Transcription de la vidéo
Dans cette leçon, nous nous intĂ©ressons Ă lâinduction Ă©lectromagnĂ©tique dans les gĂ©nĂ©rateurs. Nous verrons comment les gĂ©nĂ©rateurs utilisent ce processus dâinduction Ă©lectromagnĂ©tique pour convertir lâĂ©nergie mĂ©canique en Ă©nergie Ă©lectrique.
Pour commencer, rappelons un peu ce quâest lâinduction Ă©lectromagnĂ©tique. Nous savons que si nous avons une boucle de fil conducteur et un aimant permanent et que nous dĂ©plaçons lâaimant permanent Ă 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 commencĂ© Ă circuler dans la boucle, est que le champ magnĂ©tique subit par la section transversale de la boucle a variĂ©. Et tant que ce champ varie, un courant est induit.
Nous pouvons alors Ă©crire une dĂ©finition de ce quâest lâinduction Ă©lectromagnĂ©tique. Nous pouvons dire que lâinduction Ă©lectromagnĂ©tique se produit lorsque le champ magnĂ©tique total qui passe Ă travers une boucle conductrice varie. Et cela conduit Ă une tension induite dans la boucle et donc Ă un flux de courant dans la boucle.
Sur la base de cette dĂ©finition du champ magnĂ©tique total passant par une boucle conductrice, nous voyons quâil y a en fait deux paramĂštres que nous pourrions faire varier dans un scĂ©nario donnĂ© pour induire une tension et donc un courant. Nous pourrions modifier le champ magnĂ©tique ressenti par une boucle, comme nous lâavons fait ici en dĂ©plaçant 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, mĂȘme dans un champ magnĂ©tique constant, cela signifie que le champ magnĂ©tique total passant par la boucle varie. Et par consĂ©quent, un courant est induit.
Une autre chose Ă voir Ă propos de cette idĂ©e de changer la surface de la boucle est que nous pouvons garder la mĂȘme boucle mais changer la surface par rapport au champ magnĂ©tique en faisant tourner la boucle autour dâun axe. En fait, cette idĂ©e de rĂ©aliser une boucle pour changer la surface exposĂ©e Ă un champ magnĂ©tique est Ă lâorigine de nombreux systĂšmes de production dâĂ©nergie que lâon utilise.
Pour mieux comprendre cela, parlons maintenant des gĂ©nĂ©rateurs. Nous avons dit prĂ©cĂ©demment quâun gĂ©nĂ©rateur est un dispositif de conversion dâĂ©nergie mĂ©canique en Ă©nergie Ă©lectrique. Cela dit en passant, leur fonctionnement est opposĂ© Ă celui dâun moteur. Un moteur prend de lâĂ©nergie Ă©lectrique et la convertit en Ă©nergie mĂ©canique. Mais de toute façon, de nombreux gĂ©nĂ©rateurs, tels que celui-ci, fonctionnent selon le principe de lâinduction Ă©lectromagnĂ©tique.
Si nous devions retirer le capot de ce gĂ©nĂ©rateur pour voir le fonctionnement interne, en regardant Ă lâintĂ©rieur, nous verrions que cette manivelle est attachĂ©e Ă une bobine de fil qui peut tourner autour dâun axe par son centre. Cette bobine est positionnĂ©e entre les pĂŽles nord et sud dâun aimant permanent, ce qui signifie que lorsque la bobine tourne, elle tourne Ă travers un champ magnĂ©tique. Le fil qui compose la bobine est en contact Ă©lectrique constant avec deux anneaux mĂ©talliques. Grace Ă ce contact, le courant gĂ©nĂ©rĂ© dans la boucle est transmis au circuit de charge et lâampoule sâallume.
Donc, globalement, dans ce processus, nous avons un apport dâĂ©nergie en tant quâĂ©nergie mĂ©canique, lâĂ©nergie que nous fournissons pour la rotation de la manivelle. Et puis Ă travers le processus dâinduction Ă©lectromagnĂ©tique, celle-ci est converti en Ă©nergie Ă©lectrique pour allumer la lumiĂšre. Examinons maintenant de plus prĂšs ce processus pour voir comment cette conversion dâĂ©nergie a lieu. En chemin, il sera utile dâobserver dâun point de vue diffĂ©rent ce gĂ©nĂ©rateur.
