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Vidéo de la leçon : Induction électromagnétique dans les transformateurs Physique

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à calculer la variation de la différence de potentiel et du courant produits par un transformateur.

13:55

Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous découvrons l’induction électromagnétique dans les transformateurs. Nous apprendrons ce que sont les transformateurs, comment ils fonctionnent et comment ils utilisent ce phénomène appelé induction électromagnétique.

Pour commencer, rappelons ce qu’est l’induction électromagnétique. L’idée est la suivante. Si nous prenons une boucle de matériau conducteur et si nous changeons le champ magnétique subit par la section transversale de cette boucle, alors nous induirons un courant qui y circulera.

Une façon de faire cela, c’est-à-dire de changer le champ magnétique de la zone de la boucle, est de faire passer un aimant dans la boucle. Une autre façon est de garder l’aimant stationnaire mais de changer la taille de la boucle, par exemple en la rendant plus grande ou plus petite ou même en la gardant de la même taille globalement, mais en la faisant tourner de sorte que la surface totale exposée au champ magnétique change. Toutes ces méthodes modifieront le champ magnétique subit par la boucle et donc induiront un courant dans celle-ci. Ce processus est connu sous le nom d’induction électromagnétique.

L’une des applications les plus utiles de l’induction électromagnétique est la transformation de l’énergie électrique. Maintenant, l’idée de base de la transformation de l’énergie électrique est la suivante. De l’électricité est produite dans une centrale électrique, mais c’est à une tension ou différence de potentiel beaucoup plus élevée que ce que nous pourrions utiliser en toute sécurité chez nous. Pour que l’électricité puisse aller d’où elle est produite vers où elle est utilisée, le moyen le plus efficace est de la maintenir à une différence de potentiel très élevée. De cette façon, un minimum de puissance possible est perdue pendant le processus de transmission. Cela signifie que peu de temps avant de l’utiliser, nous aimerions pouvoir transformer cette électricité que nous recevons de la centrale. Cette transformation, comme nous le verrons, repose sur l’induction électromagnétique.

Un transformateur électrique ressemble à ceci. Il y a trois parties fondamentales. Tout d’abord, il y a une bobine de fil appelée bobine primaire. C’est le fil à travers lequel l’électricité est introduite dans le transformateur. Ensuite, en face de la bobine primaire se trouve ce qu’on appelle la bobine secondaire. C’est la bobine de fil qui aura la tension induite et donc le courant induit. Et puis, en reliant ces deux bobines, c’est ce qu’on appelle le noyau. Comme nous le verrons, le type de matériau dont le noyau est constitué a un effet significatif sur les performances du transformateur dans son ensemble.

Alors, voici comment fonctionne le processus de transformation. Premièrement, le courant passe dans la bobine primaire. Nous appellerons ce courant 𝐼 indice p pour montrer qu’il est dans la bobine primaire. Ce courant se déplace autour de chacune des boucles de la bobine primaire enroulée autour du noyau. Et puis finalement, il revient de l’autre côté. Maintenant, si c’était tout ce qui se passe dans un transformateur, ce serait assez décevant. Et cela n’accomplirait pas vraiment grand-chose. Mais à ce stade, nous pouvons rappeler qu’une boucle de fil, lorsqu’elle transporte un courant, génère un champ magnétique. Et en particulier, si nous avons une boucle de fil où le courant se déplace dans la direction indiquée, alors sur la base de ce qu’on appelle la règle de la main droite, le champ magnétique créé par cette boucle au centre de la boucle pointe vers le haut.

Sachant que, si nous revenons à notre bobine primaire, elle est enroulée autour du noyau un certain nombre de fois, nous nous rendons compte que chacune de ces boucles individuelles, ces enroulements, sont eux-mêmes des boucles de courant. Et cela crée un champ magnétique qui pointe vers le haut. L’effet combiné du champ magnétique de toutes ces boucles individuelles est assez fort. Et dans l’ensemble, nous avons un champ magnétique assez puissant qui pointe de bas en haut. Maintenant, c’est là que le matériau du noyau entre en jeu. L’un des principaux objectifs du noyau d’un transformateur est de canaliser les lignes de champ magnétique autour du noyau comme si elles se déplaçaient dans un circuit.

Cela signifie que le champ produit à l’intérieur des enroulements de la bobine primaire se déplace alors dans tout le reste du noyau et traverse également les enroulements de la bobine secondaire. Et c’est là que l’induction électromagnétique entre en jeu. Regardons un instant une seule de ces boucles dans la bobine secondaire. Et nous regardons cette boucle directement d’en haut. Dans ce cas, la boucle ressemble à notre œil, comme un cercle. Et ce que nous verrions, si nous pouvions la voir, c’est cette ligne de champ magnétique entrant dans l’écran, de notre point de vue, par le centre de la boucle. Donc, alors qu’avant il n’y avait pas de champ magnétique se déplaçant dans cette boucle, il y a maintenant un champ.

