Electromagnétisme. Electromagnetism. Maquette alternateur de démonstration Alternator demonstration scale model. Réf :

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1 Electomagnétisme Electomagnetism ançais p 1 English p 10 Vesion : 8006 Maquette altenateu de démonstation ltenato demonstation scale model

2 Electomagnétisme Maquette altenateu de démonstation 1 Généalités 1.1 But de l appaeil La maquette altenateu de démonstation est conçue pou illuste expéimentalement la poduction d énegie électique pa tansfomation de l énegie mécanique. Elle pemet aussi d étudie l influence de la polaité d un aimant su le sens du couant induit de façon qualitative en commutant une DEL. 1.2 Desciption imant doit évesible matues en fe doux Bobine Collecteu fomé de deux demi couonnes en cuive, solidaie de la bobine, eliées chacune à une extémité du fil qui constitue la bobine Douilles de sécuité eliées à 2 lames de cuive qui fottent su le collecteu Manivelle eliée à une poulie qui pemet de mette la bobine en otation Pincipe Dans l altenateu de démonstation, la bobine est mise en otation pa l action d une manivelle. La tansmission se fait pa une couoie. n aimant doit est placé su deux amatues en fe doux pou cée un champ magnétique patiquement unifome dans lequel peut toune la bobine. L aimant est mobile ce qui pemet de monte l influence de la polaité su le sens du couant. Les extémités du fil qui constitue la bobine sont eliées à un collecteu fomé pa 2 demi couonnes en cuive solidaies de cette bobine. Deux lames de cuive, eliées à deux douilles de sécuité, fottent su le collecteu. RNÇIS 1

3 Electomagnétisme Maquette altenateu de démonstation Il est possible de connecte à cet altenateu, l indicateu de niveau de puissance (éféence ), un dipôle (pa exemple une DEL), un oscilloscope ou encoe une inteface (Visio, pimo ou VTT munie d un adaptateu voltmète) eliée à l odinateu Tension aux bones des douilles de sécuité Si la tension poduite aux bones de la bobine los de sa otation dans le champ magnétique est altenative, la tension obtenue aux bones des douilles de sécuité est edessée «double altenance». B B = B = B 1.3 Caactéistiques techniques La bobine, munie d un noyau en fe doux, est mobile autou d un axe solidaie d un côté d une poulie, et de l aute d un collecteu fomé de deux demi couonnes en cuive. L axe est fixé à un suppot en plastique vissé à un socle également en plastique. Deux amatues en fe doux de fome semi ciculaie sont vissées au suppot. Leu fome supéieue pemet de ecevoi un aimant doit constitué de deux feites dont les polaités sont epéées pa un code couleu. ne manivelle assue la otation de la bobine pa l intemédiaie d une couoie. La démultiplication est 10. RNÇIS 2

4 Electomagnétisme Maquette altenateu de démonstation 2 Mise en œuve 2.1 Poduction d énegie électique pa tansfomation de l énegie mécanique On banche une lampe à incandescence (3,5 V ; 0,2 pa exemple) aux bones de l altenateu. Dès que l on met en otation la bobine (on founit alos de l énegie mécanique à l altenateu). On obseve que la lampe s allume (quel que soit le sens de otation de la bobine) ce qui signifie qu elle eçoit de l énegie électique. On peut alos conclue que l énegie mécanique eçue pa l altenateu est convetie en énegie électique. 2.2 Etude de la puissance électique On banche l indicateu de niveau de puissance (éféence ) aux bones de l altenateu. On obseve que la puissance coît quand la vitesse de otation augmente. La puissance électique disponible est fonction coissante de la tension généée aux bones de l altenateu. En augmentant la vitesse de otation on RNÇIS 3

