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Vidéo de la leçon : Induction électromagnétique dans les générateurs Physique

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

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Transcription de vidéo

Dans cette leçon, nous nous intéressons à l’induction électromagnétique dans les générateurs. Nous verrons comment les générateurs utilisent ce processus d’induction électromagnétique pour convertir l’énergie mécanique en énergie électrique.

Pour commencer, rappelons un peu ce qu’est l’induction électromagnétique. Nous savons que si nous avons une boucle de fil conducteur et un aimant permanent et que nous déplaçons l’aimant permanent à travers la boucle, alors un courant sera induit et circulera dans ce fil. Nous avons vu que la raison pour laquelle cela se produit, la raison pour laquelle le courant a commencé à circuler dans la boucle, est que le champ magnétique subit par la section transversale de la boucle a varié. Et tant que ce champ varie, un courant est induit.

Nous pouvons alors écrire une définition de ce qu’est l’induction électromagnétique. Nous pouvons dire que l’induction électromagnétique se produit lorsque le champ magnétique total qui passe à travers une boucle conductrice varie. Et cela conduit à une tension induite dans la boucle et donc à un flux de courant dans la boucle.

Sur la base de cette définition du champ magnétique total passant par une boucle conductrice, nous voyons qu’il y a en fait deux paramètres que nous pourrions faire varier dans un scénario donné pour induire une tension et donc un courant. Nous pourrions modifier le champ magnétique ressenti par une boucle, comme nous l’avons fait ici en déplaçant notre aimant. Ou, alternativement, nous pourrions garder notre aimant stationnaire et faire varier la taille de la boucle.

Si nous augmentons ou diminuons cette taille, tant que la surface totale de la boucle change, même dans un champ magnétique constant, cela signifie que le champ magnétique total passant par la boucle varie. Et par conséquent, un courant est induit.

Une autre chose à voir à propos de cette idée de changer la surface de la boucle est que nous pouvons garder la même boucle mais changer la surface par rapport au champ magnétique en faisant tourner la boucle autour d’un axe. En fait, cette idée de réaliser une boucle pour changer la surface exposée à un champ magnétique est à l’origine de nombreux systèmes de production d’énergie que l’on utilise.

Pour mieux comprendre cela, parlons maintenant des générateurs. Nous avons dit précédemment qu’un générateur est un dispositif de conversion d’énergie mécanique en énergie électrique. Cela dit en passant, leur fonctionnement est opposé à celui d’un moteur. Un moteur prend de l’énergie électrique et la convertit en énergie mécanique. Mais de toute façon, de nombreux générateurs, tels que celui-ci, fonctionnent selon le principe de l’induction électromagnétique.

Si nous devions retirer le capot de ce générateur pour voir le fonctionnement interne, en regardant à l’intérieur, nous verrions que cette manivelle est attachée à une bobine de fil qui peut tourner autour d’un axe par son centre. Cette bobine est positionnée entre les pôles nord et sud d’un aimant permanent, ce qui signifie que lorsque la bobine tourne, elle tourne à travers un champ magnétique. Le fil qui compose la bobine est en contact électrique constant avec deux anneaux métalliques. Grace à ce contact, le courant généré dans la boucle est transmis au circuit de charge et l’ampoule s’allume.

Donc, globalement, dans ce processus, nous avons un apport d’énergie en tant qu’énergie mécanique, l’énergie que nous fournissons pour la rotation de la manivelle. Et puis à travers le processus d’induction électromagnétique, celle-ci est converti en énergie électrique pour allumer la lumière. Examinons maintenant de plus près ce processus pour voir comment cette conversion d’énergie a lieu. En chemin, il sera utile d’observer d’un point de vue différent ce générateur.

Disons que, plutôt que de le regarder dans ce sens, nous plaçons notre œil le long de cette ligne ici, le long de l’axe de rotation de la bobine. En le regardant de cette manière, nous voyons le pôle nord de l’aimant ici, le pôle sud ici, et entre les deux, nous voyons la bobine disposée comme ceci, horizontalement. Et puisque nous regardons l’extrémité de la bobine, cela explique pourquoi elle ressemble à une ligne plate. Mais en fait, c’est cette bobine rectangulaire que nous voyons ici.

