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Un générateur de courant alternatif produit un courant qui change périodiquement entre deux sens différents. Dans cette leçon, nous allons découvrir un dispositif mécanique appelé commutateur. Lorsqu’un générateur de courant alternatif est connecté à un circuit via un commutateur, le commutateur redresse le courant de sorte qu’il ait toujours le même sens dans le circuit, même lorsque le courant change de sens dans le générateur. Pour comprendre comment les commutateurs redressent le courant alternatif, commençons par examiner le fonctionnement d’un générateur de courant alternatif simple.
Un simple générateur de courant alternatif consiste en une boucle de fil tournant dans un champ magnétique uniforme entre deux aimants. Lors de la rotation de la boucle, le champ magnétique total passant à travers la boucle, également connu sous le nom de flux magnétique, varie dans le temps, ce qui induit un courant dans la boucle. Maintenant, rappelons que dans un circuit donné, le courant peut avoir deux sens possibles. On peut donc représenter un courant avec un nombre positif ou négatif où la intensité du nombre correspond à l’intensité du courant et le signe positif ou négatif correspond à son sens. Si nous nous servons de cela pour tracer un graphique du courant induit dans notre générateur en fonction du temps, nous obtenons un graphique qui montre le courant passant périodiquement entre une valeur maximale positive et une maximale négative, puis revenant à la valeur maximale positive.
Notez que chaque fois que le courant est positif, il a un sens. Et chaque fois que le courant est négatif, il a l’autre sens. La commutation entre ces sens se produit chaque fois que le courant passe par zéro puisque le courant a un signe différent juste avant et juste après ces instants. Pour mieux comprendre comment redresser ce courant, nous devrons connaître l’orientation de la boucle par rapport au champ magnétique chaque fois que le sens du courant change. Il s’avère que l’orientation que nous recherchons est lorsque la boucle est perpendiculaire au champ magnétique. Pour voir pourquoi cela est vrai, considérez une vue latérale du champ magnétique.
Sous cet angle, la boucle apparait comme une seule ligne car la profondeur de la boucle se trouve suivant cet angle de vue. Ici, nous avons tracé la boucle à un instant particulier, où elle coupe trois lignes de champ magnétique. Voyons maintenant ce qui se passe lorsque la boucle tourne. À cet instant, la boucle est désormais perpendiculaire au champ magnétique. Comme nous pouvons le voir sur le schéma, avec la boucle perpendiculaire au champ magnétique, elle coupe maintenant cinq lignes de champ au lieu de seulement trois comme avant. En d’autres termes, en complétant cette partie de la rotation, le flux traversant la boucle a augmenté. Cependant, à mesure que la boucle continue de tourner, elle s’éloigne maintenant de sa position perpendiculaire au champ magnétique.
Le résultat est que la boucle, maintenant représentée par cette ligne pointillée, ne coupera plus que trois lignes de champ. Ainsi, le flux à travers la boucle a diminué. Pour relier ces variations de flux au courant alternatif, utilisons ce bord supérieur de notre schéma en 3D comme référence. Dans notre schéma en 2D, ce bord de référence apparaîtrait comme un point vert à une extrémité de la boucle. En choisissant cette référence, nous pouvons maintenant dire sans équivoque que l’augmentation du flux à gauche de notre schéma représente une variation positive, tandis que la diminution représente une variation négative. La référence nous permet de faire cela parce que nous pouvons maintenant dire sans équivoque que lorsque le bord de référence se trouve dans la moitié supérieure du schéma, le flux à travers la boucle est positif.
Cependant, lorsque la boucle passe par la position horizontale, son orientation par rapport au champ magnétique change, de sorte que le signe du flux change. Mais avec notre référence, nous pouvons maintenant dire sans équivoque que cela signifie que chaque fois que la référence se trouve dans la moitié inférieure du schéma, le flux est négatif. Avant de terminer cette discussion, il convient de mentionner comment l’orientation de la boucle change par rapport au champ magnétique lorsqu’elle passe par la position horizontale. Ici, nous avons deux images de la boucle, une juste avant et une juste après que la boucle soit à l’horizontale. Dans les deux images, la flèche magenta représente le sens du champ magnétique.
Comme nous pouvons le voir, avant que la boucle ne soit horizontale, les lignes de champ magnétique passent par-dessus le bord non marqué de la boucle, à travers la boucle, puis sous le bord de référence. Cependant, après que la boucle ait tourné au-delà de l’horizontale, les lignes de champ magnétique passent maintenant sous le bord non marqué, à travers la boucle et par-dessus le bord de référence. Cela signifie que les lignes de champ magnétique passent maintenant à travers la boucle dans le sens inverse. Pour voir cela plus clairement, on peut s’imaginer d’avoir colorié une face du plan de la boucle en bleu. Ensuite, avant que la boucle ne soit horizontale, le champ magnétique traverse d’abord la face bleue. Et après que la boucle soit horizontale, le champ magnétique traverse d’abord la face orange.
