Du magnétisme au réseau électrique
Un aimant se déplace et un courant apparaît dans un fil situé à des kilomètres de là. Cette section détaille cette chaîne : aimants permanents et schémas de champ, effet magnétique du courant, force motrice avec sa règle de la main gauche, induction dans les bobines et générateurs, et (P) les transformateurs qui transportent l'énergie électrique à travers un pays.
Edexcel International GCSE Physique 4PH1, Section 6 (déclarations 6.1–6.20P). Les déclarations suivies de P sont le prolongement exclusivement physique.
Magnétisme
Les aimants repoussent les pôles semblables et attirent les pôles contraires, ainsi que les matériaux magnétiques (fer, acier, nickel, cobalt). Les matériaux durement magnétiques (acier) conservent leur aimantation — aimants permanents ; les matériaux mous (fer) s'aimantent et se désaimantent facilement — noyaux d'électroaimants. Les lignes de champ pointent de N vers S à l'extérieur d'un aimant (elles ne se croisent jamais) ; l'aimantation est induite dans un matériau magnétique placé dans un champ. Deux pôles contraires face à face créent un champ uniforme entre eux.
Électromagnétisme et effet moteur
Un courant dans un conducteur crée un champ magnétique autour de lui — cercles concentriques, règle de la main droite (règle du poing). (P) Électroaimants : une bobine (solénoïde) autour d'un noyau en fer doux, commutable et ajustable. (P) Schémas de champ pour un fil droit, une bobine plate et un solénoïde.
Un fil parcouru par un courant subit une force lorsqu'il traverse perpendiculairement un champ magnétique — l'effet moteur, utilisé dans les moteurs c.c. (bobine rotative + collecteur) et les haut-parleurs. Prédisez la direction avec la règle de la main gauche : premier doigt Champ, deuxième doigt Courant, pouce Mouvement. La force augmente avec un champ plus intense et un courant plus grand, et s'inverse si l'un des deux s'inverse.
Induction électromagnétique
Une tension est induite dans un conducteur ou une bobine lorsqu'il se déplace à travers un champ magnétique ou lorsque le champ à travers elle change. La tension induite est plus grande avec un mouvement plus rapide, un champ plus fort, plus de spires et (pour les générateurs) une rotation plus rapide. Les générateurs font tourner un aimant à l'intérieur d'une bobine (ou une bobine à l'intérieur d'un aimant) — l'amplitude et la fréquence du courant alternatif induit suivent la rotation.
(P) Transformateurs changent une tension alternative grâce à deux bobines sur un noyau en fer :
Transformateurs élévateurs augmentent la tension (et réduisent le courant) pour la transmission — une haute tension signifie un faible courant, donc beaucoup moins d'énergie perdue sous forme de chaleur dans les câbles ; les transformateurs abaisseurs ramènent ensuite à des niveaux sûrs pour l'utilisation.
Vérification corrigée. Un transformateur a 200 spires primaires et 50 spires secondaires ; le primaire est 230 V. $V_s = 230 \times 50/200 = 57.5$ V — c'est un abaisseur. Si le courant primaire est 0.5 A : $I_s = 230 \times 0.5/57.5 = 2.0$ A.
Vérifiez-vous
- Citez deux différences entre les matériaux magnétiquement durs et ceux magnétiquement doux.
- Dans quelle direction pointent les lignes de champ à l'extérieur d'un aimant ?
- Décrivez comment obtenir un champ magnétique uniforme avec deux aimants barres.
- Que produit un courant dans un fil autour de lui ?
- Énoncez les trois doigts de la règle de la main gauche.
- Nommez deux facteurs qui augmentent la force sur un fil parcouru par un courant dans un champ.
- Citez deux moyens d'induire une tension dans une bobine.
- Nommez deux facteurs qui augmentent l'amplitude d'une tension induite.
- (P) Un transformateur abaisseur a 1000 spires primaires et 100 spires secondaires ; entrée 230 V. Calculez la sortie.
- (P) Pourquoi l'électricité est-elle transmise à haute tension ?
Réponses : 1 dur conserve son aimantation (aimants permanents, acier) ; doux la perd facilement (temporaire, fer — noyaux d'électroaimants) ; 2 du N vers S ; 3 placez les pôles N et S face à face avec un espace — les lignes de champ parallèles entre eux sont uniformes ; 4 un champ magnétique en cercles concentriques (règle de la main droite) ; 5 premier doigt Champ, deuxième doigt Courant, pouce Mouvement ; 6 champ plus fort ; courant plus élevé.
Réponses continues : 7 déplacez la bobine ou l'aimant afin que la bobine coupe les lignes de champ, ou changez le champ à travers une bobine stationnaire ; 8 mouvement plus rapide ; aimant plus puissant ; plus de spires ; 9 (P) $V_s = 230 \times 100/1000 = 23$ V ; 10 (P) la haute tension donne un faible courant pour une même puissance ; l'échauffement des câbles est $I^2R$, donc les pertes chutent fortement sur de longues distances.