MOTEURS ÉLECTRIQUES
1028. Réversibilité de la machine de Gramme. — Ou dépense de l'énergie mécanique (1023) pour faire tourner l'anDcati d'une machine de Gramme entre les pôles de l'aimant inducteur ; le courant électrique qui prend naissance dans les spires de l'anneau est recueilli aux deux balais qui frottent sur le collecteur et utilisé dans le circuit extérieur : le travail mécanique dépensé se trouve en partie converti en énergie électrique.
ÉLECTRICITÉ DYNAMIQUE
' Jnversemenl, si par les deux balais, on dirige dans l'anneau uu ïurant sullisamment intense, de même sens que le courant précédemment produit, l'anneau se met à tourner sous l'action des pâles de l'aimant, en sens contraire du mouvement qui donnait naissance à ce courant par induction et devient une source de travail mécanique ou un moteur capable d'entraîner divers appareils reliés à sou axe par une poulie et une courroie. L'énergie électrique du courant est alors en partie Irunsformée en travail mécanique.
La possibilité d'obtenir, avec les machines semblables à la machine de Gramme, soit la transformation d'un travail mécanique en énergie électrique, soit la transformation inverse, constitue la réversibilité
^e CCS machines.
W Le courant qu'on dirige dans l'anneau peut être emprunté à une pile, mais on peut aussi utiliser le courant d'une autre machine de Gramme qu'on appelle alors génératrice ; la machine qui reçoit le
f)urant et fonctionne comme moteur s'appelle réceptrice. Sens de la rotation. — Pour nous rendr-e compte du sens du mouvement de rotation que jirend l'anneau sous l'influence d'un aimant quand on y fait
péniitrer un courant pur les ba-
lais, supposons ([uc le sens de
ce counuit est celui du courant ^
induit qui prend naissance quand
la machine fonctionne comme
génératrice.
Les spires 1, 2, 3, 4 de la figure 930 seront parcijurucs par des courants dont le sens est marqué par les llèclies (le même que dans la Ogure 924).
La spire 1 ne [)ouvant être en équilibre stable que si elle s'o- — rjente de faron à embrasser un flux maximum (076), c'est-Adire normalement aux lignes de force, celles-ci pénétrant par sa face négative, elle tournera pour
Fig. 930.
cela dans le sens inverse (sens in\crse du sens dans lequel on faisait tourner l'anneau dans la ligure), afin de se placer en M' dans le plan MM'.
La spire 2 serait en équilibre stable dans le plan MM' en M ; elle sera poussée dans le sens inverse comme la sjiire 1.
Même sens de rotation pour les spires 3 et 4.
La rotation aura lieu pour toutes les spires en sens contraire de la rotation qu'on doit donner à l'anneau pour lui faire produire le même courant, quand
machine fonctionne comme génératrice.
ht
COITRS DE PHYSIQUE
Avantages des moteurs électriques. — Une courroie ne peut transporter le travail qu'à de petites distances ; par l'emploi des moteurs électriques, la machine génératrice pouvant être très éloignée de la machine réceptrice, on peut effectuer le transport da travail à de grandes distances par des conducteurs flexihlen qui permettent des changements de direction et de niveau. Les moteurs électriques permettent ainsi d'utiliser des forces naturelles éloignées des centres industriels.
1029. Rendement d'an moteur électrique. — Nous considérerons seulement le cas où la génératrice et la réceptrice sont deux machines identiques, à. excitation indépendante de l'armature, ayant des forces electroiiir>trices E et « proportionnelles aux nombres de tours respectifs n et »(' des anneaux par seconde.