Disons que, plutĂŽt que de le regarder dans ce sens, nous plaçons notre Ćil le long de cette ligne ici, le long de lâaxe de rotation de la bobine. En le regardant de cette maniĂšre, nous voyons le pĂŽle nord de lâaimant ici, le pĂŽle sud ici, et entre les deux, nous voyons la bobine disposĂ©e comme ceci, horizontalement. Et puisque nous regardons lâextrĂ©mitĂ© de la bobine, cela explique pourquoi elle ressemble Ă une ligne plate. Mais en fait, câest cette bobine rectangulaire que nous voyons ici.
Maintenant, nous allons voir notre bobine dans plusieurs orientations diffĂ©rentes, pas seulement quand elle est Ă plat. Juste pour la visualiser plus clairement, glissons le pĂŽle sud de notre aimant plus loin vers la droite. Donc, nous avons maintenant dessinĂ© notre bobine en prenant un clichĂ© instantanĂ© de sa position Ă un instant. Mais nous savons que la bobine dans son ensemble nâest pas stationnaire. Pendant que la manivelle tourne, la bobine tourne constamment avec elle, dans le sens inverse des aiguilles dâune montre depuis cette perspective.
Comme elle continue de tourner, aprĂšs avoir subi une rotation de 90 degrĂ©s, notre bobine ressemblera Ă ceci. Et puis Ă 90 degrĂ©s de plus, elle ressemblera Ă ceci, semblable Ă lâoriginal mais maintenant retournĂ©e ou Ă lâenvers. Ensuite, 90 degrĂ©s de rotation plus tard, cela ressemblera Ă ceci. Et enfin, elle apparaĂźtra Ă nouveau Ă plat, mais cette fois, elle aura effectuĂ© une rotation complĂšte de 360 degrĂ©s.
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 dĂ©plaçons de gauche Ă droite sur le schĂ©ma. Lorsque notre bobine conductrice tourne dans un champ magnĂ©tique, nous savons que de la tension puis du courant y sont gĂ©nĂ©rĂ©s, car cette ampoule sâallume lorsque nous tournons la manivelle. En fait, nous pouvons superposer un graphique de la tension gĂ©nĂ©rĂ©e dans la bobine - nous lâappellerons đ â en fonction de lâangle - nous lâappellerons đ - de la bobine.
Ce que nous disons, câest que, pour diffĂ©rentes orientations de la bobine, comme nous lâavons dessinĂ© ici, diffĂ©rentes diffĂ©rences de potentiel sont gĂ©nĂ©rĂ©es. Et tout cela se produit Ă cause de lâinduction Ă©lectromagnĂ©tique. Pour pouvoir visualiser ces tensions, commençons par considĂ©rer lâorientation initiale de la bobine, Ă plat, disposĂ©e horizontalement.
Nous voyons que si nous dessinons nos lignes de champ magnĂ©tique pointant du pĂŽle nord de lâaimant au pĂŽle 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 exposĂ©e est nulle.
Ă ce stade, il est utile de se rappeler de notre dĂ©finition de lâinduction Ă©lectromagnĂ©tique. Cette dĂ©finition nous dit que la tension est induite dans une boucle conductrice lorsquâil y a une variation du champ magnĂ©tique quâelle subit. Le mot « variation » est essentiel ici. Cela signifie que ce qui est important, ce nâest pas la position instantanĂ©e de notre bobine, mais plutĂŽt comment elle Ă©volue dans le temps et comment cela affecte le champ magnĂ©tique auquel elle est exposĂ©e.
