Vidéo de la leçon: Moteurs à courant continu Physique

Transcription de la vidéo

Cette vidéo concerne les moteurs à courant continu. Nous allons apprendre comment ces moteurs fonctionnent. Ils suivent vraiment un design ingénieux. Et nous verrons également comment déterminer dans quel sens ce moteur aura tendance à tourner, étant donné une certaine orientation de ce fil ici.

Démarrons par construire un moteur à courant continu en commençant par la pile. Ces moteurs sont appelés à courant continu car ils fonctionnent avec une source qui produit constamment du courant dans la même direction. Dans un moteur comme celui-ci, la pile est connectée par fil à deux objets en forme de croissant ici. On les appelle des balais, et ces balais aident à maintenir le contact électrique avec la partie du moteur qui est ici, qui est appelée un commutateur. Les commutateurs ressemblent souvent à un anneau solide ou à un cercle divisé en deux moitiés électriquement séparées. Un commutateur est en métal, et il conduit donc de l’électricité. Et chacune de ses moitiés est connectée électriquement à une extrémité d’une boucle de fil. À l’heure actuelle, cette boucle est orientée dans un plan horizontal, mais elle est capable de tourner avec le commutateur autour d’un axe passant par son centre.

Cette boucle est parfois appelée armature ou aussi bobine. C’est la partie du moteur à courant continu ou DC, qui se déplace lorsque le moteur fonctionne. Maintenant, autour de l’armature se trouve un aimant permanent, parfois appelé stator du moteur. Soulignons qu’il reste stationnaire contrairement à l’armature rotative. Ce sont les composants essentiels d’un moteur à courant continu. Et le principe physique de base qui fait fonctionner un tel moteur est le fait que les charges électriques subissent une force lorsqu’elles se déplacent dans un champ magnétique. Pour les charges individuelles, dont la charge est représentée par 𝑞, l’intensité de cette force est égale à la charge multipliée par la vitesse à laquelle elle se déplace fois la valeur du champ magnétique qu’elle traverse.

Aussi, dans le cas où nous travaillons avec un fil d’une certaine longueur conduisant un certain courant, cette force est donnée par cette relation. Elle est égale à la valeur du champ magnétique multipliée par le courant et multipliée par la longueur du fil. Si nous revenons à notre moteur, en raison de cette alimentation en courant continu, nous savons que les charges positives se déplaceront dans le sens des aiguilles d’une montre à travers ce circuit. Mais alors, lorsque les charges passent du balai au commutateur, elles entrent dans la boucle de fil et commencent à la traverser. Ce n’est qu’après avoir parcouru toute cette boucle que les charges entrent dans le commutateur, cette fois de l’autre côté. Et, parce que le commutateur est électriquement connecté au balai, les charges se déplacent alors à travers cette partie du circuit et passent à la borne négative de la pile.

Donc, voici comment les charges se déplacent à travers ce circuit global. Et cela nous montre qu’en effet, il y a du courant dans cette boucle de fil. Et parce que cette boucle est dans un champ magnétique, cela signifie que la boucle subira une force, appelée force de Lorentz. Ce que nous allons faire maintenant, c’est apprendre une technique pour déterminer la direction dans laquelle cette force agit. Pour ce faire, concentrons-nous simplement sur la direction du courant conventionnel dans ces parties de notre boucle. Donc, dans l’exemple ici sur le côté gauche, nous pouvons dire que le courant s’éloigne de nous. Et à droite, il vient vers nous. Nous pouvons connaitre la direction dans laquelle la force de Lorentz ou la force magnétique agit sur ces côtés de la bobine en utilisant ce qu’on appelle la règle de la main droite. Cette règle tire son nom du fait que nous utilisons la main droite pour déterminer cette direction.

