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Quel type de courant produit un générateur utilisant un commutateur ?
Pour répondre à cette question, il faut comprendre la structure et le fonctionnement de base d’un générateur utilisant un commutateur. Comme la plupart des générateurs électriques, le composant principal de ce générateur qui produit du courant électrique est une spire de fil qui tourne à l’intérieur d’un champ magnétique. Lorsque la spire tourne, le flux magnétique à travers la spire varie, ce qui induit une différence de potentiel.
Alors, pour le type particulier de générateur dont nous parlons, la spire est connectée à un commutateur, qui est en fait un cylindre divisé en deux. Le commutateur relie la spire de fil à un circuit externe via des balais conducteurs. Et on utilise ces balais car ils peuvent se déplacer librement devant le commutateur et ils permettent de garantir la rotation de la spire sans affecter le circuit externe, tout en maintenant un contact électrique.
Lorsqu’on connecte des composants externes comme cette lampe aux bornes des balais, les composants externes, le commutateur et la spire de fil forment un circuit complet, ce qui permet à la différence de potentiel induite dans la spire de générer un courant à travers les composants externes. Et il est question de ce courant ici. Pour comprendre la nature du courant produit par ce générateur, nous allons dessiner la spire à trois instants différents. Nous allons également dessiner le commutateur à ces instants pour voir comment ce circuit est connecté. Notons que sur le schéma, l’un des côtés du commutateur est coloré en magenta et l’autre côté en jaune. Et nous avons coloré l’un des balais en jaune et l’autre balai en magenta. Cela va nous permettre d’identifier quel côté du commutateur est relié à quel balai.
Voici le premier schéma. À droite, nous avons la spire vue de côté et nous pouvons voir les lignes de champ magnétique qui la traverse. À gauche, nous avons la connexion entre les commutateurs et les balais. Et nous pouvons voir qu’à cet instant, le balai magenta est connecté à la partie jaune du commutateur et le balai jaune est connecté à la partie magenta du commutateur. Ce premier schéma correspond en fait au même instant que le schéma initial que nous avons dessiné.
Comme la spire tourne autour de son axe dans le sens horaire à partir de cet angle, après quelques instants la spire sera entièrement perpendiculaire au champ magnétique. Et encore quelques instants plus tard, la spire sera inclinée dans une direction opposée à celle qu’elle avait à l’origine. À ce deuxième instant, aucun des balais n’est connecté aux parties conductrices du commutateur. Et au troisième instant, le balai magenta est connecté à la partie magenta du commutateur et le balai jaune à la partie jaune du commutateur.
Cela nous amène à notre première observation importante. Entre l’instant initial et l’instant final, les balais et le commutateur ont inversé leurs connexions. Dans un circuit à courant continu, l’inversion des connexions électriques inverse également le sens du courant. C’est ce qui se passe, par exemple, si nous inversons l’orientation d’une batterie. Alors, ce générateur n’est pas un circuit à courant continu, mais il faut conserver la même idée d’inversion du courant pour notre prochaine observation.
Sur la première image, la spire de fil est traversée par deux des lignes de champ magnétique que nous avons représentées. Sur la deuxième image, la spire est traversée par quatre des lignes de champ magnétique que nous avons représentées. Donc, entre le premier et le deuxième instant, le flux à travers la spire a augmenté. En comptant de la même manière, nous voyons qu’au troisième instant, la spire est traversée à nouveau seulement par deux lignes de champ magnétique. Donc, le flux a diminué entre le deuxième et le troisième instant.
Alors, rappelons qu’une variation de flux se traduit par une différence de potentiel, c’est comme ça que le générateur produit de l’énergie. Mais rappelons également que le signe de la différence de potentiel dépend du signe de la variation de flux. Alors, le signe de la différence de potentiel détermine dans quel sens le courant va circuler. Donc, si le générateur est connecté à un circuit externe, lorsque le flux augmente, le courant dans la spire aura un certain sens. Et lorsque le flux diminue, le courant dans la boucle aura le sens opposé. Mais cela signifie qu’entre l’instant initial et l’instant final indiqués, le sens du courant dans la spire s’est inversé.
Nous savons donc que le courant dans la spire s’est inversé entre les deux instants, mais il en va de même pour la connexion avec le circuit externe. Alors, rappelons-nous que l’inversion de la connexion inverse le sens du courant. Mais le sens du courant est déjà inversé, nous inversons donc un courant inversé, ce qui signifie que lorsque la connexion avec le commutateur change d’orientation, le sens du courant dans le circuit externe reste le même.
C’est en effet la fonction d’un commutateur. Un commutateur garantit que même si le sens du courant dans la spire du générateur change, le sens du courant dans le circuit externe reste le même.
La dernière observation que nous pouvons faire est que l’intensité du courant n’est pas constante. Et c’est logique. Lorsque la spire tourne dans le champ magnétique, la variation de flux n’a pas une valeur constante. Donc le courant induit n’a pas une valeur constante. En fait, le courant dans la spire de fil est un courant alternatif qui oscille entre une amplitude maximale dans un sens et une amplitude minimale dans le sens opposé. Comme le courant dans la spire est un courant alternatif - c’est-à-dire qu’il change d’intensité - mais que le commutateur garantit un sens constant du courant dans le circuit externe, ce générateur produit un courant alternatif redressé - c’est-à-dire un courant d’intensité variable mais seulement dans un sens.