Lorsque notre bobine est orientĂ©e de cette façon et tourne, comme nous le savons, dans le sens inverse des aiguilles dâune montre, alors nous pouvons dire que, sur un trĂšs petit intervalle de temps, lâorientation de la bobine change de ceci Ă ceci. Juste pour que lâeffet soit visible, nous exagĂ©rons vraiment la rotation de la bobine qui se produirait rĂ©ellement sur un trĂšs petit intervalle de temps. Mais le fait est que, dans le cas du haut, les lignes de champ magnĂ©tique se dĂ©placent Ă travers la bobine dans un sens, tandis que dans le cas du bas, elles traversent la bobine dans le sens opposĂ©. Câest-Ă -dire que nous pourrions dire que la ligne de champ magnĂ©tique en haut se dĂ©place dâavant en arriĂšre Ă travers la bobine, alors quâen bas, elle se dĂ©place dâarriĂšre en avant.
Pour donner une idĂ©e un peu plus claire de cela, si nous codons en couleur les deux cĂŽtĂ©s diffĂ©rents de la bobine, notez que, en haut, la ligne de champ magnĂ©tique se dĂ©place Ă travers le cĂŽtĂ© vert, tandis que sur le schĂ©ma du bas, elle se dĂ©place Ă travers le cĂŽtĂ© or. Tout cela pour dire que, sur lâintervalle de temps indiquĂ© par la bobine reprĂ©sentĂ©e ici, le champ magnĂ©tique se dĂ©plaçant Ă travers la surface de la bobine change radicalement, aussi rapidement que jamais. Puisque le champ magnĂ©tique Ă travers la bobine change rapidement, cela signifie quâune tension Ă©levĂ©e est induite dans la bobine. Pour cette orientation, lâamplitude de la tension induite dans la boucle sera donc maximale.
Mais il y a encore une chose Ă remarquer. En fonction du sens de ce que nous appelons le vecteur dâaire de cette boucle, nous pouvons en fait qualifier la tension induite dans la bobine de nĂ©gative. Le raisonnement expliquant cela nâest pas important pour le moment. Ă ce stade, tout ce que nous devons savoir, câest que la tension induite dans notre bobine est trĂšs grande et que câest une valeur nĂ©gative. Plaçons donc ce point sur notre graphique. Nous nâattribuerons pas de valeurs sur lâaxe vertical. Mais nous allons simplement mettre ce point ici pour reprĂ©senter la tension induite ici.
AprĂšs avoir compris cela, laissons cette bobine continuer Ă tourner de 90 degrĂ©s jusquâĂ ce quâelle soit orientĂ©e comme ceci, verticalement. Dans ce cas, si nous regardons la variation du champ magnĂ©tique Ă travers cette boucle alors quâelle se dĂ©place sur un trĂšs petit intervalle de temps, si nous exagĂ©rons une fois de plus lâangle par lequel la boucle tournerait, cela ressemblerait Ă ce que nous voyons ici. Dans ce cas, parce que les lignes de champ magnĂ©tique se dĂ©placent du mĂȘme cĂŽtĂ© de la boucle, du cĂŽtĂ© or comme nous lâavons colorĂ©e, et que cette surface de boucle varie trĂšs 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 disposĂ©e de cette maniĂšre, cette valeur est dâenviron zĂ©ro. Nous pouvons donc aller sur notre graphique et placer ce point. Nous continuons et laissons notre bobine tourner de 90 degrĂ©s de plus. A cet instant, la variation instantanĂ©e de lâorientation de la bobine par rapport au champ ressemble un peu Ă ceci.
Remarquez que, dans notre schĂ©ma du haut, la ligne de champ passe par ce que nous avons nommĂ© le cĂŽtĂ© dorĂ© de la bobine. Mais dans le schĂ©ma du bas, il passe par le cĂŽtĂ© opposĂ©, le cĂŽtĂ© vert. Cela indique un changement radical dans le champ magnĂ©tique subit par la bobine dans cette orientation. Et cette fois, la tension induite en ce point sera positive. LâintensitĂ© de cette tension induite sera cependant la mĂȘme que lâintensitĂ© de notre point initial.