En se référant à cette équation de la force ici, la première chose que nous devons faire est de déterminer, pour la longueur du fil qui nous intéresse, quelle est la direction du courant 𝐼? Donc, sur notre schéma du moteur, si nous nous concentrons sur cette longueur de fil ici, nous pouvons voir que le courant dans cette section de fil s’éloigne de nous, nous pouvons dire que c’est la direction vers l’écran. Ce que nous faisons alors, c’est prendre les quatre doigts de la main droite et les pointer dans la même direction que le courant. Les doigts sont difficiles à voir ici parce que nous les avons dirigés vers l’écran. Mais c’est comme cela qu’ils pointent. Et ce que nous faisons ensuite, c’est de déterminer dans quelle direction le champ magnétique pointe pour ce fil conducteur de courant.

Maintenant, sur notre schéma, nous avons le pôle nord d’un aimant ici et le pôle sud ici. Les lignes de champ magnétique pointent toujours du nord vers le sud. Donc, pour la zone dans laquelle notre bobine se trouve, le champ magnétique est dirigé de gauche à droite. Et c’est la deuxième direction dans laquelle nous allons pointer nos doigts en utilisant cette règle de la main droite. Nous allons prendre nos doigts, qui sont pointés dans la direction de l’écran, et nous allons les courber pour qu’ils pointent vers la droite. Alors maintenant, bien qu’ils soient un peu cachés par notre poignet, nos quatre doigts pointent vers la droite. Et c’est à ce stade que nous pouvons trouver la direction dans laquelle pointe notre pouce.

Maintenant, remarquons que, pour appliquer cette règle de droite, il est important que la direction du courant soit perpendiculaire à la direction du champ magnétique. Et la direction de la force sur le fil doit être perpendiculaire à ces deux dernières. Et c’est ce que la direction de notre pouce indique. C’est la façon dont la force magnétique pousse sur cette section de fil. Et nous pouvons dessiner cette force sur notre schéma. De ce côté de notre boucle de fil alors, la force agit vers le bas. Et maintenant, considérons la direction de la force sur le courant du côté droit du fil.

Encore une fois, nous allons utiliser cette règle de la main droite. De ce côté du fil, nous pouvons voir que le courant se déplace vers nous. On pourrait dire qu’il sort de l’écran, ce qui signifie que nous allons prendre les quatre doigts de notre main droite et les pointer dans la même direction, en pointant dans notre direction. Et puis, comme auparavant, la direction du champ magnétique dans lequel se trouve ce fil, est vers la droite. Et donc, nous courbons nos doigts de la main droite pour pointer de cette façon, comme ceci. Et notre pouce, pointé perpendiculairement par rapport à la direction du courant et à la direction du champ magnétique, nous montre que la force agissant sur cette section de fil pointe vers le haut.

Maintenant, en supposant que les longueurs de fil sur les côtés droit et gauche de notre boucle sont les mêmes, nous savons que l’intensité du courant est la même dans chacun d’eux, ainsi que la valeur du champ magnétique qu’ils subissent. Donc, l’intensité de ces forces que chaque partie subira est également la même. Dans notre schéma cependant, nous pouvons voir qu’ils agissent dans des directions opposées. Et cela tend à créer un couple qui agit sur cette boucle de fil. Tant que ce couple est en vigueur, la boucle aura tendance à tourner comme cela, dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Maintenant, nous avons dit que ces forces sur chaque partie du fil créent un couple. Et disons clairement pourquoi. Nous pouvons voir l’axe autour duquel notre boucle de fil va tourner. Et nous voyons également que ces forces agissant sur notre boucle de fil ne sont pas le long de cet axe. Au lieu de cela, les forces sont séparées de cet axe par ces distances ici. Et donc, un bras de levier existe; et par conséquent, un couple est créé.

Maintenant, avant d’aller plus loin, une question peut se poser. Nous n’avons considéré que deux des quatre côtés de cette bobine de fil. Qu’en est-il des deux autres, c’est-à-dire l’avant et l’arrière? Eh bien, il s’avère que pour ces deux côtés du fil, parce que le courant de ces côtés pointe soit de manière parallèle à la direction du champ magnétique, la force magnétique sur ces parties du fil est nulle. Ainsi, les côtés que nous avons considérés, la gauche et la droite, sont les seuls à subir une force. Et par conséquent, ils sont les seuls contributeurs au couple sur cette bobine, et la seule raison pour laquelle elle tourne. Alors, disons que notre bobine de fil commence à tourner. Imaginez qu’elle tourne de 45 degrés.