Maintenant, nous allons voir notre bobine dans plusieurs orientations différentes, pas seulement quand elle est à plat. Juste pour la visualiser plus clairement, glissons le pôle sud de notre aimant plus loin vers la droite. Donc, nous avons maintenant dessiné notre bobine en prenant un cliché instantané de sa position à un instant. Mais nous savons que la bobine dans son ensemble n’est pas stationnaire. Pendant que la manivelle tourne, la bobine tourne constamment avec elle, dans le sens inverse des aiguilles d’une montre depuis cette perspective.

Comme elle continue de tourner, après avoir subi une rotation de 90 degrés, notre bobine ressemblera à ceci. Et puis à 90 degrés de plus, elle ressemblera à ceci, semblable à l’original mais maintenant retournée ou à l’envers. Ensuite, 90 degrés de rotation plus tard, cela ressemblera à ceci. Et enfin, elle apparaîtra à nouveau à plat, mais cette fois, elle aura effectué une rotation complète de 360 degrés.

Pour montrer que cette bobine tourne, nous pourrions dessiner des vecteurs de surface. Ces vecteurs pourraient nous indiquer que la bobine tourne en effet lorsque nous nous déplaçons de gauche à droite sur le schéma. Lorsque notre bobine conductrice tourne dans un champ magnétique, nous savons que de la tension puis du courant y sont générés, car cette ampoule s’allume lorsque nous tournons la manivelle. En fait, nous pouvons superposer un graphique de la tension générée dans la bobine - nous l’appellerons 𝑉 – en fonction de l’angle - nous l’appellerons 𝜃 - de la bobine.

Ce que nous disons, c’est que, pour différentes orientations de la bobine, comme nous l’avons dessiné ici, différentes différences de potentiel sont générées. Et tout cela se produit à cause de l’induction électromagnétique. Pour pouvoir visualiser ces tensions, commençons par considérer l’orientation initiale de la bobine, à plat, disposée horizontalement.

Nous voyons que si nous dessinons nos lignes de champ magnétique pointant du pôle nord de l’aimant au pôle sud, alors lorsque notre bobine est plate, quand elle est horizontale, aucune de ces lignes de champ ne traverse la bobine. Elles ne peuvent pas parce que la surface qui leur est exposée est nulle.

À ce stade, il est utile de se rappeler de notre définition de l’induction électromagnétique. Cette définition nous dit que la tension est induite dans une boucle conductrice lorsqu’il y a une variation du champ magnétique qu’elle subit. Le mot « variation » est essentiel ici. Cela signifie que ce qui est important, ce n’est pas la position instantanée de notre bobine, mais plutôt comment elle évolue dans le temps et comment cela affecte le champ magnétique auquel elle est exposée.

Lorsque notre bobine est orientée de cette façon et tourne, comme nous le savons, dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, alors nous pouvons dire que, sur un très petit intervalle de temps, l’orientation de la bobine change de ceci à ceci. Juste pour que l’effet soit visible, nous exagérons vraiment la rotation de la bobine qui se produirait réellement sur un très petit intervalle de temps. Mais le fait est que, dans le cas du haut, les lignes de champ magnétique se déplacent à travers la bobine dans un sens, tandis que dans le cas du bas, elles traversent la bobine dans le sens opposé. C’est-à-dire que nous pourrions dire que la ligne de champ magnétique en haut se déplace d’avant en arrière à travers la bobine, alors qu’en bas, elle se déplace d’arrière en avant.

Pour donner une idée un peu plus claire de cela, si nous codons en couleur les deux côtés différents de la bobine, notez que, en haut, la ligne de champ magnétique se déplace à travers le côté vert, tandis que sur le schéma du bas, elle se déplace à travers le côté or. Tout cela pour dire que, sur l’intervalle de temps indiqué par la bobine représentée ici, le champ magnétique se déplaçant à travers la surface de la bobine change radicalement, aussi rapidement que jamais. Puisque le champ magnétique à travers la bobine change rapidement, cela signifie qu’une tension élevée est induite dans la bobine. Pour cette orientation, l’amplitude de la tension induite dans la boucle sera donc maximale.

Mais il y a encore une chose à remarquer. En fonction du sens de ce que nous appelons le vecteur d’aire de cette boucle, nous pouvons en fait qualifier la tension induite dans la bobine de négative. Le raisonnement expliquant cela n’est pas important pour le moment. À ce stade, tout ce que nous devons savoir, c’est que la tension induite dans notre bobine est très grande et que c’est une valeur négative. Plaçons donc ce point sur notre graphique. Nous n’attribuerons pas de valeurs sur l’axe vertical. Mais nous allons simplement mettre ce point ici pour représenter la tension induite ici.