En d’autres termes, il y a une variation du champ magnétique subie par la surface de cette boucle. C’est exactement le genre d’effet qui, par induction électromagnétique, induira la circulation du courant dans cette boucle. Pour des raisons que nous n’aborderons pas dans cette leçon, le courant circule dans cette direction depuis notre perspective, dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Bien sûr, ce que nous examinons ici n’est qu’une seule boucle parmi les nombreuses boucles de la bobine secondaire. Donc, il se passe la même chose pour toutes ces boucles individuelles. Enfin, ce courant induit sort par la bobine secondaire. Et cela fonctionne pour toutes les applications, par exemple pour un quartier résidentiel.

Revenons un moment à 𝐼 p, le courant dans la bobine primaire. Si ce courant était constant dans le temps, alors un champ magnétique serait toujours formé dans les boucles de la bobine. Et ce champ sera porté dans le noyau. Mais, après que les boucles de la bobine secondaire aient été initialement exposées à ce changement, il n’y aura plus de changement. Les lignes de champ resteront les mêmes. Et s’il n’y a plus de changement dans le champ magnétique total dans ces boucles, alors il n’y a plus de courant induit. Pour qu’un transformateur fonctionne correctement, le courant dans la bobine primaire doit être un courant alternatif, AC.

Lorsque c’est le cas, cela signifie que les lignes de champ magnétique dans le noyau changent constamment d’amplitude. Et lorsque cela se produit, cela signifie que chacun des enroulements de la bobine secondaire voit toujours un champ magnétique différent la traverser. Autrement dit, il y a une variation constante du champ magnétique dans les enroulements de la bobine secondaire et, ainsi, cela induira constamment une tension et, par conséquent, du courant dans cette bobine. Tout cela pour dire, que pour un transformateur, il est très important de travailler avec un courant alternatif.

Nous avons dit que le courant traversant la bobine primaire est 𝐼 indice p. Et imaginons aussi que nous connaissons la tension de ce courant. Nous appellerons cette tension 𝑉 indice p. Disons que c’est 500 volts. Et puis, si nous passons à la bobine secondaire, nous pouvons dire que le courant de sortie est 𝐼 indice s et que la tension de sortie est 𝑉 indice s. Mais la question est, quelle est cette tension? Quelle est la différence de potentiel induite dans la bobine secondaire? Croyez-le ou non, nous pouvons résoudre 𝑉 indice s en connaissant 𝑉 indice p et en connaissant également le nombre de spires de chacune des deux bobines, primaire et secondaire, autour du noyau.

En général, si nous appelons le nombre d’enroulements de la bobine primaire 𝑁 indice p et que nous appelons le nombre d’enroulements ou de spires autour du noyau de la bobine secondaire 𝑁 indice s, alors nous pouvons écrire cette belle équation. 𝑉 indice s divisé par 𝑉 indice p est égal à 𝑁 indice s divisé par 𝑁 indice p. En d’autres termes, le rapport des différences de potentiel est égal au rapport du nombre de spires. Maintenant, d’une certaine manière, c’est assez fascinant. Mais en y réfléchissant, cela a du sens. Plus une bobine tourne autour du noyau, plus elle contribuera à l’intensité du champ magnétique dans le noyau. Et plus le champ magnétique sur le noyau change, plus la tension est induite dans la bobine secondaire.

Cette équation sous forme de rapport nous dit que puisque nous connaissons 𝑉 indice p, si nous comptons 𝑁 indice p et 𝑁 indice s, alors nous pourrions utiliser toutes ces informations pour trouver 𝑉 indice s. Faisons cela; comptons 𝑁 indice p et 𝑁 indice s. En commençant par 𝑁 indice p, nous pouvons compter ces spires : un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit, neuf, au total. Donc, en appliquant cette équation, nous avons 𝑉 indice s, ce que nous voulons trouver, divisé par 𝑉 indice p, 500 volts, est égal à 𝑁 indice s, ce que nous découvrirons dans un instant, divisé par neuf, le nombre de spires dans la bobine primaire.

Passons au nombre 𝑁 indice s, soit un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit, neuf, 10, 11, 12 spires. Nous utilisons donc 12 pour 𝑁 indice s dans notre équation. Ensuite, si nous multiplions les deux côtés par 500 volts, nous constatons que la tension dans la bobine secondaire est égale à 12 divisée par neuf fois 500 volts. C’est la même chose que quatre tiers fois 500 volts, soit environ 667 volts. Ce changement de 𝑉 indice p à 𝑉 indice s est la raison pour laquelle cela s’appelle un transformateur.