5 Electomagnétisme Maquette altenateu de démonstation augmente la tension (voi paagaphe 2.4) et pa la suite la puissance électique disponible. Remaque : Les DEL de l indicateu de niveau de puissance ne peuvent éclaie qu en sens passant, c'est-à-die, seulement si le couant qui les tavese cicule dans le «bon sens». C est la aison pou laquelle l indicateu de niveau de puissance n est utilisable que pou un sens de otation de la bobine qui dépend de la polaité de l aimant et du sens de banchement de l indicateu de niveau de puissance 2.3 Mise en évidence de l incidence du sens de otation et de la polaité de l aimant Incidence du sens de otation On met en otation l altenateu banché à une DEL d abod dans un sens puis dans l aute. On constate que seul un sens de otation pemet à la DEL d éclaie. S N DEL Incidence de la polaité de l aimant La DEL éclaie, quand le sens de otation de la bobine est contaie au pécédent. N S DEL RNÇIS 4

6 Electomagnétisme Maquette altenateu de démonstation Eléments d explication On epèe une des faces de la bobine (notée su les schémas). L aimant étant placé dans une cetaine position, on fait toune la bobine dans un sens puis dans l aute. On invese la polaité de l aimant et on efait toune la bobine dans un sens puis dans l aute On egoupe les situations dans lesquelles les DEL éclaient et celles qui ne pemettent pas leu éclaiage. N S S N B = B Dans les 2 cas la face de la bobine toune ves le pôle nod de l aimant N S S N B = B Dans les 2 cas la face de la bobine toune ves le pôle sud de l aimant 2.4 Tension aux bones de l altenateu en fonction de la otation On met en otation l altenateu à vide banché à une inteface eliée à l odinateu. La vitesse de otation coît et l acquisition de la tension donne : RNÇIS 5

7 Electomagnétisme Maquette altenateu de démonstation L obsevation de la tension vaiable dans le temps pemet de mette en évidence deux phénomènes impotants : Quand la vitesse de otation augmente : 1. La valeu maximale de la tension coît 2. La péiode (ou pseudo péiode) diminue 3 Etude théoique de l altenateu 3.1 lux magnétique Soit S T, somme des aies des spies qui foment la bobine, L expession du flux est : Φ = S T B n Choix abitaie de la nomale à la bobine On choisit comme sens positif le sens d enoulement des spies. La ègle de la main doite donne le sens de la nomale. (voi schémas) 3.3 oce électomotice d induction (f.é.m.) : e dφ Toute vaiation de flux poduit une f.é.m. dont l expession est : e =. dt 3.4 Etude de la tension foce électomotice et de la tension aux bones de l altenateu, au cous du temps Considéons la bobine en otation pa appot à l aimant : Dans l étude qui suit, on fait éféence à la face de la bobine d où sot la nomale. On pose e = B. On epèe quelques positions de la bobine en otation pa appot à l aimant. Les explications font éféence au flux magnétique et à ses vaiations. n n B B lux magnétique Le flux, négatif, est minimal. e = B = 0 = BB = 0 lux magnétique Le flux est négatif coissant. e = B < 0 = B < 0 RNÇIS 6

8 Electomagnétisme Maquette altenateu de démonstation n n B B lux magnétique Le flux est nul et coissant. e = B < 0 = B < 0 lux magnétique Le flux est positif coissant. e = B < 0 = B < 0 B n B n lux magnétique Le flux, positif, est maximal. e = B = 0 = = 0 lux magnétique Le flux est positif décoissant. e = B > 0 = B < 0 B n n B lux magnétique Le flux est nul et décoissant. e = B > 0 = B < 0 lux magnétique Le flux négatif décoissant. e = B > 0 = B < 0 On peut écapitule les vaiations de la f.é.m. d induction dans le tableau suivant : RNÇIS 7

9 Electomagnétisme Maquette altenateu de démonstation positions lux Φ mini 0 maxi 0 dφ < 0 < 0 <0 > 0 > 0 e = = 0 = 0 maxi > 0 dt = 0 mini < 0 < 0 < 0 < 0 < 0 < 0 = 0 mini 3.5 Véification expéimentale La véification expéimentale donne : mini Remaque : l amplitude de la tension et la péiode vaient du fait d une vitesse de otation coissante. 4 Sevice apès vente La gaantie est de 2 ans, le matéiel doit ête etouné dans nos atelies. Pou toutes épaations, églages ou pièces détachées, veuillez contacte : JELIN - SPPORT TECHNIQE Rue Jacques Monod BP EVREX CEDEX RNCE RNÇIS 8

