Générateurs électriques

Schéma d'un générateur électrique

Fig. 2 : Un diagramme montrant comment un générateur électrique est utilisé pour aider à convertir l'énergie éolienne en énergie électrique utile pour le réseau national.

Le schéma ci-dessus montre comment un générateur électriquepeut nous aider à produire de l'électricité à l'aide d'une éolienne. Tout d'abord, l'éolienne est forcée de tourner par le vent. Le multiplicateur est utilisé pour transformer la rotation lente (mais avec un couple élevé) de l'éolienne en une rotation rapide (mais avec un couple faible) nécessaire à la bobine de fil dans le générateur. La turbine a converti l'énergie éolienne en énergie mécanique, et le générateur a converti l'énergie mécanique en énergie électrique qui sera utilisée dans le réseau national.

Comment fonctionne un générateur électrique ?

Il est important de comprendre comment un fil placé à l'intérieur d'un champ magnétique induit un courant à travers lui pour générer de l'électricité. Disons que tu as deux aimants placés l'un à côté de l'autre avec un champ magnétique constant entre eux, comme le montre le schéma ci-dessous. Un fil plié en forme de bobine est placé entre les deux champs magnétiques. Au départ, le fil est au repos, donc rien n'est induit dans ou autour du fil.

Fig. 3 : Un fil stationnaire ne produit aucun courant.

Dès que nous déplaçons le fil dans le champ magnétique, une différence de potentiel est induite entre les extrémités du fil. En effet, lorsque le fil est déplacé dans le champ magnétique, la surface du fil exposée au champ magnétique change.

Lorsque la surface exposée au flux magnétique change, une différence de potentiel est induite dans le fil. Dès que le fil cesse de se déplacer dans le champ magnétique, la différence de potentiel disparaît également. Garde à l'esprit qu'un fil stationnaire ne peut pas générer de différence de potentiel à ses extrémités.

Fig. 4 : Un fil qui se déplace dans un champ magnétique subit une différence de potentiel parce que la surface exposée au champ magnétique change.

Une autre chose à noter est que si tu regardes la figure ci-dessus, la différence de potentiel change de polarité chaque fois que le sens du mouvement du fil est inversé. Les signes positifs et négatifs aux extrémités du fil changent avec le changement de direction du mouvement.

Dans le cas de la configuration précédente, seule la différence de potentiel sera induite car il s'agit d'un morceau de fil avec deux extrémités ouvertes, il n' y aura donc pas de flux d'électrons (courant). Si nous remplaçons le morceau de fil aux extrémités ouvertes par un fil dont les extrémités sont jointes, nous obtiendrons une boucle complète. Maintenant, le mouvement de ce fil dans le champ magnétique génère également un courant car les électrons ont un chemin complet pour circuler autour du fil. Le sens du courant s'inverse en fonction de la direction du mouvement du fil.

Fig. 5. Une bobine de fil qui se déplace dans un champ magnétique subit un courant parce que sa surface exposée au champ magnétique change.

Jusqu'à présent, nous avons discuté du mouvement d'un fil qui se déplace verticalement à l'intérieur d'un champ magnétique. Que se passe-t-il si tu déplaces un fil horizontalement à l'intérieur d'un champ magnétique, comme le montre le schéma ci-dessous ? Le champ magnétique sera-t-il induit si le fil se déplace vers l'avant ou vers l'arrière à l'intérieur d'un champ magnétique ?

Fig. 6. Lorsque la surface exposée au champ magnétique ne change pas, aucun courant ne sera induit.

Pour le cas représenté sur le schéma ci-dessus, le fil n' induira aucun courant car les branches du fil sont parallèles au champ magnétique. Lorsque le fil se déplace parallèlement au champ magnétique, la zone qui coupe les lignes du champ magnétique ne change pas. La même quantité de fil coupe le champ magnétique si le fil se déplace d'avant en arrière dans le champ magnétique, c'est pourquoi il n'y a pas de changement dans la surface et donc pas de différence de potentiel induite dans le fil.

