Alternateur – 3ème – Cours – Physique – Chimie – Brevet des collèges

Alternateur – 3ème – Cours – Physique – Chimie – Brevet des collèges

  • Qu’est-ce qu’un alternateur ?
  • Comment est convertie l’énergie reçue par un alternateur ?
  • Quel est le principe de fonctionnement d’un alternateur ?
  • Quelles sont les sources d’énergie utilisées pour faire fonctionner un alternateur ?

 

  1. I.     Définition

L’alternateur est la partie commune à toutes les centrales électriques. C’est un dispositif qui produit un courant alternatif et fournit, à ses bornes, une tension variable  et alternative.

Un alternateur correspond à l’association d’une bobine et d’un aimant qui peut tourner.

Un alternateur est un convertisseur d’énergie cinétique en énergie électrique.

  1. II.  Constitution d’un alternateur

Un alternateur est toujours constitué de deux éléments essentiels:

– le STATOR (pièce statique c’est à dire qui ne tourne pas dans l’alternateur (STATOR provient de STATIQUE qui veut dire immobile)) est une bobine de cuivre donc conductrice et sensible aux phénomènes ELECTRO-MAGNETIQUES.

– Le ROTOR (pièce qui tourne (ROTOR provient de ROTATION qui signifie en mouvement tournant)) est un AIMANT qui produit un CHAMP MAGNETIQUE. Cette pièce possède un axe. Cet axe est solidaire du rotor et lorsque l’axe est entrainé, il fait tourner le rotor. Ce sont les bornes de la bobine fixe qui fournissent une tension alternative lorsque l’aimant ou l’électroaimant tourne.

  1. III.   Principe de fonctionnement d’un alternateur

On produit du courant électrique en transformant une énergie mécanique (ou énergie motrice) en énergie électrique grâce à un phénomène appelé induction magnétique.

Le principe physique qui permet de produire de l’électricité avec un alternateur est donc le  magnétisme. Le rotor est un aimant : il est magnétique. Grâce à son magnétisme, on va produire de l’électricité d’où son nom d’électroaimant.

En tournant, le rotor produit un champ magnétique. Sous son effet, dans le cuivre de la bobine du stator, il va se créer naturellement, un courant électrique. C’est ce courant « induit» qui est récupéré et utilisé en sortie de l’alternateur.

Dans les centrales, l’alternateur est souvent couplé avec une turbine ou un multiplicateur de vitesse (éolienne) par un axe (ou arbre) de transmission (dans certain cas, la transmission peut se faire à l’aide d’une courroie ou d’une chaine). C’est cet axe qui transmet le mouvement rotatif au rotor.

 

 

La dynamo, une mini centrale électrique :

Dans une dynamo de bicyclette, le principe est identique : En appuyant sur les pédales, le vélo se déplace par la rotation des roues. Le mouvement est transmis par l’ensemble PEDALES → PLATEAU → CHAINE → PIGNONS ARRIERES  → ROUE ARRIERE. Sur la roue, vient se placer la dynamo qui possède un GALET. Il est plaqué sur la roue et il tourne avec elle. En tournant, ce galet entraine un système interne ROTOR/STATOR qui génère le courant électrique nécessaire à l’éclairage du vélo.

Une dynamo de vélo est un alternateur constitué d’un galet qui tourne au contact de la roue en entraînant un aimant (rotor) à l’intérieur d’une bobine fixe (stator).

On branche une dynamo sur une lampe 3,5V et on fait tourner rapidement le galet de la dynamo.
Ensuite, on visualise la tension délivrée par la dynamo à l’aide d’un oscilloscope.

Observations :
La lampe brille et on observe à l’écran de l’oscilloscope une courbe prouvant que la tension délivrée par la dynamo (qui est un alternateur) est variable et alternative.

Conclusion : Une dynamo, comme tous les alternateurs, transforme l’énergie mécanique en énergie électrique.

  1. IV.   Production d’une tension alternative grâce à un alternateur

L’alternateur exploite un phénomène physique appelé induction selon lequel un aimant en mouvement fait naître une tension aux bornes d’une bobine située à proximité.

Cependant le signe de la tension produite dépend:

– du pôle magnétique de l’aimant (nord ou sud) présenté face à la bobine.

– du mouvement d’approche ou d’éloignement de l’aimant.

Lors de la rotation d’un aimant dans un alternateur on a successivement des mouvements d’approche puis d’éloignement du pôle sud magnétique puis du pôle nord.

L’alternateur fournit donc une tension variable qui est alternativement positive puis négative.

À chaque alternance du signe de la tension, les bornes positive et négative, portées par la bobine, permutent et produisent un courant électrique dont le sens s’inverse.

Lorsque l’aimant tourne, ses pôles magnétiques sud et nord s’approchent puis s’éloignent successivement de la bobine provoquant ainsi l’apparition d’une tension aux bornes de cette dernière: la bobine joue alors le rôle de générateur électrique.

Conclusion :

•Lorsque l’on déplace un aimant au voisinage d’une bobine ou une bobine au voisinage d’un aimant, la tension a une valeur positive ou négative selon que l’on approche ou que l’on éloigne l’aimant de la bobine.

•Si l’on enchaîne les deux mouvements, on obtient une tension variable aux bornes de la bobine.

 

  1. V.  Sources d’énergie utilisées pour faire fonctionner un alternateur

Les sources d’énergies doivent être capables de mettre en rotation un aimant ou un électroaimant éventuellement en faisant appel à des turbines.

Cette rotation peut être produite en exploitant l’énergie cinétique et l’énergie de position d’un fluide:

– L’eau d’un cours d’eau, d’une chute d’eau, ou l’eau des océans mise en mouvement lors des marées.

– La vapeur d’eau sous pression produite dans les centrales thermiques, nucléaires et certaines centrales solaires.

– Le vent utilisé pour faire tourner les éoliennes.

On peut aussi utiliser l’énergie mécanique humaine comme par exemple pour une dynamo de vélo.

  1. VI.   Transferts d’énergie

L’énergie se perd-elle ?

Comment traduire les conversions d’énergie ?

Par « énergie perdue », on veut dire énergie non utilisable. Dans le cas de la production d’énergie électrique, « l’énergie perdue » est l’énergie thermique.

 

Conclusion :

L’alternateur convertit une énergie cinétique en une énergie utile (énergie électrique) et en une énergie inutile (énergie thermique, vibrations, …). Au final, il n’y a ni création, ni perte d’énergie : il y a conservation et transformation de l’énergie.

 



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