10 Electomagnétisme Maquette altenateu de démonstation NOTES RNÇIS 9

11 Electomagnetism ltenato demonstation scale model 1 Geneal 1.1 Pupose of the appaatus The altenato demonstation scale model is designed to illustate duing expeiments, the geneation of electicity though the convesion of mechanical enegy. It can also be used to study the influence of a magnet s polaity on the diection of the cuent induced in qualitative fashion, by switching on a LED. 1.2 Desciption Revesible staight magnet matues in soft ion Coil Collecto fomed by two coppe half-ings, foming pat of the coil, each linked to one end of the wie constituting the coil. Safety sockets linked to two coppe blades which ub on the collecto Handle linked to a pulley to otate the coil Pinciple In the demonstation altenato, the coil is otated using the handle. Tansmission is by a belt. staight magnet is placed on two soft ion amatues to ceate a pactically unifom magnetic field in which the coil can otate. The magnet is mobile to demonstate the influence of polaity on the diection of cuent. The ends of the wie constituting the coil ae linked to a collecto fomed by two coppe half-ings which themselves fom pat of the coil. Two coppe blades linked to two safety sockets, ub on the collecto. ENGLISH 10

12 Electomagnetism ltenato demonstation scale model It is possible to connect the following to the altenato: a powe level indicato (efeence ), a dipole (fo example a LED), an oscilloscope o an inteface (Visio, Pimo o VTT equipped with a voltmete adapto) linked to a compute Voltage at the safety socket teminals If the voltage poduced at the coil teminals as it otates in the magnetic field is altenating, the voltage obtained at the safety socket teminals is ectified double altenating. B B = B = B 1.3 Technical Chaacteistics The coil, equipped with a soft ion hub, is mobile aound a stud which on one side foms pat of the pulley, and on the othe side, of a collecto fomed by two coppe half-ings. The stud is fixed to a plastic suppot scewed into a base which is also plastic. Two semi-cicula soft ion amatues ae scewed to the suppot. Thei uppe fom allows eceiving a staight magnet constituted of two feites of which the polaities ae maked by a colou code. handle is used to otate the coil via a belt. Demultiplication is 10. ENGLISH 11

13 Electomagnetism ltenato demonstation scale model 2 Instuctions fo use 2.1 Geneation of electical enegy by convesion of mechanical enegy Connect an incandescent lamp (3.5 V; 0.2 fo example) to the altenato teminals. s soon as the coil is otated (that is mechanical enegy is supplied to the altenato), it can be obseved the lamp lights up (iespective of the diection of otation of the coil) which means it is eceiving electical enegy. It can then be concluded that the mechanical enegy eceived by the altenato is conveted into electical enegy. 2.2 Study of electical powe Connect the powe level indicato (efeence ) to the altenato teminals. Obseve the powe inceases as the speed of otation inceases. The electical powe available inceases depending on the voltage geneated at the altenato teminal. By inceasing the speed of otation, the voltage is ENGLISH 12

14 Electomagnetism ltenato demonstation scale model inceased (see paagaph 2.4) and as a esult, also the available electical powe. Remak : The LEDs of the powe level indicato can only light up in the passing diection, that is, only if the cuent which passes though them is ciculating in the ight diection. o this eason, the powe level indicato can be used fo only one diection of otation of the coil, which depends on the polaity of the magnet, and the diection in which the powe level indicato is connected. 2.3 Demonstation of the effect of the diection of otation and polaity of the magnet Effect of the diection of otation Rotate the altenato connected to a LED, fist in one diection and then in the othe. It can be obseved only one diection of otation lights up the LED. S N DEL Effect of polaity of the magnet The LED lights up when the diection of otation of the coil is contay to the pevious one. N S DEL ENGLISH 13

15 Electomagnetism ltenato demonstation scale model Explanation Mak one of the sides of the coil (noted in the diagams). With the magnet in a cetain position, otate the coil in one diection then anothe. The polaity of the magnet is then inveted and the coil tuned in one diection then anothe. The situations in which the LED does and does not lights up ae summaised below. N S S N B = B In 2 cases suface of the coil tuns towads the noth pole of the magnet = B B In 2 cases the suface of the coil tuns towads the south pole of the magnet 2.4 Voltage at the altenato teminals depending on otation Rotate the altenato off-load, connected to an inteface linked to the compute. The speed of otation inceases and ecoding of the voltage gives: ENGLISH 14

