Chapitre 5 : magnétisme et champs tournants

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1 Chapitre 5 : magnétisme et champs tournants A Rappels sur le magnétisme I mise en évidence expérimentale de l induction électromagnétique II Application : alternateur III loi de Lenz IV flux magnétique V tension induite, loi de Faraday VI application : alternateur B champs tournants I qu est ce qu un champ tournant 1. première expérience 2. deuxième expérience 3. troisième expérience 4. quatrième expérience II principes des machines M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 1

2 A. Rappels sur le magnétisme I mise en évidence expérimentale de l induction électromagnétique on approche le nord d un aimant droit : on visualise une tension positive On éloigne ce nord : on visualise une tension négative.. On approche un sud : : on visualise une tension négative.. On éloigne un sud : : on visualise une tension positive. Dès que l on approche ou éloigne une source de champ magnétique d un circuit électrique fixe, le champ magnétique qui traverse celui ci varie et il se crée aux bornes du circuits une tension : tension induite M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 2

3 II Application : alternateur On fait tourner un aimant droit devant une bobine Il se crée une tension alternative, quasi sinusoïdale. III Loi de Lenz Le courant induit, par ses effets, s oppose à la cause qui lui a donné naissance. IV Flux magnétique Le flux magnétique Φ s exprime en Weber (Wb) A une spire de surface S, on associe un vecteur d orientation S. Pour cela on choisit un sens de parcours sur la spire et avec la règle d orientation de l espace (règle de la main droite) on oriente S. Le flux magnétique s exprime par : Φ = B S cos α Où Φ en Weber (Wb) B en Tesla (T) S en m² M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 3

4 V tension induite, loi de Faraday La fém induite dans un circuit qui embrasse un flux ϕ qui varie en fonction du temps est égale à : e = - dϕ/dt e en V ϕ en Wb t en s VI Application : alternateur Quand l aimant droit tourne autour de son axe, l angle θ entre S et B évolue sinusoïdalement.. Or e=-dϕ/dt donc la tension induite varie sinusoïdalement M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 4

5 B. Champs tournants I Qu est ce qu un champ tournant 1. Première expérience L aimant en U crée un champ magnétique. Quand l aimant reste immobile, l aiguille aimantée s oriente dans le sens du champ Dès que l aimant tourne, l aiguille tourne dans le même sens et à la même vitesse.. L aiguille entraînée par le champ magnétique (créé par l aimant en U) tourne à la même vitesse que ce dernier. On dit que la rotation est synchrone. La vitesse de rotation du champ est appelée vitesse de synchronisme.que l on note Ω S (en rad.s -1 ) ou n S (en tour.s -1 ). 2. Deuxième expérience Les axes de 3 bobines identiques forment entre eux des angles de 120. Ces bobines sont alimentées par un réseau triphasé de tension.. L aiguille tourne alors spontanément dans un sens Si on inverse l ordre des phases d alimentation alors l aiguille tourne dans le sens inverse, à la même vitesse. Les trois bobines disposées à 120 l une de l autre et alimentées par un réseau triphasé créent un champ magnétique tournant dont le sens dépend de l ordre des phases d alimentation des bobines. La vitesse de synchronisme Ω S varie avec la pulsation ω du réseau. M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 5

6 3. Troisième expérience On reprend le même aimant en U que précédemment et on place un disque plein et conducteur. Le disque tourne. quand l aimant tourne., dans le même sens, mais moins vite... Le champ tournant provoque la rotation du conducteur, mais à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme. On dit que la rotation est asynchrone. 4. Quatrième expérience On reprend le dispositif précédent et l on place au milieu des bobines, un disque plein et conducteur. Ce disque tourne quand les bobines sont alimentées mais plus lentement que l aiguille aimantée précédente. Le sens de rotation s inverse quand on inverse deux phases du réseau d alimentation Le champ tournant créé par les trois bobines provoque la rotation du conducteur, mais à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme : on dit que la rotation est asynchrone II Principes des machines On transpose ces résultats pour les machines électriques. L ensemble des lignes de champ créées par un stator de machine électrique (3 bobines à 120 l une de l autre alimentées par le réseau triphasé) tourne à la vitesse de synchronisme Ω S. La vitesse de synchronisme dépend de la pulsation ω de l alimentation. ω = p. Ω S Où p est un entier (paire de pôles de la machine) Les deux premières expériences illustrent le fonctionnement de la machine synchrone : le rotor (aimant) tourne à la même vitesse que le champ créé par le stator (3 bobines ) Les deux dernières expériences illustrent le fonctionnement de la machine asynchrone : le rotor (disque conducteur) tourne plus lentement que le champ créé par le stator (bobines ) M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 6