Si l'on empêche la réceptrice de tourner, toute l'énergie électrique que développe le courant de la génératrice est proportionnelle à la résistance et se transforme eu chaleur. Si on la laisse tourner, une force contreelectromotrice e y prend naissance : elle est due à ce que l'armature tourne dans on champ magnétique et devient le siège d'un courant induit qui doit gêner le
mouvement ; l'intensité du courant diminue pour cette raison lorsque le régime
de marche est établi, elle devient i = ■
K résistance totale du cir-
cuit. La puissance de la génératrice ou l'énergie qu'elle développe en une seconde est Ëi, la chaleur dégagée dans le circuit n'est que (E — e)i, U différence ei est le travail eCTectué dans l'unité de temps par la réceptrice.
On voit qu'une partie de l'énergie électrique dépensée dans le moteur est restituée sous forme d'énergie mécanique, le reste sert à échauffer, en piu-e perte, suivant la loi de Joule, les conducteurs de la réceptrice.
(Jn appelle rendement électrique le rapport
ex e
La puissance de la réceptrice est
ei ou
La puissance ou le travail par seconde diminue à mesure que e Augmente c'est-à-dire quand la vitesse de rotation augmente, car alors e tend ver& E; en même temps que la puissance diminue, le rendement augmente et tend vers i .
La somme e + E — e étant constante, égale à E, le produit e(E — e) est
maximum quand les facteurs sont égaux, ce qui donne e = -g et
fiuissance et est alors ^n et le rendement t; = â'
La puissance réellement utilisable, celle que l'on peut mesurer au frein sur ta machine, est toujours inférieure à la puissance théorique.
la
ELECTRICITE DYNAMIQIE
Supposons (jue la différence de potentiel entre les deux bornes de la réccp- 'trice soit 400 volts, et l'intensité du courant 10 ampères. La puissance électrique disponible dans le récepteur est 4000 watts. Si la ro.sistancc do la réepirice est 3 oliins, il y a 3.10^ = 300 wats qui disparaissent sous forme le chaleur. Il reste 3700 wats qu'on recueille sous formé mécanique.
Applications. — t* Une génératrice et un» réceptrice ont toutes les dnux 10 ohms Ide resiatance, lu condactcur qui le.s réunit a °2 ohms de résistaoca. A la vltosse de régime, la géodratricu présentant une force éleclromotriru do '200 volts et la ri'Ceptrice une force électromotrice de 134 volts, quel est le rendement do la réceptrice?
2* Un circuit renferme une génératrice et une réccptrico. L'énergie électrique développée par la génératrice absorbe 20 chevaux-vapeur, sa force électromotrice est triple de celle de la réceptrice. Quelle est la puissance de la réceptrice, quelle est la chaleur dégagée en une secoode dans le circuit entier?
3* On installe à 10 kilomètres d'une K<^nûratrice fonctionnant à ISO volts un récepteur qui doit fournir à 130 volts un travail d'un cheval-vapeur; le rendement du récepteur est 0,90. Quel doit être le diamètre d du fil de cuivre qui relie les deux stations, lo cuivre ayant une résistance spéoifique 1,.MI (en microhms) ?
Quel serait le prix de revient de ce til de cuivre, en supposant qu'il coûte 1 francs 80 le kilo, et que sa densité est U.S.
MACHINES A COURANTS ALTERNATU^
1030. Un courant variable qui reprend la même valeur à des intervalles de temps égau.x est appelé périodique : la période besi l'intervalle qui sépare deux valeurs égales de l'intensité, la fréquence est le nombre de périodes par seconde'".
^F Si la période est formée de deux demi-périodes égales pendant ^ lesquelles les intensités sont égales et de siynes contraires, le courant est dit alternatif. En portant le temps sur un axe horizontal et l'in- ^b tensité du courant sur des verticales, en comptant les ordonnées audessus et au-dessous de l'axe horizontal pour des temps qui correspondent aux deux sens successifs du courant, l'intensité d'un courant alternatif est représentée par une courbe analogue à la figure 931. Pour le fonctionnement continu d'une machine quelconque, et en
(t) Les fréquences ordinairement employées dans les machines à courants alternatifs lOBt des basset tréqueaces, elles varient de 40 & 80 périodes par ■•coude.