Ainsi, l’orientation de la boucle par rapport au champ magnétique a changé et le flux a changé de signe. Quoi qu’il en soit, il suffit maintenant de rappeler que le courant induit dans un générateur de courant alternatif est proportionnel au taux de variation du flux magnétique à travers la boucle. Puisque nous pouvons voir que le taux de variation du flux passe de positif à négatif lorsqu’une boucle tourne en passant par la verticale, cela doit également correspondre au moment où le courant induit change de signe. De plus, le courant passe soit de positif à négatif soit de négatif à positif. L’une de ces options correspond au fait que le bord de référence est en haut du schéma, et l’autre correspond au bord de référence étant en bas. Les détails sur laquelle est laquelle dépendront des particularités de notre générateur.
L’important, peu importe la configuration, est que le courant induit dans un générateur de courant alternatif change de sens chaque fois que la boucle est perpendiculaire au champ magnétique. Utilisons maintenant cela pour construire un commutateur. Rappelez-vous, le commutateur doit être un dispositif qui inversera les connexions entre le générateur et le circuit une fois tous les demi-cycles. Chaque commutateur a deux parties fondamentales, un anneau divisé en deux moitiés et une paire de balais, une pour chaque moitié de l’anneau. Les balais et les deux moitiés des anneaux sont en matériau conducteur afin qu’elles forment un contact électrique. Pour les commutateurs dont nous parlerons, l’anneau sera connecté à un circuit externe et les balais seront connectés à la boucle de fil d’un générateur de courant alternatif.
D’autres commutateurs font l’inverse, où les balais sont connectés à un circuit externe et l’anneau est connecté à la boucle d’un générateur de courant alternatif. Mais les deux commutateurs se comportent de la même manière. Voici un schéma montrant comment un commutateur est connecté entre la boucle de fil d’un générateur de courant alternatif et un circuit externe comprenant une résistance. Rappelez-vous que lorsque la boucle tourne, le courant est induit dans la boucle en même temps que les balais glissent le long de l’intérieur de l’anneau. Parce que les balais et l’anneau forment des contacts électriques, la boucle, le commutateur et la résistance forment un circuit complet. Le courant dans le reste du circuit puis en dehors de la boucle de fil sera vers le commutateur à droite, sortant du commutateur dans le circuit externe, à travers la résistance de droite à gauche, sortant du circuit externe et de retour dans le commutateur, et du commutateur vers la boucle à gauche.
Très bien, voyons maintenant comment le courant dans cette configuration varie en fonction du temps. Pour nous aider, nous avons dessiné deux graphiques pour accompagner notre schéma. L’un montre le courant dans la boucle en fonction du temps et l’autre le courant dans la résistance en fonction du temps. L’axe horizontal des deux graphiques a la même échelle. Donc, les points correspondants avec la même position horizontale représentent également le même temps. À l’instant actuellement illustré, la boucle est horizontale et le bord de référence vert est vers la gauche. Ainsi, le courant a sa valeur maximale positive - nous nous sommes servis du bord de référence vert pour nous aider à distinguer courant positif et négatif.
Si le courant dans la boucle a sa valeur maximale, le courant dans la résistance aussi. Et nous avons choisi le sens du courant de droite à gauche à travers la résistance comme sens positif. Nous savons que lorsque la boucle continue de tourner, le courant va diminuer à partir de sa valeur maximale. Mais voyons ce qui arrive aux balais et au courant dans la résistance lorsque cela se produit. À l’instant illustré à présent, les balais ont glissé d’un quart de tour environ autour de l’anneau et la boucle est passée de l’horizontale jusqu’à presque la verticale.
Pendant ce quart de tour, le courant dans la boucle a diminué car le courant a une valeur maximale lorsque la boucle est horizontale et nulle lorsque la boucle est verticale. Bien que l’intensité du courant ait diminué, le sens est resté constant puisque le sens du courant ne change que lorsque la boucle passe par la verticale, où, comme toujours, par verticale, nous entendons perpendiculaire au champ magnétique. En ce qui concerne la résistance, l’intensité du courant dans la résistance a diminué car l’intensité du courant dans la résistance est la même que l’intensité du courant dans la boucle. Le sens de ce courant est également constant puisque le sens du courant dans la boucle est constant et que chacun des balais du commutateur est toujours en contact avec la même moitié de l’anneau fendu.
