CHAPITRE II PHÉNOMÈNES DINDUCTION ÉLEGTROMAONÉTIQUË

17. Phénomènes d'induction électromagnétique et principe des alternateurs. — Les phénomènesd'induction électromagnétique sont la base de Tétiide qui fait Tobjet de cet ouvrage et, quoique ces phénomènes fasseut plutôt partie de Tétude générale de Télectrotechnique, il est utile de les rappeler ici brièvement afin de les exposer sous une forme en rapport avec le caractère essentiellement pratique du présent travail.

Dans Tétude générale des phénomènes électriques et magnétiques, on a appris que la cause qui les produit est le flux magnétique etque les propriétés de ce dernier restent toujours identiques, que ce flux soit produit par un aimant, par un électro-aimant ou par un courant électrique. 11 y a une certaine analogie entre le flux magnétique et le courant électrique, puisque le flux magnétique s'établit, comme le courant électrique, dans un circuit déterminé, circuitqui, à Textérieur d'un aimant, part du pôle Nord pour revenir au pôle Sud; mais il faut se garder de pousser plus loin cette analogie, parce que le courant électrique qui passe dans un circuit nécessite une certaine dépense d'énergie qui est fonction de la résistance du conducteur et de l'intensité de ce courant, tandis que, dans un circuit magnétique, le flux se produit sous l'action d'une force, mais sans aucune dépense d'énergie, comme lorsqu'on maintient tendu ou comprimé un ressort sous l'action d'un

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poids. Il ne serait pas possible sans cela de concevoir comment un aimant peut produire un champ magnétique constant sans absorber de l'énergie. Ce fait semble ne pas se vérifier lorsqu'il s'agit d'un électro-aimant puisque, pour produire un champ magnétique, il est nécessaire de faire passer un ceurant dans l'enroulement, c'est-à-dire de dépenser de l'énergie électrique dans cet enroulement; cette contradiction n'est qu'apparente, parce que l'énergie dépensée pour produire le courant magnétisant pourrait être rendue aussi faible qu'on le désirerait si l'on pouvait diminuer de plus en plus la résistivité du métal employé pour l'enroulement. Pour le flux, il n'y a pas dépense d'énergie et la preuve en est donnée par ce fait que l'intensité du courant dans la bobine de l'électro-aimant reste constante^, que cette bobine soit pourvue ou non d'un noyau de fer. On sait que la présence d'un noyau de fer a pour effet d'augmenter le flux de force magnétique, dont la valeur est alors égale à sa valeur primitive, lorsque la bobine n'a pas de noyau, multipliée par \q coefficient de perméabilité du fer, pourvu toutefois qu'il s'agisse d'un circuit magnétique fermé et homogène.

L'analogie entre le flux magnétique et le courant est encore limitée par ce fait que la résistance électrique est entièrement indépendante de l'intensité du courant, tandis que Vd ré lue tance (résistance magnétique) d'un circuit magnétique dépend essentiellement de la valeur du flux.

- Soit un flux magnétique produit d'une manière quelconque [fig, 16) et représenté par une série de lignes de force L, L| ; dans ce champ magnétique on place un conducteur S fermé sur lui-même. On sait qu'un certain fïti^ de force magnétique traverse cette spire S, de gauche à droite par exemple.

Il est évident que la valeur du flux qui traverse cette spire dépend de la position qu'elle occupe dans le champ. En suppo-

santque, pour une cause quelconque, ce flux vienne k varier, soit en augmentant, soit en diminuant, Texpérieùce prouve que, comme conséquence de cette variation, un couraht électrique prend naissance dans la spire. Ce courant est appelé courant induit.; Too donne le nom d'induit au circuit dans lequel se développe ce courant et le nom d'inducteur au système qui produit le champ magnétique.

Pour exprimer le phénomène d'une manière précise, on peut dire que ia variation du flux traversant une spire donne naissance à une force électromotrice induite et, si le circuit dans lequel se produit cette force électromotrice est ferimé, il s'établit tm courant électrique soumis aux règles de la loi d'Ohm. Il ne faut pas oublier que la force électromotrice induite dans la spire S est développée dans le conducteur toutes les fois qu'il se produit une variation, du flux qui Tentoure, même dans le cas où cette spire se trouve déjà parcourue par un courant électrique.

Les Variations de flux s'obtiennent, soit en déplaçant le circuit induit dans le champ inducteur, soit en rendant le champ inducteur mobile et le circuit induit fixe, soit encore en faisant varier les valeurs de Tintensité du courant qui donne naissance au champ inducteur.