COURS DE l'HYSIQUE
particulier d'un géuéraleur de courants induits, les pièces mobiles et les pièces fixes doivent reprendre périodiquement la même position relative. Dans ce mouvement, le ilux de force repasse par la même valeur après une période ; par suite, dans cet intervalle il augmente, atteint un maximum, diminue, passe par un minimum et reprend enfin sa valeur primitive'''.
Pendant l'accroissement du flux, le courant induit a un certain sens; et pendant la diniinulioii, un sens inverse. Au passage par le maximum et par le niiiiinium le courant induit est nul (1015, 1 1*), car un maximum et un iiiiniiuum correspondent à des variations nulles.
Une bobine appartenant à un générateur de courants induits, mobile dans un champ magnétique, est donc traversée par des courants qui chiingoul périodiquement de sens. Toutefois, le courant peut être continu dans le circuit extérieur si un commutateur redresse lus courants. Dans uno machine de Gramme, où le courant change de seus à chaque demi-tour dans une môme spire de l'armature, le redresseuieiit est réalisé par le collecteur.
Lorsqu'on iieut faire usage de courants alternatifs pour l'effet qu'on se propose d'ohleuir, un commutateur devient superflu. C'est le cas de l'éclairage électrique.
1031. Machine de Siemens.
' Description. — Dans la machine de Siemens que nous choisissous pour type, linduit se compose d'une couronne de hohiiics plates A, 13, C sur lesquelles circule un même iil qui présente un enroulement alternativement inverse, les bobines i\, C... étant enroulées dans un sens, et les bobines D, D ... en sens contraire.
Ces bobines sont
(t) Ou la succeiïion de( variations est iavane.
ÉLECTRICITÉ DYNAMIQUE
adaptées à un disque en bronze, mobile autour de son axe dans un champ magnétique formé par les pAles de deux séries parallèles d'éleclroaimanls fixes, les noyaux de chaque série étant montés sur un bâti circulaire en fonte (fig.93'2). Les bobines mobiles forment un induit à disque dont le plan est perpendiculaire à l'axe de rotation. Les pâles en regard de deux électroaimanls sont de noms contraires; il en est de même des piiles de deux électroaimants conligus. Ces électroaimants sont donc en nombre pair, ils sont excités par le courant d'une petite machine auxiliaire à courants continus appelée excitatrice.
Les bobines du disque mobile sont en même nombre que les électroaimants de chaque bôli, et ^om|Jlis^^ent presque exaclement l'espace laissé libre entre les pâles fixes.
Les deux extrémités libres du lil induit aboutissent à deux bagues métalliques isolées, fixées sur l'axe de rotation et sur lesquelles frottent des balais qui conduisent le courant dans le circuit extérieur K (fig. 933).
Représentons l'une des couronnes inductrices fixes en , S, N, S, . . , et figurons au-dessus les bobines mobiles I, 2, 3...
entraînées dans le sens de la flèche /■ (fig. 933) ; la deuxième couronne inductrice fixe serait sur un plan antérieur et projetterait sur les pôles marqués S, N, S,, des pôles contraires que nous désignons par N', S', N',.
Les fiux de force du champ magnéti(iue inducteur sont des lignes de force qui parcourent transversalement l'espace compris entre les deux séries parallèles d'éleclroaimanls fixes d'un pôle N' à un pâle S, de S' à N, de N', à S,, etc. ; ces tlux ayant des directions alternativement contraires. Lors(]uo l'induit tourne, les bobines mobiles coupent ces flux de force dans leur mouvement de rotation.
I"ig. 033.
Fonctionnement. — Au momenl où les bobines impaires sont traversées pur un llux positif, lus bobines paires le sont par un fiux négatif.
