⚡ L'alternateur et le transformateur
Presque toute l'électricité du monde sort d'un alternateur : une bobine qui tourne près d'un aimant (ou l'inverse). Fais tourner la tienne jusqu'à allumer une lampe, sans la griller ! Puis découvre comment le transformateur et les lignes à très haute tension amènent le courant jusqu'à ta prise.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Quand la bobine fait face aux pôles (n parallèle à B), le flux est maximal… mais la tension induite est nulle : ce qui compte, ce n'est pas le flux, c'est sa variation (e = −dΦ/dt).
- Doubler la vitesse de rotation double à la fois la tension maximale et la fréquence : e(t) = N·B·S·ω·sin(ωt). Les alternateurs des centrales tournent à vitesse fixe pour garder exactement 50 Hz.
- Dans le transformateur, le noyau de fer canalise jusqu'au secondaire le flux variable créé par le primaire : la tension est multipliée ou divisée dans le rapport des nombres de spires.
- En continu, le flux ne varie pas et le secondaire ne reçoit rien : un transformateur ne fonctionne qu'en alternatif.
- Sur la ligne, multiplier la tension par m divise l'intensité par m et les pertes R·I² par m² : voilà pourquoi on transporte l'électricité sous 400 000 V.
Expériences à faire
- À 50 tours par seconde, avec B = 0,5 T, combien faut-il de spires pour obtenir 230 V efficaces ? Calcule-le avant de vérifier.
- Arrête la bobine (f = 0) : la lampe s'allume-t-elle, même avec un aimant très puissant ?
- Échange les valeurs de N1 et N2 : l'abaisseur devient-il un élévateur ? Dans quel rapport ?
- Pour le transport, compare les pertes avec m = 2, m = 10 et m = 20 : la règle « pertes divisées par m² » est-elle vérifiée ?
- Coche « ✏️ Mes valeurs » et branche une lampe de 12 V : à quelle fréquence de rotation brille-t-elle normalement, sans griller ?
La physique derrière l'animation
- Flux à travers une bobine plate de N spires et de surface S : Φ = N·B·S·cos θ, θ étant l'angle entre B et la normale n. Si la bobine tourne à vitesse constante, θ = ωt avec ω = 2πf.
- Loi de Faraday : e = −dΦ/dt = N·B·S·ω·sin(ωt). Amplitude Emax = N·B·S·ω et valeur efficace Eeff = Emax/√2.
- Transformateur parfait : U2/U1 = N2/N1 = m (rapport de transformation) et, sans pertes, U1·I1 = U2·I2, donc I2 = I1/m.
- Transport d'une puissance P sous la tension U : I = P/U et pertes en ligne PJ = R·I² = R·P²/U². Multiplier U par m divise PJ par m².
- Modèles : champ uniforme, lampe de résistance constante (882 Ω pour la lampe de départ, 230 V – 60 W), transformateur parfait, ligne de résistance 2,5 Ω au départ (chute de tension négligée dans le calcul de I) ; lampe, centrale et ligne se changent dans « ✏️ Mes valeurs ». La rotation est ralentie à l'écran.
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