Dans les dynamos et dans les moteurs électriques, la force électromotrice est due au déplacement, Tun par rapport à l'autre, de l'inducteur et de l'induit; dans les transformateurs» on applique le procédé qui consiste à produire une force électromotrice à l'aide de variations de flux obtenues par des variations d'intensité du courant excitant l'inducteur.

Les forces électromotrices induites sont la conséquence des variations de flux et doivent, par suite, avoir des durées égales à celles des variations qui les produisent; c'est ce que l'expé* rience confirme. Si le flux ne varie pas, aucune force électromotrice ne peut se produire dans le circuit, m^me lorsqu'il est mis en mouvement.

Il y a lieu maintenant de considérer les valeurs de la fofce éleclromolrice ainsi produite par induction. Il est assez logique

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d'admettre que si, dans une première expérience, on fait varier le flux traversant la spire de 5000 unités en 1 centième de seconde, tandis que, dans une seconde expérience, ce flux varie, dans le môme laps de temps, de 10000 unités, la force électromotrice induite, dans le second cas, doit avoir une valeur double. D'autre part, si dans la seconde expérience la variation de flux s'effectue dans un temps deux fois plus considérable, soit 2 centièmes de seconde, on comprend que la force électromotrice induite ait la même valeur que dans la première expérience.

On peut en conclure que la valeur (fune force éleetromotrice indinte est dir€Cte77i€nt proportionnelle à la valeur des variatio?is de flux et inversement proportionnelle au temps que ces variations de flux mettent pour se produire.

De plus, si à côté de la spire S on en place une deuxième, cette deuxième spire devient le siège des mômes phénomènes et la force électromotrice induite dans cette spife est de môme sens que celle qui est induite dans la première. En reliant les deux spires en lengion, il se développe, dans le circuit ainsi constitué, pendant le temps d'une variation de flux, une force électromotrice dont la valeur est deux fois plus grande ; avec trois spires cette valeur sera trois foispl,us grande et ainsi de suite.

On dispose donc de trois procédés pour obtenir des forces électromotrices de valeurs de plus en plus élevées:

1" I/utilisation d'im champ magnétique plus intense afin d'obtenir de plus grandes variations de flux ;

2*" La production de variations de flux en un temps plus court, autrement dit 'augmentation du nombre de ces variations par unité de temps, en imprimant, par exemple, une plus grande vitesse de déplacement à Torgane mobile de la dynamo;

S"" Augmentation du nombre de spires induites reliées en tension.

Il y a lieu toutefois de remarquer que, dans la pratique, ces divers procédés sont limités. C'est ainsi que, pour un poids donné de métal magnétique (fer, fonte ou acier coulé), on ne peut dépasser une certaine valeur de flux, car cette valeur a

pour limite la saturation magnétique du métal. En ce qui concerne la vitesse angulaire, les effets de la force centrifuge imposent également une limite et c'est pourquoi, dans les dynamos, il n'est pas possible de dépasser une vitesse tangentielle de 40 à 50 mètres par seconde. Enfin, il semble quHl est possible d'augmenter, autant qu'on le veut, le nombre de spires de l'induit, puisque, avec un poids donné de cuivre, on peut, en diminuant la section du fil, obtenir le nombre de spires que Ton désire; mais il ne faut pas perdre de vue qu'en augmentant ainsi la valeur de la force électromotrice totale, on augmente également la résistance du circuit et que, par suite, on diminue l'intensité du courant; par conséquent, l'augmentation du nombre de spires au delà d'une certaine limite peut quelquefois réduire la quantité d'énergie électrique utilisable fournie par la dynamo.

C'est aux constructeurs qu'il appartient de calculer les proportions à donner aux divers organes pour réaliser un type de dynamo déterminé et il suffit ici de donner simplement les renseignements qui précèdent.

Les phénomènes qui viennent d'être exposés peuvent être facilement contrôlés par l'expérience, si. l'on a à sa disposition un galvanomètre suffisamment sensible, une bobine de fil bien isolé et un aimant ou mieux un électro-aimalit.

En reliant la bobine au galvanomètre, à l'aide de deux conducteurs souples, si l'on vient à approcher rapidement cette bobine tout près du pôle Nord de l'électro-aimant parcouru par un courant {fig, 17), il se produit une augmentation de flux dans cette bobine et l'on observe une déviation de l'aiguille du galvanomètre, par exemple vers la droite. Dès que la bobine cesse d'être en mouvement, l'aiguille revient au zéro. En éloignant ensuite

FiG. 17.

