Moteur électrique et alternateur

À propos de cette simulation

Moteur électrique et alternateur est un laboratoire interactif d'électromagnétisme en 3D qui démontre comment une même machine physique agit comme un moteur à courant continu (CC) ou comme un générateur à courant alternatif (CA). Une bobine rectangulaire en cuivre tourne entre des pôles d'aimant permanent Nord et Sud tandis que des flèches vectorielles 3D vertes affichent la force électromagnétique F = I L x B sur chaque segment de fil actif. En mode Moteur CC, un collecteur à bague fendue inverse le courant dans la bobine à chaque demi-tour afin que le couple tau = N I A B |cos theta| entraîne toujours le rotor dans le même sens. Cliquer sur un pôle d'aimant fait passer en mode Alternateur CA avec des bagues collectrices continues, produisant une trace de FEM alternative sinusoïdale sur l'oscilloscope 3D.

Ce que les élèves peuvent explorer

Observez les flèches vertes de la force de Laplace sur les deux côtés de la bobine en rotation en mode Moteur CC et remarquez comment le collecteur à bague fendue inverse le courant tous les 180 degrés pour que le fil de gauche soit toujours poussé vers le haut.
Faites tourner manuellement le moyeu du rotor à travers la position verticale de point mort (theta = 90 degrés) pour voir où le couple tombe momentanément à zéro.
Basculez le Mode de la machine sur Alternateur CA (Bagues collectrices) ou cliquez sur un pôle d'aimant, et comparez l'onde sinusoïdale complète sur l'écran de l'oscilloscope aux impulsions CC redressées.
Augmentez le Champ magnétique B et le Nombre de spires N à l'aide des curseurs et vérifiez que le couple maximal et la FEM induite varient tous deux linéairement avec N et B.
Activez et désactivez les Lignes de champ magnétique B pour inspecter la géométrie du produit vectoriel I L x B à travers l'entrefer.

Objectifs d'apprentissage

1Utiliser la règle de la main droite pour la force magnétique F = I L x B afin de déterminer le sens de la force sur chaque côté d'une spire parcourue par un courant.
2Expliquer pourquoi un moteur à courant continu nécessite un collecteur à bague fendue et des balais pour maintenir un couple unidirectionnel.
3Comparer le signal de sortie d'un collecteur à bague fendue (courant continu pulsé redressé) avec celui de bagues collectrices continues (courant alternatif sinusoïdal).
4Calculer le couple magnétique tau = N I A B cos theta et la FEM maximale d'un alternateur epsilon_0 = N B A omega.

Questions fréquentes des enseignants

Quel est le rôle du collecteur à bague fendue dans un moteur à courant continu ?

Sans collecteur, le couple magnétique exercé sur une spire parcourue par un courant s'inverserait à chaque demi-tour lorsque les fils changent de côté entre les pôles Nord et Sud. Le collecteur à bague fendue inverse le sens du courant dans la bobine tous les 180 degrés de sorte que le couple pousse toujours dans le même sens de rotation.

En quoi un alternateur CA diffère-t-il structurellement d'un moteur CC ?

Un alternateur CA remplace le collecteur à bague fendue par deux bagues collectrices continues — chacune connectée en permanence à une extrémité de la bobine rotative — de sorte que la tension alternative induite est délivrée directement aux balais sous forme d'onde sinusoïdale régulière.

Pour quelle orientation de la bobine le couple magnétique est-il maximal et minimal ?

Le couple est maximal lorsque le plan de la bobine est parallèle aux lignes de champ magnétique (theta = 0 degré, cos theta = 1) car les deux forces ont alors le bras de levier le plus grand. Le couple s'annule lorsque le plan de la bobine est perpendiculaire au champ magnétique (theta = 90 degrés).

Comment peut-on augmenter la tension produite par un alternateur CA ?

D'après la loi de Faraday (epsilon_peak = N B A omega), on peut augmenter la tension maximale en enroulant davantage de spires N sur la bobine, en utilisant des aimants plus puissants (B plus grand), en augmentant l'aire de la bobine A ou en faisant tourner le rotor plus vite (vitesse angulaire omega plus élevée).

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