Pour placer ce point, nous allons monter verticalement de la mĂȘme distance que nous avons parcourue verticalement pour placer ce point dâorigine. Et nous allons localiser ce point juste lĂ . Ensuite, notre bobine continue de tourner de 90 degrĂ©s. Et maintenant, elle est Ă nouveau verticale. Sur le trĂšs petit intervalle de temps, autour de cet instant dans la position de la bobine, nous pouvons voir que, aux deux extrĂ©mitĂ©s de cet intervalle de temps, les lignes de champ magnĂ©tique de lâaimant se dĂ©placent du mĂȘme cĂŽtĂ© de la bobine. Une fois de plus, la variation de la surface exposĂ©e de la bobine par rapport aux lignes de champ est trĂšs, trĂšs petite. Et par consĂ©quent, la variation du champ magnĂ©tique Ă travers la boucle est Ă©galement assez faible.
Tout comme avant, lorsque nous avions une bobine orientĂ©e verticalement, la diffĂ©rence de potentiel induite dans cette bobine est effectivement nulle. Nous reprĂ©sentons ce point sur notre graphique, puis nous passons Ă la derniĂšre position de la bobine. Regardez le sens de ce que nous appelons le vecteur de surface dans cette orientation. VĂ©rifiez quâil correspond au vecteur de surface initial. Cela signifie que notre bobine a maintenant fait une rotation complĂšte de 360 degrĂ©s. Et, en fait, trouver la tension induite dans cette orientation particuliĂšre de la bobine ira rapidement car ce sera la mĂȘme que la tension induite lorsque la bobine avait cette mĂȘme orientation plus tĂŽt. Nous trouvons donc ce mĂȘme 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 donnĂ©es de cette boucle, connectons-les suivant une courbe de tendance. Il est trĂšs important de savoir que la courbe de tendance sera une courbe sinusoĂŻdale. Câest un mot un peu soutenu qui signifie que la courbe ressemblera Ă une fonctions sinus. Il aura une forme sinusoĂŻdale. La courbe ressemble alors Ă ceci.
Et maintenant que nous avons cette courbe, cela signifie que nous pouvons dĂ©terminer la tension induite dans notre boucle rotative pour toute orientation angulaire de cette boucle entre zĂ©ro et 360 degrĂ©s. Une chose Ă rĂ©aliser est que ce graphique que nous avons crĂ©Ă© est pour une seule rotation de la bobine. Mais bien sĂ»r, elle continue Ă tourner lorsque la manivelle est actionnĂ©e. Donc en rĂ©alitĂ©, cette courbe de tendance pourrait sâĂ©tendre suivant la mĂȘme forme sinusoĂŻdale Ă droite et Ă gauche.
Maintenant, Ă©tant donnĂ©e cette courbe, rĂ©flĂ©chissons un instant. Nous savons que câest un tracĂ© de la tension induite dans notre bobine rotative. Mais bien sĂ»r, ce nâest pas la tension qui allume cette ampoule, mais le courant qui doit traverser lâampoule pour que cela se produise. Alors, Ă quoi ressemblerait un graphique reprĂ©sentant le courant gĂ©nĂ©rĂ© par ce gĂ©nĂ©rateur ?