Le même effet de courant induit peut être ressenti si tu déplaces les aimants verticalement au lieu du fil. En effet, la surface du fil traversée par le champ magnétique change toujours, ce qui est le concept central de l'induction électromagnétique.

Fig. 7. Par ailleurs, si l'aimant se déplace au lieu du fil, un champ magnétique sera toujours induit dans le fil.

Facteurs affectant le courant induit

Pour modifier la taille de la différence de potentiel induite qui conduit finalement à la génération d'un courant, nous pouvons faire trois choses :

• Modifier l'intensité du champ magnétique en ayant des aimants plus puissants peut conduire le fil à couper plus de lignes de champ lorsqu'il se déplace à travers lui, ce qui augmenterait donc la différence de potentiel induite.

• Déplacer le fil ou le champ magnétique plus rapidement peut également augmenter la différence de potentiel induite parce que le fil devra traverser plus de lignes de champ dans un temps donné.

• Au lieu d'un seul fil, nous pouvons avoir une bobine avec plusieurs tours, ce qui générerait une différence de potentiel plus forte. Ainsi, plus une bobine a de tours, plus la différence de potentiel qu'elle induira sera importante.

Fig. 9. Une bobine à plusieurs spires est appelée solénoïde, Wikimedia Commons.

Bobines et aimants

Nous devons comprendre comment le concept d'induction électromagnétique fonctionne dans une bobine ou un solénoïde. Un aimant peut être déplacé à l'intérieur et à l'extérieur d'une bobine de fil, ce qui induit une différence de potentiel, comme le montre le schéma ci-dessous. Lorsqu'un aimant est poussé dans la bobine, un courant est généré dans le solénoïde dont la direction dépend du fait que le pôle nord ou le pôle sud est entré en premier. Lorsque l'aimant est retiré du solénoïde, le sens du courant s 'inverse. Cette inversion de la différence de potentiel est indiquée sur le voltmètre.

Fig. 10. Un aimant qui tombe à l'intérieur d'un solénoïde génère une différence de potentiel, comme l'indique la déviation du voltmètre, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0.

Types de générateurs électriques

Généralement, dans la plupart des générateurs électriques modernes utilisés dans les centrales électriques, la ou les bobines sont fixes et montées à l'extérieur de l'aimant. C'est l'aimant qui tourne pour induire une différence de potentiel. Bien que les bobines mobiles soient toujours préférées dans les générateurs à plus petite échelle.

Nous pouvons utiliser l'effet générateur pour produire un courant altern atif (CA) et un courant continu (CC). Nous allons parler d'un alternateur qui produit du courant alternatif et d'une dynamo qui produit du courant continu, ainsi que des schémas des générateurs électriques.

L'alternateur

Un alternateur est une bobine de fil qui se déplace dans un champ magnétique et qui est reliée à deux anneaux métalliques appelés collecteurs. Le but des collecteurs est de permettre au courant de sortir de la bobine afin qu'il puisse être utilisé dans diverses applications telles que l'alimentation de nos maisons.

Fig. 12. Schéma d'un alternateur.

L'image ci-dessous montre le sens inverse des aiguilles d'une montre du mouvement de la bobine à l'intérieur du champ magnétique. Le commutateur A est connecté au côté gauche du fil (couleur rouge) et le commutateur B est connecté au côté droit du fil (couleur bleue). Le graphique de la différence de potentiel dans la figure ci-dessous représente la différence de potentiel entre les collecteurs en fonction du temps.

Fig. 13. Un alternateur présente la différence de potentiel la plus élevée lorsqu'il est à l'horizontale parce qu'il balaie le fil à la vitesse la plus rapide.

Lorsque la bobine est complètement horizontale et donc parallèle aux lignes de champ magnétique, les lignes de champ maximales seront coupées à ce moment-là, d'où la différence de potentiel maximale qui sera induite comme l'indique le graphique.indique la différence de potentiel maximale etest le temps.

Au fur et à mesure que le fil se déplace, il finira par passer par la position indiquée dans la figure ci-dessous. Dans cette position, si tu regardes la bobine de côté, la bobine est perpendiculaire au champ magnétique, donc aucune ligne de champ magnétique n'est coupée et la différence de potentiel à cette position est nulle, comme l'indique le graphique ci-dessous.