Bon, voyons maintenant ce qui se passe lorsque la boucle tourne un peu plus loin afin qu’elle soit totalement verticale et perpendiculaire au champ magnétique. Au moment où la boucle est verticale, les balais du commutateur sont exactement alignés sur l’espace non conducteur entre les deux moitiés de l’anneau fendu. Parce que les balais ne sont plus du tout en contact électrique avec l’anneau parce que le courant dans la boucle est nul lorsque la boucle est verticale, il n’y a pas de courant à travers la résistance. Voyons maintenant ce qui se passe lorsque la boucle continue de tourner et que le courant prend maintenant le sens négatif au lieu du sens positif dans la boucle.
Une fois que la boucle a tourné au-delà de la verticale, le courant change de sens. Avant, le sens du courant était du balai du commutateur vers le bord de référence vert. Maintenant, le sens du courant est du bord de référence vert vers le balai du commutateur. De même, le courant de l’autre côté de la boucle va maintenant depuis le balai vers la boucle au lieu de depuis la boucle vers le balai. Notez, cependant, que chacun des balais des commutateurs est maintenant en contact avec l’autre moitié de l’anneau fendu par rapport à avant. Ainsi, le sens du courant est toujours depuis le balai vers la moitié magenta de l’anneau et de la moitié bleue de l’anneau vers la brosse.
Le sens du courant dans le circuit externe doit correspondre aux sens que nous avons déjà décrits pour le courant dans la boucle et le commutateur. Donc, pour avoir un courant dont le sens va de la moitié bleue de l’anneau vers la boucle, il nous faut un courant dans le circuit externe dont le sens va du circuit vers la moitié bleue de l’anneau. De l’autre côté, pour que le courant circule de la boucle vers la moitié magenta de l’anneau, il faut aussi du courant de la moitié magenta de l’anneau vers le circuit externe. En regardant notre dessin, nous voyons que le courant à travers la résistance doit avoir se diriger de droite à gauche. Ainsi, le courant à travers la résistance est à nouveau positif. En d’autres termes, il a le même sens qu’avant.
Le courant dans la résistance maintient un sens constant car en même temps que le courant dans la boucle change de sens, les balais du commutateur changent les contacts électriques entre les deux moitiés de l’anneau fendu. Il en résulte que le commutateur inverse effectivement le sens du courant dans la boucle pour maintenir un sens constant dans le circuit. Cela se poursuivra pendant le prochain demi-cycle avec un courant négatif dans la boucle et un courant positif dans la résistance. Ensuite, alors que le courant atteint à nouveau zéro car la boucle est verticale, les balais du commutateur s’aligneront à nouveau sur l’espace entre les deux moitiés de l’anneau. Après ce point, le courant dans la boucle sera à nouveau positif.
En même temps, cependant, les balais permuteront à nouveau les connexions électriques entre les deux moitiés de l’anneau fendu. Ainsi, le courant dans la résistance restera positif. Au fil du temps, le courant dans la boucle continuera à basculer entre les valeurs positives et négatives. Mais le courant dans la résistance sera toujours positif ou nul lorsque le courant dans la boucle est également nul. Nous appelons ce courant à travers la résistance un courant redressé parce que nous avons pris le courant alternatif de la boucle et l’avons converti en un courant qui ne change pas de sens. Mathématiquement, nous pouvons voir que le graphique représentant le courant redressé est simplement la valeur absolue du graphique représentant le courant alternatif. Maintenant que nous avons vu comment un commutateur redresse le courant alternatif en un courant continu, traitons un exemple.
Le mouvement d’un générateur de courant alternatif aux instants successifs 𝑡 un, 𝑡 deux et 𝑡 trois est représenté sur trois images. La sortie du courant est redressée à l’aide d’un commutateur. De quelle couleur est le tracé sur le graphique qui montre correctement la sortie du générateur entre 𝑡 un et 𝑡 trois ? Les flèches vertes représentent le courant induit.
Les trois images référencées dans la question sont ces trois images à droite. Ils montrent le générateur dans l’ordre chronologique aux instants 𝑡 un, 𝑡 deux et 𝑡 trois. La question nous demande d’identifier quel tracé de ce graphique représentant le courant en fonction du temps correspond à la sortie du générateur, comme indiqué dans ces trois images, entre 𝑡 un et 𝑡 trois. Pour commencer, déterminons quels points de l’axe des temps de notre graphique correspondent aux instants indiqués. Nous savons que 𝑡 un est le premier instant illustré, et 𝑡 trois est le dernier instant illustré.