Il sâavĂšre que parce que la tension entraĂźne le courant et que notre circuit ici nâa quâune seule rĂ©sistance, lâampoule, alors le graphique du courant en fonction de lâangle ressemblera beaucoup au graphique de la tension en fonction Ă lâangle. Ce graphique pourrait trĂšs bien ressembler Ă ceci. Remarquez que nous nâavons pas notĂ© de valeurs sur lâaxe vertical sur aucun de ces deux graphiques. Lâimportant ici est que ces deux graphiques sont alignĂ©s. Ils sont en phase, ce qui signifie que les creux de lâun sâalignent avec les creux de lâautre et les sommets de lâun des graphes sâalignent avec les sommets de lâautre. 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 lâaxe horizontal et dâautres sont nĂ©gatifs. Cela signifie que le courant induit dans notre circuit change constamment de sens. Une moment, il circule dans le sens des aiguilles dâune 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 Ă©lectriques, le courant alternatif est exactement ce que nous recherchons. Mais dans dâautres cas, nous voulons que le courant se dĂ©place toujours dans le mĂȘme sens autour de la boucle. Nous ne voulons pas que le sens sâinverse constamment. Il est possible de modifier le gĂ©nĂ©rateur que nous avons lĂ afin de garantir que le courant gĂ©nĂ©rĂ© circule toujours dans le mĂȘme sens. Cette modification implique de prendre nos deux bagues mĂ©talliques ici - ce quâon appelle des bagues collectrices - et de les combiner en un seul anneau fendu. Cet anneau ressemble littĂ©ralement Ă deux moitiĂ©s dâanneau rapprochĂ©s. Le nom de cet anneau fendu est un commutateur. La fonction du commutateur est de sâassurer que mĂȘme si le courant gĂ©nĂ©rĂ© dans la bobine rotative est un courant alternatif, au moment oĂč il arrive au circuit de charge, il est converti en courant continu. Câest-Ă -dire quâelle va toujours dans le mĂȘme sens.
Donc, si nous disions que nos courbes de courant et de tension en fonction de lâangle Ă©taient des courbes de ces valeurs dans ce que nous appelons le circuit de charge, le circuit avec lâampoule, alors introduire notre commutateur dans le gĂ©nĂ©rateur changerait ces courbes comme ceci. Toutes les parties de ces graphiques qui Ă©taient auparavant nĂ©gatives, qui Ă©taient en dessous de lâaxe horizontal, ont Ă©tĂ© inversĂ©es ou rectifiĂ©es 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 zĂ©ro, mais il ne prend jamais de valeur nĂ©gative. Cela signifie que le courant se dĂ©place toujours dans le mĂȘme sens Ă travers notre circuit de charge. Et cela a Ă©tĂ© accompli en utilisant un commutateur dans notre gĂ©nĂ©rateur.
Soit dit en passant, ce terme « gĂ©nĂ©rateur » est gĂ©nĂ©ralement associĂ© Ă une sortie CA, courant alternatif. Lorsque nous mettons un commutateur et que nous convertissons la sortie en CC, courant continu, alors au lieu dâun gĂ©nĂ©rateur, lâappareil est souvent appelĂ© dynamo. Une façon de se rappeler câest que la dynamo correspond Ă CC, et donc le gĂ©nĂ©rateur correspond Ă lâautre type de courant, CA.
Et un derniĂšre chose niveau vocabulaire. Lorsquâun signal alternatif, tel que celui que nous avions Ă lâorigine pour notre courant, est transformĂ© en un signal continu par lâinsertion dâun commutateur, nous disons que ce signal a Ă©tĂ© rectifiĂ©. Câest ainsi que toutes les valeurs nĂ©gatives ont Ă©tĂ© renversĂ©es autour de lâaxe horizontal, donc elles sont maintenant positives.
Prenons un instant pour rĂ©sumer ce que nous avons appris sur lâinduction Ă©lectromagnĂ©tique dans les gĂ©nĂ©rateurs. Dans cette leçon, il nous a Ă©tĂ© rappelĂ© que lâinduction Ă©lectromagnĂ©tique se produit quand une variation de champ magnĂ©tique dans une boucle conductrice induit une tension et donc un courant dans la boucle. Ensuite, nous avons vu que les gĂ©nĂ©rateurs utilisent lâinduction Ă©lectromagnĂ©tique pour convertir lâĂ©nergie mĂ©canique en Ă©nergie Ă©lectrique. Nous avons appris que les gĂ©nĂ©rateurs produisent en sortie un courant alternatif, qui ressemblerait Ă ceci sur un graphique. Tandis quâun appareil appelĂ© dynamo, qui utilise un commutateur, produit en sortie un courant rectifiĂ© continu qui ressemble Ă ceci, oĂč dans ce cas, toutes les valeurs de courant ne sont pas nĂ©gatives. Elles sont soit nulles, soit positives.