Fig. 14. Lorsque l'alternateur est en position verticale, sa différence de potentiel est nulle car la bobine se déplace parallèlement au champ.

Bien que le courant soit nul lorsque le fil est vertical, l'élan de la bobine continue de la faire tourner. Comme le montre la figure ci-dessous, la différence de potentiel s'inverse lorsque le fil est de nouveau à l'horizontale. Nous obtenons cette inversion de la différence de potentiel parce que les deux côtés de la bobine sont dans l'orientation opposée à celle du début du mouvement.

Fig. 15. Lorsque le fil est de nouveau à l'horizontale, il y a une différence de potentiel maximale mais dans une direction opposée parce que les bobines se déplacent dans une direction différente de la précédente.

Une fois de plus, comme la bobine est verticale, la différence de potentiel induite serait à nouveau nulle, comme le montre la figure ci-dessous. Le fil se déplace parallèlement au champ magnétique et la différence de potentiel induite serait donc nulle.

Fig. 16. La différence de potentiel est à nouveau nulle lorsque le fil est vertical.

Le point essentiel après toute cette discussion sur les alternateurs est que, parce que le fil est connecté à deux anneaux de collecteur différents, un alternateur produit un courant alternatif en raison de la différence de potentiel alternatif. Ce courant alternatif peut être augmenté en :

• En augmentant l'intensité du champ magnétique.

• En augmentant le nombre de tours de la bobine.

• En augmentant la vitesse de rotation de la bobine.

• En enroulant le fil autour d'un noyau de fer doux.

Une dynamo

Les principales caractéristiques d'une dynamo sont qu'elle possède un collecteur à anneau fendu et qu'elle produit un courant continu (DC). L'anneau fendu est divisé en deux espaces A et B qui sont reliés aux côtés de la bobine.

Fig. 17. Schéma d'une dynamo.

Le fonctionnement d'une dynamo est similaire à celui d'un alternateur, la seule différence étant le collecteur à anneau unique au lieu de deux collecteurs métalliques solides comme dans un alternateur. Par conséquent, le sens du courant et la différence de potentiel ne changent pas après une rotation complète de la bobine, ce qui permet d'obtenir un courant continu.

La figure ci-dessous montre le graphique d'une différence de potentiel en fonction du temps dans un circuit de dynamo. Nous obtenons deux pics pour une rotation complète de la bobine car chaque côté de la bobine traverse le champ magnétique deux fois au cours de chaque cycle de rotation.

Fig. 18. La direction de la différence de potentiel et du courant ne s'inverse pas grâce au collecteur à anneau divisé, Adapté de l'image de Wikimedia Commons.

N'oublie pas que le graphique ci-dessus est un graphique de courant continu d'une dynamo et qu'il ne doit pas être confondu avec un graphique de courant continu en fonction du temps, comme le montre la figure ci-dessous. Un graphique en courant continu est une ligne constante indiquant un courant constant dans le temps.

Fig. 19. Le graphique d'un courant continu en fonction du temps est une ligne droite horizontale, Wikimedia Commons.

Exemple d'un générateur électrique

L'exemple de la centrale électrique au charbon sera abordé, car il est sans doute le plus simple à comprendre. Les centrales électriques au charbon produisent de l'électricité en commençant par brûler le charbon comme source de combustible. Cette combustion du charbon chauffe l'eau de la chaudière qui est convertie en vapeur, laquelle monte ensuite vers les turbines.

La vapeur est maintenue sous haute pression et à haute température, et dirigée vers l'aube de la turbine, ce qui force la turbine à tourner. La turbine fait bouger un électroaimant à l'intérieur d'une bobine de cuivre qui produit à son tour de l'électricité. C'est un excellent exemple de générateur électrique car l'énergie mécanique de la turbine est convertie en énergie électrique.

Fig. 20. Schéma de l'utilisation du charbon comme combustible pour produire de l'électricité, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0.