Description d'une génératrice à courant continu (1)

L'évolution de la machine à courant continu a marqué les années 80 du siècle dernier après la découverte, en 1831, de l'induction électromagnétique par le physicien Faraday.

Dans cette étude, vous étudierez :

- le principe de l'induction d'une tension dans un champ magnétique ;

- les éléments constituant une génératrice à courant continu.

Le fonctionnement des génératrices repose sur la loi fondamentale de l'électromagnétisme (loi de Faraday) : lorsqu'un conducteur se déplace dans un champ magnétique, une tension y est induite.

Un conducteur relié à un galvanomètre est déplacé entre les pôles d'un aimant de façon qu'il coupe les lignes de champ magnétique perpendiculairement.

La figure 1.1 vous montre les pôles nord et sud créant le champ magnétique ainsi que le conducteur se déplaçant dans ce champ.

En plaçant ce conducteur dans un circuit fermé, la tension induite ou force électromotrice (f.é.m.) donne naissance à un courant décelé par un galvanomètre, lequel est un instrument de mesure très sensible pouvant déceler des courants de faible intensité.

Le galvanomètre dévie ; il y a donc un courant induit dans le conducteur. Un mouvement de sens inverse produit une inversion du sens du courant, ce qui signifie que la f.é.m. induite s'est également inversée.

Si le conducteur se déplace parallèlement aux lignes de champ, c'est-à-dire horizontalement sur la figure suivante, aucune f.é.m. n'est induite car le conducteur ne coupe pas les lignes de champ.

Conducteur placé dans un champ magnétique :

Le sens du courant est déterminé par la règle de Fleming, aussi appelée règle de la main droite. La figure suivante vous montre comment appliquer cette règle.

Règle de la main droite :

Ainsi, vous pouvez remarquer que :

- le pouce indique le sens du déplacement du conducteur ;

- l'index indique le sens du champ magnétique ;

- le majeur indique la polarité positive de la tension induite et, par conséquent, le sens du courant dans le conducteur.

Tension induite dans une bobine mobile :

Une génératrice élémentaire se présente sous forme d'une bobine tournant à l'intérieur d'un champ magnétique produit par les pôles nord et sud, comme le montre la figure suivante.

Génératrice élémentaire :

 

Cette bobine est entraînée par une source mécanique externe, une manivelle dans l'exemple de la figure ci-dessus. Les extrémités de la bobine sont connectées à deux bagues collectrices. Sur les bagues frottent les balais auxquels est connecté le circuit extérieur comprenant des récepteurs d'énergie électrique ; ici, nous avons branché un galvanomètre pour mesurer le courant induit.

Il n'y a de f.é.m. induite que lorsque le déplacement de la bobine coupe les lignes de champ. Ainsi, lorsque le mouvement de la bobine est parallèle aux lignes de champ, aucune ligne n'est coupée et il n'y a donc pas de tension induite. Ce phénomène est représenté à la partie (a) de la figure ci-dessous.

Déplacement de la bobine dans le champ :

Le conducteur, partie AB de la spire, se déplace de la droite vers la gauche, sans couper de ligne de champ. L'autre côté de la bobine, le conducteur CD, se déplace de la gauche vers la droite, sans couper non plus de ligne de champ.

Par contre, lorsque le mouvement de la bobine est perpendiculaire aux lignes de champ, la tension induite est maximale, car elle est proportionnelle au nombre de lignes de champ coupées. Le conducteur AB coupe les lignes de champ en montant, le conducteur CD les coupe en descendant.

Le sens de cette tension est défini par la règle de la main droite, comme le montre la partie (b) de la figure ci-dessus.

La tension induite dans AB peut être représentée par un générateur de f.é.m. E_AB, celle induite dans CD par un générateur E_CD. Le sens de E_CD est inversé par rapport à E_AB car le conducteur se déplace en sens inverse (AB monte tandis que CD descend).

Les deux conducteurs AB et CD sont en série pour constituer la spire de la bobine ; les générateurs E_AB et E_CD se branchent donc également en série comme l'indique la figure suivante. La f.é.m. résultante E_AD est donc la somme des f.é.m. induites dans les conducteurs.

F.é.m. induite dans les conducteurs AB et CD de la figure ci-dessus :

La partie (c) de la figure représente le déplacement du conducteur AB après un quart de tour. Ce déplacement se fait parallèlement aux lignes de champ. Puisque aucune ligne n'est coupée, il n'y a pas de tension induite.

Quant à la partie (d) de la figure, elle montre le déplacement du conducteur AB après un autre quart de tour. Le conducteur descend ainsi perpendiculairement aux lignes de champ et une tension est induite.

Selon la règle de la main droite, le sens de la tension induite est contraire à celui de la partie (b). Cela signifie que la tension induite est inversée. Il en est de même dans CD.

Retenez que, dès que l'index et le pouce de la main droite (champ et déplacement) sont perpendiculaires, il y a une tension induite. Par conséquent, s'ils sont parallèles, il ne peut y avoir de tension induite.

   

La figure suivante vous montre la représentation graphique de la tension que génère le mouvement de la bobine.

Tension générée par le mouvement de la bobine :

Selon la position de la bobine, la tension induite part de zéro pour atteindre une valeur maximale. Elle diminue pour s'annuler, puis repart dans l'autre sens pour atteindre une valeur maximale négative.

Ensuite, elle s'annule pour revenir à la position initiale. Cela donne un cycle ou une période.

Production d'une tension continue.

La rotation de la bobine dans un champ magnétique donne une tension variable appelée tension alternative. Pour obtenir une tension continue, il faut convertir la tension alternative à deux polarités en une tension à une polarité.

A la figure ci-dessous, les extrémités de la bobine sont connectées aux bagues collectrices soumises à deux polarités (+ et -).

Génératrice élémentaire :

Si l'on change cette configuration en raccordant les extrémités de la bobine à un collecteur formé de deux demi-bagues isolées l'une de l'autre, les deux balais fixes recueillent la tension induite, comme le montre la figure suivante. On obtient une tension à une seule polarité : la tension continue.

Génératrice à courant continu élémentaire :

En effet, les balais sont montés de façon qu'au moment a ou c de la figure ci-dessous, moment où la tension est inversée dans la bobine, un balai quitte une demi-bague pour venir en contact avec l'autre demi-bague du collecteur.

Si l'on représente les polarités des f.é.m. induites en AB et CD aux instant b et d sur la figure ci-après, on remarquera que dans la position b la demi-bague 1 du collecteur, reliée au conducteur AB, reçoit le potentiel positif et est en contact avec le balai + ; la demi-bague 2 reçoit quand à elle le potentiel négatif et est en contact avec le balai -.

Au demi-tour suivant, la bobine est dans la position d  et la demi-bague 1 reçoit maintenant le potentiel négatif, mais du fait de la rotation, elle est en contact avec le balai - ; la demi-bague 2 reçoit maintenant le potentiel positif, mais elle est en contact avec le balai +.

Ainsi, la polarité de chaque balai demeure la même. De ce fait, chaque balai recueille un courant qui est toujours de même sens.

Tension générée par le mouvement de la bobine :

Rôle du collecteur :