Maintenant, nous pourrions nous demander, ce qu’il en est des courants 𝐼 indice p et 𝐼 indice s? Pouvons-nous les trouver en nous basant sur le nombre de spires de chaque bobine? La réponse est que nous pouvons, mais la relation est l’inverse de la relation pour la tension. Ce que nous entendons par là, c’est que si nous prenons le rapport entre le nombre de spires de la bobine secondaire et celui de la bobine primaire, cela équivaut au courant primaire divisé par le courant secondaire. Nous devons donc faire attention à nos indices ici, ss et ps, et les garder comme ceci.

Pour revenir à notre discussion sur la tension, nous pouvons voir que la tension primaire est inférieure à la tension secondaire. Lorsque cela se produit, cela signifie que la fonction du transformateur est d’élever la tension de la bobine primaire vers la bobine secondaire. Lorsque cela se produit, lorsque 𝑉 indice s est supérieur à 𝑉 indice p, le transformateur est décrit comme un transformateur élévateur. Et le contraire peut aussi arriver. Lorsque la tension secondaire est inférieure à la tension primaire, le transformateur est appelé transformateur abaisseur.

Avant de nous exercer un peu avec un exemple, parlons du noyau du transformateur. Du point de vue de l’efficacité, le noyau est très important. En particulier, le matériau choisi pour fabriquer le noyau affecte le transfert d’énergie de la bobine primaire vers la bobine secondaire. De tous les matériaux que nous pourrions choisir de faire du noyau, nous aimons choisir un matériau magnétisable. C’est-à-dire qui devient un aimant lorsqu’il est exposé à un champ magnétique. Et nous aimerions également un matériau qui puisse répondre rapidement aux champs magnétiques qui changent vite dans les enroulements de ces bobines.

Un bon matériau est le fer. Et il est très courant de fabriquer des noyaux de transformateurs avec ce métal. C’est un matériau qui aide à canaliser et à amplifier le champ magnétique dans le noyau. Maintenant que nous en savons un peu plus sur les transformateurs, exerçons-nous avec une question.

Un transformateur abaisseur modifie la différence de potentiel d’un courant alternatif de 10 000 volts à 250 volts. S’il a 25 spires sur sa bobine secondaire, combien de spires a-t-il sur sa bobine primaire?

D’accord, disons que c’est notre transformateur. Voici notre bobine primaire et voici notre bobine secondaire. On nous dit que la différence de potentiel dans la bobine primaire, ce que nous appellerons 𝑉 indice p, est égale à 10 000 volts. Et la différence de potentiel dans la bobine secondaire, ce que nous appellerons 𝑉 indice s, est de 250 volts. On nous dit également que la bobine secondaire de notre transformateur a 25 spires. Nous appellerons ce nombre 𝑁 indice s. Et si nous appelons le nombre de spires dans la bobine primaire 𝑁 indice p, c’est cette valeur que nous voulons trouver. Pour ce faire, nous pouvons rappeler la relation entre la tension primaire et secondaire et le nombre de spires. Cette relation indique que le rapport des spires du primaire au secondaire est égal au rapport des différences de potentiel du primaire au secondaire.

Dans cette relation, nous voulons connaitre 𝑁 indice p, le nombre de spires dans la bobine primaire. Donc, pour ce faire, nous pouvons multiplier les deux côtés de l’équation par le nombre de spires dans la bobine secondaire. Cela implique que ce terme, 𝑁 indice s, s’annule du côté gauche de notre équation. Nous trouvons que 𝑁 indice p est égal à 𝑉 indice p divisé par 𝑉 indice s tous multipliés par 𝑁 indice s. Et puisque nous connaissons 𝑁 indice s, 𝑉 indice p et 𝑉 indice s, nous pouvons maintenant remplacer ces valeurs dans cette équation. 𝑉 indice p est de 10 000 volts, 𝑉 indice s est de 250 volts et 𝑁 indice s est 25. En calculant, nous trouvons une réponse de 1000. C’est le nombre de spires qui se trouvent dans la bobine primaire de ce transformateur.

Prenons un instant pour résumer ce que nous avons appris sur l’induction électromagnétique dans les transformateurs.

Dans cette leçon, nous avons vu que les transformateurs modifient la tension et le courant par le biais du processus d’induction électromagnétique. Nous avons vu qu’en général, les transformateurs ont trois composants de base. Il y a une bobine primaire par laquelle le courant entre. Il y a une bobine secondaire par laquelle le courant sort. Et il y a un noyau, généralement constitué d’un matériau métallique solide, qui relie ces deux bobines.

Nous avons vu que, en ce qui concerne l’effet qu’un transformateur a sur la tension, le rapport entre la tension primaire et la tension secondaire est égal au rapport entre le nombre de spires dans la bobine primaire et le nombre de spires dans la bobine secondaire. Et nous avons vu aussi qu’un transformateur affecte le courant, que le rapport entre le courant de la bobine secondaire et le courant de la bobine primaire est égal au rapport entre le nombre de spires dans la bobine primaire et dans la bobine secondaire. Enfin, nous avons appris qu’un transformateur élévateur augmente la tension alors qu’un transformateur abaisseur la diminue.

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