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Vidéo de question : Comprendre comment un commutateur influence les forces agissant sur la bobine d’une machine à courant continu en fonctionnement moteur Physique

Si un moteur était connecté à une source de courant continu sans utiliser de commutateur, laquelle des situations suivantes se produirait ? [A] Le moteur ne tournerait pas du tout. [B] Le sens de rotation du moteur s’inverserait périodiquement. [C] Le moteur tournerait à différentes vitesses angulaires moyennes dans les deux moitiés de chacune de ses rotations.

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Transcription de vidéo

Si un moteur était connecté à une source de courant continu sans utiliser de commutateur, laquelle des situations suivantes se produirait ? (A) Le moteur ne tournerait pas du tout. (B) Le sens de rotation du moteur s’inverserait périodiquement. (C) Le moteur tournerait à des vitesses angulaires moyennes différentes dans les deux moitiés de chacune de ses rotations.

Pour répondre à cette question, commençons par tracer un schéma. Ce schéma illustre un moteur normal. Ce rectangle au milieu est la bobine. Ces deux blocs de chaque côté représentent les pôles nord et sud de l’aimant. Ensuite, on a deux balais, l’un connecté à la borne positive du circuit du moteur et l’autre connecté à la borne négative. Et le dernier élément est le commutateur. Le commutateur tourne avec la bobine et permet de garantir que le côté gauche de la bobine est toujours connecté à la borne positive, et le côté droit de la bobine est toujours connecté à la borne négative. L’effet cumulé du courant à travers la bobine et du champ magnétique établi à travers celle-ci crée une force de chaque côté de la bobine, entraînant la rotation du moteur.

Ici, on remarque que la direction de la force dépend de la direction du courant. Donc, à cet endroit, du côté gauche de la bobine où la direction du courant est orientée selon le sens entrant dans le schéma, la force est dirigée vers le bas, tandis que du côté droit de la bobine où la direction du courant est orientée selon le sens sortant du schéma, la force est dirigée vers le haut. Si on laisse la bobine tourner, on s’aperçoit que les forces de chaque côté de la bobine sont les mêmes, et cela continue jusqu’à ce que le commutateur se divise en deux.

Lorsque la bobine tourne au-delà de ce point, la moitié du commentateur qui est en contact avec les bornes positive et négative commute. Cela signifie que la direction du courant à l’intérieur de la bobine elle-même s’est inversée, de sorte que la direction du courant de ce côté de la bobine est orientée selon le sens entrant dans le schéma et de ce côté de la bobine est orientée selon le sens sortant du schéma.

Cela provoque également l’inversion du sens de la force, et donc, la force de ce côté de la bobine est maintenant dirigée vers le bas et celle de ce côté de la bobine est maintenant dirigée vers le haut. Et cela permet à la bobine de continuer à tourner dans le même sens qu’avant, ce qui dans ce cas est dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Ceci est la fonction clé du commutateur. Cela signifie que le côté de la bobine situé sur la moitié gauche du moteur subit une force dans une direction, dans ce cas vers le bas. Et quel que soit le côté de la bobine situé sur la moitié droite du moteur, il subit une force dans la direction opposée, qui dans ce cas est vers le haut.

Mais que se passerait-il sans ce commutateur ? Imaginons un moteur identique. Mais au lieu d’avoir des balais et un commutateur, un côté de la bobine est connecté en permanence à la borne positive du moteur, et l’autre côté de la bobine est connecté en permanence à la borne négative. Au début de son mouvement, ce moteur est identique à un moteur normal. La direction du courant à travers la bobine est orientée selon le sens entrant dans le schéma sur la gauche et orientée selon le sens sortant du schéma sur la droite. Comme on l’a vu précédemment, cela entraînera une force de chaque côté de la bobine, de sorte que le moteur se met à tourner.

À présent, étudions la proposition (A), qui stipule que le moteur ne tournerait pas du tout. On a démontré que ceci est incorrect, on peut donc l’éliminer. En fait, notre moteur modifié sans commutateur se comporterait de manière identique à un moteur normal jusqu’au point où la bobine passe par la verticale. À cet instant, la direction du courant dans la bobine ne s’inverserait pas lorsque ces fils se croiseraient. Ainsi, la direction du courant de ce côté de la bobine est toujours orientée selon le sens sortant du schéma et de ce côté de la bobine est toujours orientée selon le sens entrant dans le schéma. Cela signifie que la direction de la force de chaque côté de la bobine ne change pas. Cependant, la bobine qui tournait dans le sens inverse des aiguilles d’une montre est maintenant soumise à des forces s’opposant à cela. Et finalement, le sens de rotation de la bobine s’inversera.

Une fois de plus, la bobine continuera à tourner jusqu’à ce qu’elle passe à la verticale. À cet instant, les forces s’opposeront encore une fois au mouvement. Et finalement, la direction du mouvement s’inversera à nouveau. Ce comportement est appelé oscillation, où le mouvement de la bobine s’inverse périodiquement. Cela correspond bien à la proposition (B), qui stipule que le sens de rotation du moteur s’inverserait périodiquement. On a démontré que cela est vrai, donc cela est potentiellement la bonne réponse. La proposition (C) indique que le moteur tournerait à différentes vitesses angulaires moyennes sur chacune des deux moitiés de ses rotations.

Pour déterminer si cela est vrai, on peut utiliser l’équation suivante pour calculer la force de chaque côté de la bobine. Celle-ci établit que la force sur l’un des côtés de la bobine est égale à l’intensité du champ magnétique multipliée par le courant de ce côté de la bobine multiplié par la longueur de ce côté de la bobine. Or, dans notre moteur modifié, l’intensité du champ magnétique est constante. Sans commutateur, le courant dans la bobine est constant et la longueur du côté de la bobine est constante. Par conséquent, la force de chaque côté de la bobine est constante tout au long de son mouvement.

Si on suppose qu’il n’y a pas de frottement dans le moteur, les deux moitiés de la rotation du moteur sont symétriques. Cela signifie que si on démarre le moteur depuis cette position, il tournera vers l’image miroir de cette position avant de revenir en arrière. Et même s’il tourne dans des directions opposées, l’amplitude moyenne de sa vitesse angulaire sera identique. La proposition (C) indique que le moteur tournerait à des vitesses angulaires moyennes différentes dans les deux moitiés de chacune de ses rotations. On sait maintenant que cela ne peut pas être correct. La vitesse angulaire moyenne de la bobine dans les deux moitiés de chacune de ses rotations sera identique. Par conséquent, on peut éliminer la proposition (C).

On a donc éliminé les propositions (A) et (C), et on a démontré que la proposition (B) est correcte. Par conséquent, si un moteur était connecté à une source de courant continu sans utiliser de commutateur, le sens de rotation du moteur s’inverserait périodiquement. La proposition (B) est donc la bonne réponse.

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