Après avoir compris cela, laissons cette bobine continuer à tourner de 90 degrés jusqu’à ce qu’elle soit orientée comme ceci, verticalement. Dans ce cas, si nous regardons la variation du champ magnétique à travers cette boucle alors qu’elle se déplace sur un très petit intervalle de temps, si nous exagérons une fois de plus l’angle par lequel la boucle tournerait, cela ressemblerait à ce que nous voyons ici. Dans ce cas, parce que les lignes de champ magnétique se déplacent du même côté de la boucle, du côté or comme nous l’avons colorée, et que cette surface de boucle varie très peu lorsque nous subissons cette rotation, cela signifie que la variation totale du champ ressenti par la boucle est vraiment assez faible.

En fait, lorsque la bobine est disposée de cette manière, cette valeur est d’environ zéro. Nous pouvons donc aller sur notre graphique et placer ce point. Nous continuons et laissons notre bobine tourner de 90 degrés de plus. A cet instant, la variation instantanée de l’orientation de la bobine par rapport au champ ressemble un peu à ceci.

Remarquez que, dans notre schéma du haut, la ligne de champ passe par ce que nous avons nommé le côté doré de la bobine. Mais dans le schéma du bas, il passe par le côté opposé, le côté vert. Cela indique un changement radical dans le champ magnétique subit par la bobine dans cette orientation. Et cette fois, la tension induite en ce point sera positive. L’intensité de cette tension induite sera cependant la même que l’intensité de notre point initial.

Pour placer ce point, nous allons monter verticalement de la même distance que nous avons parcourue verticalement pour placer ce point d’origine. Et nous allons localiser ce point juste là. Ensuite, notre bobine continue de tourner de 90 degrés. Et maintenant, elle est à nouveau verticale. Sur le très petit intervalle de temps, autour de cet instant dans la position de la bobine, nous pouvons voir que, aux deux extrémités de cet intervalle de temps, les lignes de champ magnétique de l’aimant se déplacent du même côté de la bobine. Une fois de plus, la variation de la surface exposée de la bobine par rapport aux lignes de champ est très, très petite. Et par conséquent, la variation du champ magnétique à travers la boucle est également assez faible.

Tout comme avant, lorsque nous avions une bobine orientée verticalement, la différence de potentiel induite dans cette bobine est effectivement nulle. Nous représentons ce point sur notre graphique, puis nous passons à la dernière position de la bobine. Regardez le sens de ce que nous appelons le vecteur de surface dans cette orientation. Vérifiez qu’il correspond au vecteur de surface initial. Cela signifie que notre bobine a maintenant fait une rotation complète de 360 degrés. Et, en fait, trouver la tension induite dans cette orientation particulière de la bobine ira rapidement car ce sera la même que la tension induite lorsque la bobine avait cette même orientation plus tôt. Nous trouvons donc ce même point vertical sur notre graphique et plaçons notre point ici.

Maintenant que nous avons tous ces points pour la tension induite dans notre boucle, en fonction de certaines orientations données de cette boucle, connectons-les suivant une courbe de tendance. Il est très important de savoir que la courbe de tendance sera une courbe sinusoïdale. C’est un mot un peu soutenu qui signifie que la courbe ressemblera à une fonctions sinus. Il aura une forme sinusoïdale. La courbe ressemble alors à ceci.

Et maintenant que nous avons cette courbe, cela signifie que nous pouvons déterminer la tension induite dans notre boucle rotative pour toute orientation angulaire de cette boucle entre zéro et 360 degrés. Une chose à réaliser est que ce graphique que nous avons créé est pour une seule rotation de la bobine. Mais bien sûr, elle continue à tourner lorsque la manivelle est actionnée. Donc en réalité, cette courbe de tendance pourrait s’étendre suivant la même forme sinusoïdale à droite et à gauche.

Maintenant, étant donnée cette courbe, réfléchissons un instant. Nous savons que c’est un tracé de la tension induite dans notre bobine rotative. Mais bien sûr, ce n’est pas la tension qui allume cette ampoule, mais le courant qui doit traverser l’ampoule pour que cela se produise. Alors, à quoi ressemblerait un graphique représentant le courant généré par ce générateur ?

