le courant dans la spire est nul lorsque la force qui s’exerce sur la spire est parallèle au champ magnétique. Cela correspond à la position (c).

La bobine utilisée dans un générateur peut être constituée d’un ou de plusieurs tours de fils, comme indiqué sur la figure suivante.

Les spires de la bobine peuvent ressembler à des spires individuelles mais elles sont en fait constituées du même fil. Les extrémités de la bobine correspondent aux extrémités du fil. Il n’existe donc qu’un seul chemin pour le courant à travers la bobine. On peut donc considérer que les spires de la bobine sont connectées en série.

Lorsque la bobine d’un générateur est en rotation, la même différence de potentiel est produite à chaque tour de la bobine. Les différences de potentiel de chaque spire sont combinées en série, comme le seraient les f.é.m. d’un ensemble de piles connectés en série.

Regardons maintenant un exemple concernant le nombre de tours de fil dans la bobine d’un générateur.

Exemple 3: Comprendre le fonctionnement d’un générateur à bagues collectrices

La figure représente deux générateurs avec des conceptions différentes. Les deux générateurs utilisent des aimants permanents fixes pour créer un champ magnétique et des bagues collectrices pour faire circuler le courant induit dans un circuit externe. Le générateur (a) possède une seule spire de fil dans le champ magnétique, alors que le générateur (b) en possède 5. Quel est l’avantage du générateur (b) par rapport au générateur (a) ? 

1. Le générateur (b) produit une tension de sortie plus élevée que le générateur (a).
2. Le générateur (b) produit une tension de sortie de fréquence plus élevée que le générateur (a).
3. Le générateur (b) produit une tension de sortie plus faible que le générateur (a).
4. Le générateur (b) produit une tension de sortie de plus basse fréquence que le générateur (a).
5. Le générateur (b) est moins cher à produire que le générateur (a).

Réponse

La seule différence entre les conceptions est le nombre de spires au niveau de la bobine du générateur (on l’appelle aussi le nombre de tours de la bobine).

Le générateur (b) possède plus de tours. Une bobine ayant davantage de tours ne peut pas être moins chère qu’une bobine ayant moins de tours, la réponse E ne convient donc pas.

La fréquence de sortie dépend uniquement de la fréquence de rotation de la bobine. Les réponses B et D ne conviennent donc pas.

Chaque tour de la bobine d’un générateur possède la même différence de potentiel à ses bornes et ces tours sont connectés en série, car il n’existe qu’un seul chemin pour le courant à travers la bobine.

Les différences de potentiel qui sont associées en série s’additionnent. Plus il y a de tours, plus la différence de potentiel est grande.

Le générateur (b) possède un plus grand nombre de spires, donc il doit produire une tension de sortie plus grande. La bonne réponse est la réponse A.

Une autre problématique concernant la conception des générateurs concerne les balais ; ceux-ci ont tendance à s’user à cause des frottements répétés sur la surface mobile des bagues collectrices ou des commutateurs. Il existe des générateurs n’ayant pas besoin de balais et qui fonctionnent avec des aimants en rotation, comme le montre la figure suivante.

Les aimants sont montés sur un disque rotatif. La bobine ne tourne pas, donc elle n’a pas besoin d’être en contact avec des balais pour être reliée à un circuit externe. L’inconvénient de cette conception est que la masse des aimants d’un générateur est beaucoup plus grande que celle de la bobine, il faut donc une force plus grande pour mettre les aimants en rotation.

Résumons maintenant ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.