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Activité 1 - documentaire
De l'induction à l'alternateur
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Introduction
Une grande partie de la production mondiale d'électricité repose sur le phénomène d'induction électromagnétique mis en œuvre dans les alternateurs. Le barrage des Trois-Gorges en Chine est le barrage qui délivre la plus grande puissance électrique au monde grâce à cette technologie.
Problématique
Comment un alternateur génère-t-il de l'électricité ?
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- Courant électrique
- Formes d'énergie
- Fréquence et période
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Documents
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Doc. 1Faraday et l'induction
Michael Faraday est un physicien qui a mis en évidence en
1831 le lien entre électricité, magnétisme et mouvement :
l'induction électromagnétique.
Ce phénomène apparaît lorsqu'un conducteur est en mouvement par rapport à un champ magnétique (produit par exemple par un aimant). Si cette variation est suffisamment importante, un courant électrique apparaît alors dans les conducteurs à proximité. On peut notamment l'observer en déplaçant un aimant à l'intérieur d'une bobine reliée à un dipôle électrique.
Ce phénomène apparaît lorsqu'un conducteur est en mouvement par rapport à un champ magnétique (produit par exemple par un aimant). Si cette variation est suffisamment importante, un courant électrique apparaît alors dans les conducteurs à proximité. On peut notamment l'observer en déplaçant un aimant à l'intérieur d'une bobine reliée à un dipôle électrique.
En revanche, si la bobine 2 était déplacée avec un mouvement périodique à l'intérieur de la bobine 3 , l'aiguille du galvanomètre 4 se mettait aussitôt à osciller, mettant en évidence qu'un courant électrique était apparu.
Ainsi, sans que les deux bobines ne soient en contact l'une et l'autre, le seul mouvement de la bobine 2 permettait d'induire un courant électrique alternatif dans la bobine 3.
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Doc. 2 Fonctionnement d'un alternateur
Un alternateur est un dispositif de conversion d'énergie
reposant sur le phénomène d'induction électromagnétique.
Il est notamment utilisé dans les centrales pour produire de
l'électricité.
Pour cela, une turbine est mise en mouvement par l'écoulement d'un fluide, comme de la vapeur d'eau ou de l'eau liquide. Ce mouvement entraîne un rotor constitué d'aimants, ce qui génère un courant électrique par induction dans le stator, constitué d'un conducteur électrique. L'énergie mécanique du fluide est ainsi convertie en énergie électrique.
Pour cela, une turbine est mise en mouvement par l'écoulement d'un fluide, comme de la vapeur d'eau ou de l'eau liquide. Ce mouvement entraîne un rotor constitué d'aimants, ce qui génère un courant électrique par induction dans le stator, constitué d'un conducteur électrique. L'énergie mécanique du fluide est ainsi convertie en énergie électrique.
Schéma animé
Schéma statique
Schéma d'un alternateur couplé à une turbine
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Rendez-vous pour simuler
le phénomène d'induction électromagnétique.
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Doc. 3Rendement d'un alternateur
De manière générale, le rendement r d'un convertisseur est
le rapport entre la puissance utile Pu délivrée par celui-ci et
la puissance Pf qui lui est fournie. Dans le cas d'un alternateur, on a :
r=\frac{P_{\mathrm{u}}}{P_{\mathrm{f}}} \quad \left\lvert\, \begin{aligned}
& r: \text { rendement de conversion } \\
& P_{\mathrm{u}}: \text { puissance électrique induite dans le stator }(\mathrm{W}) \\
& P_{\mathrm{f}}: \text { puissance mécanique fournie à l'alternateur }(\mathrm{W})
\end{aligned}\right.
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Doc. 4Obtention d'un courant
Lorsque le rotor est composé d'un seul aimant et qu'il fait
un tour en une seconde, le courant alternatif induit dans le
stator possède alors une fréquence de 1 Hz.
Lorsque le rotor est composé de deux aimants et qu'il fait un tour en une seconde, le courant induit dans le stator possède une fréquence de 2 Hz.