Il s’avère que parce que la tension entraîne le courant et que notre circuit ici n’a qu’une seule résistance, l’ampoule, alors le graphique du courant en fonction de l’angle ressemblera beaucoup au graphique de la tension en fonction à l’angle. Ce graphique pourrait très bien ressembler à ceci. Remarquez que nous n’avons pas noté de valeurs sur l’axe vertical sur aucun de ces deux graphiques. L’important ici est que ces deux graphiques sont alignés. Ils sont en phase, ce qui signifie que les creux de l’un s’alignent avec les creux de l’autre et les sommets de l’un des graphes s’alignent avec les sommets de l’autre. Cela signifie que lorsque la tension dans le circuit est maximale, le courant aussi. Et lorsque la tension est minimale, le courant aussi.

En regardant ce graphique du courant, remarquez que certains des courants sont positifs au-dessus de l’axe horizontal et d’autres sont négatifs. Cela signifie que le courant induit dans notre circuit change constamment de sens. Une moment, il circule dans le sens des aiguilles d’une montre, et le suivant, il circule dans le sens inverse. Le nom du courant qui fait cela est courant alternatif ou CA.

Dans certaines applications des circuits électriques, le courant alternatif est exactement ce que nous recherchons. Mais dans d’autres cas, nous voulons que le courant se déplace toujours dans le même sens autour de la boucle. Nous ne voulons pas que le sens s’inverse constamment. Il est possible de modifier le générateur que nous avons là afin de garantir que le courant généré circule toujours dans le même sens. Cette modification implique de prendre nos deux bagues métalliques ici - ce qu’on appelle des bagues collectrices - et de les combiner en un seul anneau fendu. Cet anneau ressemble littéralement à deux moitiés d’anneau rapprochés. Le nom de cet anneau fendu est un commutateur. La fonction du commutateur est de s’assurer que même si le courant généré dans la bobine rotative est un courant alternatif, au moment où il arrive au circuit de charge, il est converti en courant continu. C’est-à-dire qu’elle va toujours dans le même sens.

Donc, si nous disions que nos courbes de courant et de tension en fonction de l’angle étaient des courbes de ces valeurs dans ce que nous appelons le circuit de charge, le circuit avec l’ampoule, alors introduire notre commutateur dans le générateur changerait ces courbes comme ceci. Toutes les parties de ces graphiques qui étaient auparavant négatives, qui étaient en dessous de l’axe horizontal, ont été inversées ou rectifiées au-dessus de cet axe.

En regardant notre graphique du courant maintenant, vous voyez que le courant est maintenant toujours positif. Il prend parfois pour valeur zéro, mais il ne prend jamais de valeur négative. Cela signifie que le courant se déplace toujours dans le même sens à travers notre circuit de charge. Et cela a été accompli en utilisant un commutateur dans notre générateur.

Soit dit en passant, ce terme « générateur » est généralement associé à une sortie CA, courant alternatif. Lorsque nous mettons un commutateur et que nous convertissons la sortie en CC, courant continu, alors au lieu d’un générateur, l’appareil est souvent appelé dynamo. Une façon de se rappeler c’est que la dynamo correspond à CC, et donc le générateur correspond à l’autre type de courant, CA.

Et un dernière chose niveau vocabulaire. Lorsqu’un signal alternatif, tel que celui que nous avions à l’origine pour notre courant, est transformé en un signal continu par l’insertion d’un commutateur, nous disons que ce signal a été rectifié. C’est ainsi que toutes les valeurs négatives ont été renversées autour de l’axe horizontal, donc elles sont maintenant positives.

Prenons un instant pour résumer ce que nous avons appris sur l’induction électromagnétique dans les générateurs. Dans cette leçon, il nous a été rappelé que l’induction électromagnétique se produit quand une variation de champ magnétique dans une boucle conductrice induit une tension et donc un courant dans la boucle. Ensuite, nous avons vu que les générateurs utilisent l’induction électromagnétique pour convertir l’énergie mécanique en énergie électrique. Nous avons appris que les générateurs produisent en sortie un courant alternatif, qui ressemblerait à ceci sur un graphique. Tandis qu’un appareil appelé dynamo, qui utilise un commutateur, produit en sortie un courant rectifié continu qui ressemble à ceci, où dans ce cas, toutes les valeurs de courant ne sont pas négatives. Elles sont soit nulles, soit positives.

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