7 Docs élève M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 7

8 Chapitre 5 : MAGNETISME ET CHAMPS TOURNANTS A. Rappels sur le magnétisme I mise en évidence expérimentale de l induction électromagnétique on approche le nord d un aimant droit : on visualise une tension On éloigne ce nord :.... On approche un sud :.. On éloigne un sud :. Dès que l on approche ou éloigne une source de champ magnétique d un circuit électrique fixe, le champ magnétique qui traverse celui ci varie et il se crée aux bornes du circuits une tension : tension induite M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 8

9 II Application : alternateur On fait tourner un aimant droit devant une bobine Il se crée III Loi de Lenz Le courant induit, par ses effets, s oppose à la cause qui lui a donné naissance. IV Flux magnétique Le flux magnétique Φ s exprime en A une spire de surface S, on associe un vecteur d orientation S. Pour cela on choisit un sens de parcours sur la spire et avec la règle d orientation de l espace (règle de la main droite) on oriente S. Le flux magnétique s exprime par : Où Φ en Weber (Wb) B en Tesla (T) S en m² M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 9

10 V tension induite, loi de Faraday La fém induite dans un circuit qui embrasse un flux ϕ qui varie en fonction du temps est égale à : e en V ϕ en Wb t en s VI Application : alternateur Quand l aimant droit tourne autour de son axe, l angle θ entre S et B évolue.. Or e=-dϕ/dt donc la tension induite varie M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 10

11 B. Champs tournants I Qu est ce qu un champ tournant 1. Première expérience L aimant en U crée. Quand l aimant reste immobile, l aiguille aimantée s oriente dans le sens du Dès que l aimant tourne, l aiguille dans le même sens et à la même.. L aiguille entraînée par le champ magnétique (créé par l aimant en U) tourne à la même vitesse que ce dernier. On dit que la rotation est synchrone. La vitesse de rotation du champ est appelée.que l on note Ω S (en rad.s -1 ) ou n S (en tour.s -1 ). 2. Deuxième expérience Les axes de 3 bobines identiques forment entre eux des angles de 120. Ces bobines sont alimentées par.. L aiguille tourne alors spontanément dans un sens Si on inverse l ordre des phases d alimentation alors l aiguille tourne dans, à la même vitesse. Les trois bobines disposées à 120 l une de l autre et alimentées par un réseau triphasé créent un champ magnétique tournant dont le sens dépend de l ordre des phases d alimentation des bobines. La vitesse de synchronisme Ω S varie avec la pulsation ω du réseau. M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 11

12 3. Troisième expérience On reprend le même aimant en U que précédemment et on place un disque plein et conducteur. Le disque. quand l aimant., dans le même sens, mais... Le champ tournant provoque la rotation du conducteur, mais à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme. On dit que la rotation est. 4. Quatrième expérience On reprend le dispositif précédent et l on place au milieu des bobines, un disque plein et conducteur. Ce disque tourne quand les bobines sont alimentées mais plus lentement que l aiguille aimantée précédente. Le sens de rotation s inverse quand on deux phases du réseau d alimentation Le champ tournant créé par les trois bobines provoque la rotation du conducteur, mais à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme : on dit que la rotation est II Principes des machines On transpose ces résultats pour les machines électriques. L ensemble des lignes de champ créées par un stator de machine électrique (3 bobines à 120 l une de l autre alimentées par le réseau triphasé) tourne à la vitesse de synchronisme Ω S. La vitesse de synchronisme dépend de la pulsation ω de l alimentation. Où p est un entier (paire de pôles de la machine) Les deux premières expériences illustrent le fonctionnement de la machine synchrone : le rotor (aimant) tourne à la même vitesse que le champ créé par le stator (3 bobines ) Les deux dernières expériences illustrent le fonctionnement de la machine asynchrone : le rotor (disque conducteur) tourne plus lentement que le champ créé par le stator (bobines ) M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 12