Lorsque le rotor est composé de deux aimants et qu'il fait un tour en une seconde, le courant induit dans le stator possède une fréquence de 2 Hz.
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Une animation pour visualiser l'effet du nombre d'aimants sur le courant.
GeoGebra
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Doc. 5Barrage des Trois-Gorges
Le barrage des Trois-Gorges en Chine est constitué de 34 alternateurs. Les rotors sont mis en mouvement par le passage de l'eau dans les turbines.
La puissance libérée par la chute de l'eau peut être estimée à l'aide de la relation :
P_{\text {chute }}=h \cdot D_\mathrm{~V} \cdot \rho \cdot g \left\lvert\, \begin{aligned}
& P_{\text {chute }} \text { : puissance mécanique associée } \\
& \text { à la chute de l'eau }(\mathrm{W}) \\
& h: \text { hauteur de la chute d'eau }(\mathrm{m}) \\
& D _\mathrm{~V}: \text { débit volumique }\left(\mathrm{m}^{3} \cdot \mathrm{s}^{-1}\right) \\
& \rho: \text { masse volumique de l'eau }\left(\mathrm{kg}^{-1} \cdot \mathrm{m}^{-3}\right) \\
& g: \text { intensité de pesanteur }\left(\mathrm{N} \cdot \mathrm{kg}^{-1}\right)
\end{aligned}\right.
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- Hauteur de chute : h = 80 m
- Puissance électrique délivrée par un alternateur du barrage des Trois-Gorges : Pu = 660 MW
- Rendement des alternateurs : r = 0,96
- Débit volumique de l'eau du barrage : DV = 34 000 m3·s-1
- Fréquence du courant électrique en Chine : f = 50 Hz
- Intensité de pesanteur : g = 9,81 N·kg-1
- Masse volumique de l'eau : \rho = 1,0 x 103 kg·m-3
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Questions
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1. Doc. 1 Identifier la condition à respecter pour qu'un champ magnétique puisse produire le phénomène d'induction électromagnétique.
2. Doc. 1 Préciser le type de courant électrique créé dans la bobine 3 lorsque l'on communique à l'aimant un mouvement de translation périodique comme dans l'expérience de Faraday.
3. Doc. 2 et Doc. 4 Qualifier le mouvement du rotor par rapport au stator permettant de produire le même type de courant électrique.
4. Doc. 5 Calculer la puissance Pchute résultant de la chute de l'eau au niveau du barrage des Trois-Gorges.
5. Doc. 3 Déterminer la puissance Pf fournie par la turbine à l'alternateur.
6. Doc. 5 Proposer une explication à la différence entre la puissance Pchute provenant de la chute de l'eau et la puissance Pf fournie par la turbine à l'alternateur.
7. Doc. 4 La fréquence f du courant induit est donnée par :
Sachant que la vitesse de rotation \omega des alternateurs
est de 0,8 tr·s-1, déduire les fréquences f possibles du courant électrique produit pour 20, 40, 80 et 100 aimants. Comparer ces fréquences à celle du courant du réseau électrique chinois.
f=N \cdot \omega \quad \left\lvert\, \begin{aligned}
& f: \text { fréquence du courant électrique } \\
& N: \text { nombre d'aimants du rotor } \\
& \omega: \text { vitesse de rotation du rotor }\left(\mathrm{tr} \cdot \mathrm{s}^{-1}\right)
\end{aligned}\right.
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Courant électrique alternatif : courant électrique changeant de sens périodiquement.
Galvanomètre : appareil permettant de détecter et de mesurer le passage d'un courant électrique.
Induction électromagnétique : phénomène correspondant à l'apparition d'un courant électrique dans un conducteur en mouvement par rapport à un champ magnétique.
Galvanomètre : appareil permettant de détecter et de mesurer le passage d'un courant électrique.
Induction électromagnétique : phénomène correspondant à l'apparition d'un courant électrique dans un conducteur en mouvement par rapport à un champ magnétique.
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