Moteurs et générateurs

Un fil de 5 cm parcouru par 20 A et perpendiculaire à un champ de 1.5 T subit une force de 1.5 N ; applique cette idée à une boucle et tu obtiens un moteur.

Un champ magnétique exerce une force sur un courant

L’unité 4 a montré qu’un courant crée un champ magnétique. La réciproque est vraie en un sens : un champ magnétique exerce une force sur un courant. Pour un fil rectiligne de longueur l parcouru par un courant I dans un champ uniforme B, la force vaut F = I l B sin θ, où θ est l’angle entre le fil et le champ. Elle est maximale quand le fil est perpendiculaire au champ et nulle quand il lui est parallèle. Sa direction est perpendiculaire à la fois au fil et au champ ; la règle de la main droite 1 d’OpenStax en donne le sens.

OpenStax propose un exemple avec un champ intense : B = 1.50 T, une longueur de fil de 5.00 cm et un courant de 20.0 A. Avec sin 90° = 1, F = 20.0 × 0.0500 × 1.50 = 1.50 N, soit environ le poids d’une pomme de 150 g. C’est une poussée sensible sur un court morceau de fil. Cela explique aussi la définition du tesla : 1 T est l’intensité du champ dans lequel un fil de 1 m parcouru par un courant de 1 A subit une force de 1 N.

De la poussée à la rotation : le moteur électrique

Place une boucle rectangulaire de fil entre les pôles d’un aimant et fais-y circuler un courant. Le courant circule dans un sens d’un côté et dans l’autre sens du côté opposé : les forces sont donc opposées. La boucle tourne. Sans modification, elle oscillerait puis s’arrêterait face au champ : le moteur inverse donc le courant à chaque demi-tour. Dans un moteur à courant continu, un collecteur à bague fendue et les balais assurent cette commutation ; la boucle continue ainsi à tourner dans le même sens tant que le courant passe. Le couple augmente avec le nombre de spires : OpenStax calcule qu’une bobine carrée de 100 spires, de 10.0 cm de côté, parcourue par 15.0 A dans un champ de 2.00 T, subit un couple maximal de 30.0 N·m, suffisant pour un moteur. Son tableau des rendements donne environ 98 pour cent aux moteurs électriques, bien plus qu’aux moteurs à combustion.

Reconvertir le mouvement en électricité

Si un courant dans un champ peut produire du mouvement, le mouvement dans un champ peut-il produire un courant ? Michael Faraday a consacré des années à cette question. Le 29 août 1831, dans son laboratoire en sous-sol à la Royal Institution de Londres, il enroule deux bobines sur les côtés opposés d’un anneau de fer. Quand il relie une pile à une bobine, une aiguille reliée à l’autre bouge brièvement puis se stabilise. Quand il débranche la pile, elle bouge dans l’autre sens. Un courant constant dans la première bobine ne produit rien dans la seconde ; seule une variation agit. La Royal Institution, qui conserve toujours l’anneau, le présente comme le premier transformateur électrique.

C’est l’induction électromagnétique : un champ magnétique variable à travers une bobine produit une tension, appelée force électromotrice induite. Enfonce un aimant droit dans une bobine : l’appareil de mesure dévie dans un sens ; retire-le : il dévie dans l’autre ; maintiens-le immobile : il indique zéro. Plus le mouvement est rapide, plus la valeur est grande. OpenStax définit la grandeur déterminante, le flux magnétique, par Φ = B A cos θ : le champ multiplié par l’aire de la boucle qu’il traverse, avec le facteur angulaire. Toute variation du flux induit une force électromotrice, que le champ change, que l’aire change ou que la boucle tourne.

Un générateur en fait une machine. Une bobine tourne entre des aimants : l’angle θ, donc le flux, varie continuellement et une tension alternative apparaît à ses bornes. Un générateur est construit presque comme un moteur : le moteur transforme l’énergie électrique en rotation ; le générateur transforme la rotation en énergie électrique. Des turbines entraînées par la vapeur, des chutes d’eau ou le vent font tourner les générateurs qui fournissent l’essentiel de l’électricité de nos maisons.