Maintenant, si nous regardons notre commutateur, cet anneau de métal fendu qui tourne avec notre bobine, nous pouvons voir que les deux côtés du commutateur, ses deux moitiés, sont toujours en contact électrique avec les mêmes balais des mêmes côtés avec lesquels ils étaient en contact avant. Cela signifie que les charges électriques, lorsqu’elles se déplacent à travers la bobine, se déplaceront dans la même direction qu’auparavant. Cela signifie que, encore une fois, le courant dans le bras gauche de notre bobine pointe vers l’écran et le courant dans le bras droit, vers nous. Maintenant, puisque ces directions de courant sont les mêmes que précédemment et que la direction du champ magnétique subi par le courant n’a pas changé, cela signifie que les directions de la force sur ces deux côtés de la bobine seront également les mêmes que précédemment.

À gauche, cette force sera dirigée vers le bas. Et à droite, elle pointera vers le haut. Et encore une fois, ces forces n’agissent pas sur une ligne passant par le centre de rotation de notre bobine, ce qui signifie qu’elles auront tendance à créer un couple. Mais, et c’est un point important, l’amplitude de ce couple ne sera pas aussi grande qu’avant car ces forces sont appliquée plus près de l’axe de rotation qu’avant. Maintenant, si nous laissons cette bobine continuer à tourner, comme cela se produira à cause de ce couple, alors ce couple devient de plus en plus faible lorsque la bobine approche d’une orientation verticale et elle atteindra vraiment sa limite lorsque la bobine est, en fait, verticale.

Notez que lorsque c’est comme ceci, même s’il y avait une force agissant vers le haut ou vers le bas sur les côtés gauche et droit de la bobine - pour le moment, nous pourrions les appeler les côtés supérieur et inférieur - ces forces agiront dans la même direction que l’axe de rotation de la bobine. Et pour cette raison, elles ne généreront aucun couple. Donc, quand tout est dans un plan vertical pointé vers le haut et vers le bas, il n’y a pas de couple sur la bobine. Pour un moteur avec une seule bobine comme ici, la seule chose qui maintient la rotation de la bobine, c’est son inertie. Elle se déplaçait déjà dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, et elle continuera donc à le faire à moins qu’il n’y ait une résistance.

Maintenant, pour cette orientation, quelque chose d’important se passe avec notre commutateur. Jusqu’à présent, ce côté de notre commutateur a toujours été en contact électrique avec ce balai. Et de même, cet autre côté du commutateur a été en contact avec ce balai. Mais alors que le commutateur continue de tourner, cela va changer. Bientôt, ce côté du commutateur sera en contact électrique avec ce balai, et ce côté sera en contact avec celui-là. Maintenant, cela ne change rien à la direction du courant quand il se déplace dans cette partie bleue de notre circuit ici. Mais ce que cela produit, c’est l’inversement de la direction du courant lorsqu’il traverse notre bobine rotative. C’est une partie importante de la conception d’un moteur à courant continu.

Laissons la bobine tourner de 45 degrés. Une fois qu’elle est dans cette position, nous pourrions penser que le courant dans la bobine suivra la même direction qu’avant. Si c’était le cas, alors le courant dans ce qui est maintenant le côté gauche de la bobine sortirait de l’écran vers nous tandis que le courant sur le côté droit se déplacerait dans la direction de l’écran. Mais si nous appliquons rapidement notre règle de la main droite à ces deux côtés de la boucle, nous pouvons voir que cela crée un problème. En effet, selon notre règle de la main droite, la force sur ce côté gauche de notre boucle serait dirigée vers le haut tandis que la force sur le côté droit pointerait dans la direction opposée, vers le bas. Et nous pouvons voir que cela crée alors un couple qui est dans le sens des aiguilles d’une montre autour de notre axe de rotation. En d’autres termes, il y a une résistance par rapport à la direction dans laquelle la bobine se déplaçait auparavant.