16 Electomagnetism ltenato demonstation scale model Obsevation of the voltage which is vaiable ove time allows highlighting two impotant phenomena: When the speed of otation inceases : 3. The maximum voltage value inceases 4. The peiod (o pseudo-peiod) educes 3 Theoetical study of the altenato 3.1 Magnetic flux Let S T be total of the aea of the tuns foming the coil, The expession of flux is : Φ = S T B n bitay choice of the nomal to the coil Select as the positive diection, the diection of winding of the tuns. The ule of the ight hand gives the diection of the nomal (see diagams). 3.3 Electomotive foce (EM) : e ny vaiation in flux poduces an electomotive foce of which the expession dφ is: e =. dt 3.4 Study of electomotive foce voltage and voltage at the altenato teminals ove time Conside the coil is otating in elation to the magnet: In the following study, efeence is made to the suface of the coil fom which the nomal emeges, then e = B. Mak seveal positions of the coil in otation in elation to the magnet. The explanations efe to the magnetic flux and its vaiations. n n B B Magnetic flux. The flux, negative, is minimal e = B = 0 = BB = 0 Magnetic flux. The flux is negative and inceasing e = B < 0 = B < 0 ENGLISH 15

17 Electomagnetism ltenato demonstation scale model n n B B Magnetic flux. The flux is nil and inceasing. e = B < 0 = B < 0 Magnetic flux. The flux is positive and inceasing. e = B < 0 = B < 0 B n B n Magnetic flux. The flux, positive, is maximum. e = B = 0 = = 0 Magnetic flux. The flux is positive and deceasing. e = B > 0 = B < 0 B n n B Magnetic flux. The flow is nil and deceasing. e = B > 0 = B < 0 Magnetic flux. The flux is negative and deceasing. e = B > 0 = B < 0 ENGLISH 16

18 Electomagnetism ltenato demonstation scale model The vaiations in the electomotive foce can be summaised in the following tables: positions lux Φ mini 0 maxi 0 dφ < 0 < 0 <0 > 0 > 0 e = = 0 = 0 maxi > 0 dt = 0 mini < 0 < 0 < 0 < 0 < 0 < 0 = 0 mini 3.5 Expeimental veification The expeimental veification gives : mini Remak: the amplitude of the voltage and of the peiod vaies on account of an inceasing speed of otation 4 fte-sales Sevice This mateial is unde a two yea waanty and should be etuned to ou stoes in the event of any defects. o any epais, adjustments o spae pats, please contact : JELIN - TECHNICL SPPORT Rue Jacques Monod BP EVREX CEDEX RNCE +(33) ENGLISH 17

19 Electomagnetism ltenato demonstation scale model NOTES ENGLISH 18

20 ssistance technique en diect ne équipe d expets à vote disposition du Lundi au Vendedi (8h30 à 17h30) Diect connection fo technical suppot team of expets at you disposal fom Monday to iday (opening hous) Vous echechez une infomation technique? Vous souhaitez un conseil d utilisation? Vous avez besoin d un diagnostic ugent? Nous penons en chage immédiatement vote appel pou vous appote une éponse adaptée à vote domaine d expéimentation : Sciences de la Vie et de la Tee, Physique, Chimie, Technologie. You e looking fo technical infomation? You wish advice fo use? You need an ugent diagnosis? We take in chage you equest immediatly to povide you with the ight answes egading you activity field : Biology, Physics, Chemisty, Technology. Sevice gatuit * : + 33 (0) * Hos coût d appel ee sevice * : + 33 (0) * Call cost not included ide en ligne : Rubique Q Rue Jacques-Monod, Z.I. n 1, Neteville, BP 1900, Eveux cedex, ance Tél. : + 33 ( 0 ) ax : + 33 ( 0 ) Intenet : - suppot@jeulin. f Phone : + 33 ( 0 ) ax : + 33 ( 0 ) Intenet : - expot@jeulin.f S capital Sien R.C.S. B Siet