En regardant les images, nous pouvons voir que l’instant 𝑡 deux se trouve à peu près à la mi-temps entre 𝑡 un et 𝑡 trois. Pour distinguer parmi les réponses possibles, rappelons que le champ magnétique entre deux aimants a un sens allant du pôle nord au pôle sud. Maintenant, rappelons que lorsque la boucle d’un générateur de courant alternatif est perpendiculaire au champ magnétique, le flux à travers la boucle est maximisé. Mais la variation du flux à travers la boucle est nulle. Puisque le courant est proportionnel à la variation du flux en fonction du temps, s’il n’y a pas de changement dans le flux à travers la boucle, il n’y a pas de courant. Donc, à 𝑡 trois, le courant est nul.
En regardant notre graphique, nous voyons que les tracés noir et vert montrent tous les deux un courant nul à 𝑡 trois, ce qui signifie que les tracés rouge et bleu ne peuvent pas montrer la sortie correcte du générateur car elles montrent un courant maximum à 𝑡 trois. Puisque nous avons déjà regardé quand la boucle est perpendiculaire au champ magnétique, regardons maintenant quand la boucle est parallèle au champ magnétique, ce qui a lieu à 𝑡 un. Rappelons que lorsque la boucle est parallèle au champ magnétique, l’orientation de la boucle par rapport au champ magnétique change. Ainsi, la variation du flux est en fait maximisée. Là où la variation du flux est maximale, le courant aussi. Nous cherchons donc la droite qui montre un courant maximal à 𝑡 un.
En regardant le graphique, nos choix sont soit le tracé vert, soit le tracé rouge. Cependant, nous avons déjà rejeté le tracé rouge puisque le tracé rouge n’est pas à zéro à 𝑡 trois. Par conséquent, le seul tracé qui montre un courant maximal à 𝑡 un et un courant nul à 𝑡 trois, et donc le seul tracé qui pourrait montrer correctement la sortie du générateur en fonction de nos images, est le tracé vert.
Très bien, passons maintenant en revue certains des points clés que nous avons appris dans cette leçon. Dans cette leçon, nous avons appris que les commutateurs redressent le courant alternatif. Pour comprendre ce que cela signifie, nous avons d’abord considéré un simple générateur de courant alternatif composé d’une boucle de fil tournant dans un champ magnétique uniforme. Lorsque la boucle tourne, le flux magnétique à travers la boucle change, ce qui induit un courant dans la boucle proportionnel à ce changement. Si la boucle commence en position perpendiculaire au champ magnétique et que nous voyons que le courant induit initialement est positif, alors le courant en fonction du temps ressemble à ce graphique.
Notez que le courant change périodiquement entre les sens positif et négatif. Le courant change de sens chaque fois que la boucle est perpendiculaire au champ magnétique et ce, en l’absence de courant induit. Si nous attachions un circuit externe à ce générateur, le courant dans le circuit alternerait également. Si nous connectons plutôt un circuit à un générateur via un commutateur, le sens du courant dans le circuit restera constant même lorsque le sens du courant dans le générateur change. Le commutateur lui-même se compose de deux balais conducteurs frottant le long de l’intérieur de l’anneau qui est également conducteur, mais qui est divisé en deux parties avec un espace isolant entre chaque moitié.
Les balais sont connectés aux deux extrémités de la boucle du générateur. Les deux moitiés de l’anneau sont reliées aux deux extrémités d’un circuit externe. Avec ces connexions, les contacts électriques entre les balais et l’anneau forment un circuit complet entre le générateur et les composants externes. Étant donné que la boucle est physiquement connectée aux balais, lorsque la boucle tourne, les balais tournent également. En raison de ces connexions électriques, pour la moitié de la rotation, le courant à travers la boucle est simplement transféré directement au circuit externe. Cependant, après une demi-rotation, au moment où la boucle passe à l’état perpendiculaire au champ magnétique, les balais échangent leurs connexions entre les deux moitiés de l’anneau.
Le balai qui était en contact avec la moitié magenta de l’anneau passera par le creux et entrera en contact avec la moitié bleue de l’anneau. Et le balai qui était en contact avec la moitié bleue de l’anneau passera par le creux et entrera en contact avec la moitié magenta de l’anneau. Il en résulte qu’au moment exact où le courant dans la boucle change de sens, le commutateur inverse les connexions au circuit externe. Ainsi, alors que le courant a le sens négatif dans la boucle, le courant dans le circuit externe a le sens inverse, soit positif. La prochaine fois que le courant change de sens, le commutateur inverse à nouveau les connexions, ce qui ramène les connexions à leur état d’origine.
Ainsi, le courant est à nouveau transféré directement de la boucle au circuit et reste positif. Ce processus continue tant que le générateur produit du courant, et le résultat est un courant de sortie qui est toujours positif ou nul, en d’autres termes, un courant avec un seul sens. Nous appelons ce courant unidirectionnel produit à partir d’un courant alternatif, un courant redressé. Et enfin, nous appelons le commutateur, qui a produit ce redressement, un redresseur de courant.