Si c’est ainsi que notre moteur fonctionne, nous pouvons l’imaginer en train de tourner dans un sens, puis dans le sens inverse, puis dans le premier sens, puis encore, et ainsi de suite. Il oscillerait simplement au niveau vertical. Mais ce n’est pas utile lorsque nous voulons créer un moteur. Et donc, c’est la raison pour laquelle cet anneau divisé, le commutateur, fait partie de notre moteur à courant continu. Lorsque le commutateur tourne, chaque demi-tour, il entre en contact avec un balai différent de notre circuit continu. Et cela signifie que la direction du courant dans notre boucle change et maintenant, le courant pointe vers l’écran dans ce qui était auparavant le côté droit de notre boucle et qui est maintenant le côté gauche. Et puis du côté opposé, de ce qui est maintenant le côté droit de notre boucle, il sort de l’écran.

Dans ces conditions, si nous regardons une fois de plus les côtés gauche et droit de cette boucle et appliquons la règle de la main droite, nous voyons que la force magnétique agissant sur ce qui est maintenant le côté gauche pointe à nouveau vers le bas tandis que la force agissant sur ce qui est maintenant le côté droit pointe dans la direction opposée, vers le haut. Cela signifie que le couple sur la bobine est dans la même direction qu’avant, dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, et que la bobine continuera à tourner de cette façon. Et ainsi, sous cette influence, la bobine continuera à tourner jusqu’à atteindre à nouveau une orientation horizontale. Et puis, avec le courant du côté gauche de la bobine toujours dirigé vers l’écran et le courant du côté droit qui en sort, la bobine continue de subir un couple dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

Soit dit en passant, cet appareil s’appelle un moteur parce qu’une barre est généralement placée le long de l’axe de rotation de la bobine. Ainsi, lorsque la bobine tourne, la barre tourne également. Et cela est capable de faire tourner, par exemple, une roue ou un engrenage ou un autre objet mécanique. Et cet objet en rotation peut produire un travail mécanique. Dans un moteur à courant continu, l’énergie est donc convertie à partir de l’énergie électrique dans ce circuit en une sortie d’énergie mécanique vers cet arbre en rotation.

Résumons maintenant ce que nous avons appris sur les moteurs à courant continu. Dans cette leçon, nous avons vu qu’un moteur à courant continu ou DC convertit l’énergie électrique en énergie mécanique. Nous avons vu que cela se produit à l’aide d’une boucle de fil conduisant le courant et positionnée entre les pôles d’un aimant permanent, qui tourne autour d’un axe passant par son centre. Même si notre bobine a quatre côtés, seuls les côtés gauche et droit subiront une force magnétique. Et la direction de cette force est donnée par la règle de la main droite.

Pour utiliser cette règle, nous devons d’abord déterminer la direction du courant dans la section de fil à laquelle nous nous intéressons. Disons que dans cette partie de la bobine, le courant est dirigé vers l’écran. Alors, en prenant notre main droite, nous pointons nos quatre doigts dans la même direction. Ensuite, nous trouvons la direction du champ magnétique dans lequel se trouve cette partie de la bobine. Disons que ce champ pointe de gauche à droite. Avec notre main droite alors, nous courbons quatre doigts pour qu’ils pointent dans la direction de ce champ. Une fois que nous avons fait cela, si nous pointons notre pouce perpendiculairement à la fois à la direction du courant et à la direction du champ magnétique, alors notre pouce pointe dans la direction de la force appliquée sur cette section de fil.

Et nous avons vu que peu importe l’orientation de cette bobine, tant que nous connaissions la direction du courant dans un tronçon de fil et la façon dont pointe le champ magnétique appliqué sur ce fil, nous pouvons toujours utiliser la règle de la main droite pour représenter la direction de la force résultante. Sauf dans les cas où la bobine est orientée verticalement, cette force crée un couple et fait tourner la bobine.