COORS DE PHYSIQUE
Supposons que la bobioe 1 s'approche de S dans le sens de la flèche ; cette bobine peut être considérée comme devenant un solénoîde ; ce solénolde se déplace dans un champ magnétique dû au flux de force qui va de N' en S d'avant en arrière, et son aimantation, d'après la loi de Lenz (1007), a un signe tel que sa réaction sur les êlectroairaants inducteurs gène le mouvement. Pour cela, en s'approchant du groupe N'S des deux électroaimants eu regard, la bobine 1 prend un pôle nord en face de N' et un pâle sud en face de S, ce qui détermine sur elle une répulsion à la fois de N' et de S. Quand la bobine mobile se trouve rigoureusement en face de N' et S, le flux de force qui la traverse est maximum ; par suite, la force clectromolrice du courant induit est nulle (1015, II'), l'aimantation de la bobine mobile pendant un temps extrêmement court est nulle. Quand elle a dépassé le groupe N'S en s'éloignant^ son aimantation change de signe comme le courant induit qui la parcourt: car, d'après la loi de Lenz, elle doit être attirée par le groupe dont elle s'éloigne ; pour cela, elle doit présenter un pôle sud en face de N' et un pôle nord en face de S, ce qui détermine sur elle une attraction à la fois de N' et S.
En résumé, pour la bobine 1 , le courant induit a un certain sens en s'approchant de S. 11 change de sens en s'éloignanl de S et conserve le même sens de S en N ; de N en S, il change de sens. Un courant alternatif correspondant à une période complète se produit entre deux pôles de même nom S et S,. 11 y a 8 périodes par tour si les couronnes fixes portent chacune 16 bobines.
En désignant par N le nombre dos bobines d'une des séries d'électroaimanls fixes, par n le nombre des tours par seconde, le nombre
des périodes par seconde est --j- •
Les bobines mobiles n'ont pas de noyaux de fer doux. L'introduction de noyaux renforcerait le courant, mais il y aurait dépense d'énergie par réchaulTemeut dii aux courants induits ^'^ inutilisables qui prendraient naissance dans leur masse.
En même lumps que la bobine 1 s'approche du groupe N'S, la bobine 2 s'approche du groupe suivant S' N ; le flux de force qui traverse la bobine 2 vu aussi en croissant, mais il est dirigé d'arrière en avant de rs' vers S' au lieu d'être dirigé d'avant en arrière; par induction, la bobine 2 présente un pôle sud en face de S' et un pôle nord en face
ÉLECTRICITÉ DYNAMIQUE
ne N. Les courante de 1 et 2 sont donc au même instant de sens contraires; toutefois, ils s'ajoutent en raison du sens inverse de l'enroulement du fil sur ces deux bobines. La bobine 3 se comporte à un même inslanl comme la bobine 1, la bobine 4 comme la bobine 2.
Bjes courants développés au même instant dans toutes les bobines s'ajoutent donc pour donner un courant total égal à leur somme, en raison du sens inverse de l'enroulemenl sur les bobines de parité
DifTérente.
m Calcul de la force électromotrice moyenne d'induction. — Désignons par II? le flux qui traverse la surface a des spires de la |i>obine 1 quand elle se projette sur S; le flux peut être représenté par f— Hff quand cette bobine est venue sur N, la variation totale est 2110.
Si 6 est la durée du déplacement de S en N, -rp • "^-r— est en volts la force électromotrice moyenne d'induction.
F 1032. Machine de Clarke (fig. 8Si). — Description. — Dans la machine de Clarke, le système inducteur est un oimunt vertical A formé de plu8ieur!< aimants en fer à. cheval superposés.
Kig. 934.
Le système induit comprend seulement deux bobines parallèles B et B' &
'noyau lie fer doux, tournant autour d'un même axe qui est perpendiculaire
au plan de l'aimant fixe et passe au milieu de la ligne de ses pùles. Les
■leux noyaux de fer doux sont reliés extérieurement par une traverse en fer.
Le sens de l'enroulcraent est inverse sur les deux bobines qui forment unsi
un élcctroaimant unique (995).