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la bobine du pôle Nord de réiectro-aimant pour la ramener dans sa position primitive, il se produit une diminution de flux dans la bobine et laiguille du galvanomètre dévie de nouveau, mais en sens inverse, par conséquent vers la gauche. En répétant cette expérience avec le pôle Sud de Télectroaimant, au lieu du pôle Nord, on obtient des résultats identiques, mais le sens des déviations successives deTaiguille du galvanomètre est inversé, c'est-à-dire que, lors de Taugmentation du flux, on obtient une déviation vers la gauche et, pendant la diminution du flux, une déviation vers la droite. Ces résultats sont donc les suivants:

Augmentation du flux positif. . .

Diminution du flux positif

Augmentation du flux négatif. .

Diminution du flux négatif

déviation à droite.

— à gauche.

— à gauche.

— à droite.

Si, maintenant, la bobine étant rapprochée du pôle Nord de Télectro-aimant, on Tamène rapidement en présence du pôle Sud, on obtient toujours une déviation dans un sens (à gauche), parce que, dans la première moitié du mouvement imprimé à la bobine, on a produit une diminution du flux positif (entrant dans

rii

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FiG. 18.

la bobine) et que, dans la seconde moitié de ce mouvement, il y a augmentation du flux négatif (sortant de la bobine). Par contre, on obtient une déviation toujours de sens inverse, c'est-à-dire vers la droite, en amenant rapidement la bobine du pôle Sud vers le pôle Nord. C'est pour cela que, si Ton vient à déplacer une bobine devant une série de pôles alternativement Nord et Sud {fig, 18), on donne naissance, en allant de N vers S, k une force électromotrice induite d'un certain sens et, en allant de S vers N, à une force

électroraotrice induite de sens contraire. Cette force électromotrice passe par une valeur nulle toutes les fois que la bobine se trouve exactement en présence de l'un des pôles, c'esl-à-dire au moment où le flux auquel elle est soumise atteint sa valeur maximum. Dans son mouvement de a vers i, il y a diminution du flux positif dans la bobine et, de h vers c, augmentation du flux négatif. Ce phénomène est dû aux variations simultanées de la valeur et du sens de ce flux, mais toutefois sans changer la direction du mouvement. La' bobine, dans son trajet de c vers c/, est le siège d'un phénomène inverse. A partir du point d, les phénomènes qui se manifestent dans la bobine, c'est-à-dire production d'une force électromotrice tantôt dans un sens, tantôt de sens inverse, se reproduisent tant que le mouvement continue. Si les divers pôles Nord et Sud sont disposés alternativement sur le pourtour d'une circonférence et que la bobine mobile soit animée d'un mouvement de rotation la faisant passer successivement devant chacun des pôles, il y a production d'une force électromotrice induite dans cette bobine, tantôt dans un sens, tantôt en sens inverse, et le phénomène se reproduit à chaque intervalle de temps correspondant au passage de la bobine de a en d, distance qui sépare deux pôles de même nom. D'après ce qui a été dit précédemment, on appelle période du phénomène le temps que met la bobine pour efl^ectuçr son trajet de a en d. La force électromotrice développée dans la bobine varie, par conséquent, périodiquement de sens et est dite force êlcctromotrice alternative. . Il convient de remarquer qu'il n'est pas nécessaire que les pôles soient alternativement de noms contraires. Si tous -ont la même polarité [fttj, 19), il' y a seulement diminution et augmentation du flux toujours dans une direction déterminée; mais cela suffit pour donner naissance à une force électromotrice alternative. De a en A, cette force électromolrice a un sens donné et, de h en c, elle est de sens contraire. .La période "est la durée du mouvement de la bobine pour passer de a en c. Dans le ca»où la dynamo est identique comme construc-

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tien à celle où les pôles sont alternativement Nord et Sud, la période est réduite de moitié, si la vitesse angulaire de Tinduit reste la même, ou, en d'autres termes, \di fréquence est deux fois plus grande. Si Ton veut obtenir la même fréquence dans les deux cas, il suffit, avec ladjiiamo à pôles de même nom , de réduire de moitié la vitesse angulaire de Torgane mobile. Ce dispositif a été souvent utilisé par les constructeurs et Test encore quelquefois dans certains cas, par exemple lorsqu'on veut, avec une dynamo ayant une faible vitesse angulaire, réa-

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liser une fréquence déterminée et cela sans exagérer la vitesse tangentielle de Torgane mobile, tout en donnant à l'intervalle qui sépare deux pôles consécutifs des dimensions telles qu'il soit possible de les développer convenablement.