Les deux extrémiti-s du fil lndui( s'engagent dans un cylindre isola.nl ajusté sur l'axe de rotation et tournant avec lui ; l'extrémité m sboatil à l'axe A et communique métalliquemcnt avec une bague C qui entoure une partie du cylindre isolant, et conU laquelle presse un ressort { (flg, OS^J L'autre extrthnité m' du fil induit communique avec une deuxièmebague C entourant une autre partie du fjr-
Flg. «3j.
^' iS)
lindre isolant, et contre laquelle presse également un ressort T. Les fils du circuit extérieur aboutissent aux bornes b et 6' des ressorts.
Fonctionnement. — Représentons par N et S les deux pôles de l'aimant fixe, désignons pari et 2 les bobines mobiles, situées dans un plan antérieur, et, pour la commodité de la figure, supposons que les deux bagues métalliques
auxquelles aboutissent les extrémités m et m' du fil induit et les extréraiiés ducircuil inducteur, ont des diamètres différents. Pendant une demi-révolution, soit au-dessus, soit au-dessous de la ligne borizootalc NS des pôle»
de l'aimant fixe, le sens du courant est invariable dans chaque bobine.
En effet, si la bobine i s'éloigne du pôle nord de l'aimant, l'aimantation de son noyau diminue; à cette diminution d'un (lux qui va d'arrière en avant (du pôle sud au pôle nord a l'intérieur du noyau), correspond un flux induit de même sens dont le courant parcourt la bobine de telle façon qu'elle oiïro un pôle nord en avant ; ce courant circule en sens inverse [975| des aiguilles d'une montre f'^ (fig. 936).
Lorsque la bobine s'approche du pôle sud, l'aimantation de son noyau augmente, mais cette aimantation est inverse de la précédente; à cet accroissement d'un flux qui va d'avant en arriére correspond un flux induit de sens
^ -, lî
Fig 9!lt>.
(I) A nn moment donnd, le courant qui serait produit dans une bobina, loM noyau, par ion déplacomont dans lu champ magndtiquo de l'aimant fixe, a le mdmu sens que le courant induit di) ik la variation du l'aimantation du noyau.
Prenons, par exemple, la bobine 1 s'iSloignant du pAlo nord de l'aimant fixe; oo peot la considérer comme devenant un solénoïde dont le courant retarde le déplacement : elle présentera pour cela un p&le sud au pAle nord de l'aimant fixe; en avant nous verrons un pMe nord, c'est-à-dire un courant circulant en »ens inverse du mouvement des aiguilles d'une montre.
ÉLECTRICITÉ DYNAMIQUE
atraire ou d'arrière en avant, et un courant qui est encore inverse des aiguilles d'une montre.
Le courant s'annule dans une bobine au moment oii elle passe devant un pôle, car c'est alors qu'elle est traversée par un flux de force maximum, l'aimantation du noyau étant maximum.
Le courant change de sens en franchissant la ligne des pôles, il est maximum dans les positions perpendiculaires à cette ligne.
A chaque instant, les courants induits sont de sens contraires dans les deux bobines, mais leur enroulement étant inverse les courants s'ajouteni dans le circuit extérieur. Le sens du courant change à chaque demi-révolution des bobines.
BedreMement des courants. — On obtient des courants de même sens dans le circuit extérieur en redressant les courants allernatifs par un commutateur. Le cylindre isolant est recouvert par deux demi-bagues que séparent de petits intervalles, et sur lesquelles frottent deux ressorts l et I' (fig. 937). C'est au moment où les bobines franchissent la ligne des pôles de l'aimiint inducteur que la communication des bagues avec les ressorts ( et /' est intervertie, ce qui fait que les courants conservent le même sens dans la partie extérieure du circuit comprise entre b et 6".
Il n'y a plus alors de variable que l'intensitUlu courant. Dans la figure
Ufe^
fig, »37.
934, les courants sont redressés et circulent dans un voltamètre V où ils décomposent l'eau en séparant les éléments : l'hydrogène se dégage dans l'éprouvette qui couvre l'électrode négative.
