Le courant alternatif et le courant continu

Éclairage Et Installation Électriques 1961

Toutes les bobines en révolution dans un champ magnétique induisent un courant alternatif. Ce courant alternatif peut parvenir à tout circuit extérieur, en passant par les bagues collectrices.

Mais, il peut aussi être rectifié par un collecteur pour passer comme courant continu dans le circuit extérieur.

La fig. 25 illustre graphiquement un voltage ou potentiel de courant alternatif.

Fig. 25.— Graphique illustrant comment se forme le courant alternatif.

Remarquez les petites bobines au-dessus de la courbei Chacune d'elles est placée en regard de la représentation symbolique des effets de sa position.

La fig. 26 est un graphique d'un potentiel de courant continu induit. Les positions de la bobine correspondent ici encore à la nature du potentiel indiqué.

Fig. 26.— Illustrations, au moyen d'un graphique, du voltage d'un courant continu induit.

Vous vous demandez probablement ce qui arrive quand la bobine est à mi-chemin entre les positions zéro (plan neutre) et les positions maxima (angles droits). La bobine en rotation coupe les lignes de force, mais n'en coupe pas autant en une seconde que dans la position maximum.

Elle ne traverse qu'obliquement le champ magnétique. Plus l'angle de la bobine avec les lignes de force se rapproche de 90°, plus nombreux sont les fils de la bobine qui traversent ces lignes de force.

Voilà pourquoi le voltage s'accroît graduellement en partant de zéro, dans le plan neutre, jusqu'à atteindre sa valeur maximum lorsque la bobine est perpendiculaire au plan neutre.

L'inverse a lieu quand les côtés de la bobine abandonnent la perpendiculaire et rentrent dans le plan neutre. Le voltage diminue alors graduellement, au même rythme progressif que lorsqu'il avait augmenté.

Il serait bon de retenir la forme des courbes des figures 25 et 26 comme les représentations graphiques respectives du courant alternatif et du courant continu pulsatoire. Les courbes de ces deux genres de courant épousent toujours la forme générale de ces graphiques.

Fig. 26.— Illustrations, au moyen d'un graphique, du voltage d'un courant continu induit.

BOBINES MULTIPLES

Une seule bobine tournant dans un champ magnétique ressemblerait au moteur à 8 cylindres dont un seul fonctionne.

 Dans les deux cas, l'énergie produite est bien faible en regard des possibilités de l'appareil. Les fluctuations sont inhérentes au courant alternatif. Aussi, l'addition de bobines supplémentaires n'enraye pas la hausse ni la baisse régulière du voltage du courant alternatif.

Mais l'addition d'autres bobines à un générateur de courant continu adoucit les fluctuations en les rapprochant et transforme le courant continu pulsatoire en courant continu régulier.

Voici comment l'on peut atteindre ce résultat. D'abord, ajouter une bobine à angle droit des premières, déjà en place.

 La fig. 27 illustre les deux bobines disposées sur l'induit, perpendiculaires l'une à l'autre.

Fig. 27.— Induit formé de deux bobines simples, perpendiculaires l'une à l'autre.

Quand on fait tourner l'induit, la bobine noire se trouve un quart de tour en arrière de la blanche. Donc, si la noire n'induit aucun potentiel, par contre la blanche induit son voltage maximum.

Remarquez qu'il faut un collecteur à quatre segments aux bornes des deux bobines. Les balais frottant sur ce collecteur ne communiquent qu'avec la bobine produisant le plus haut voltage.

La fig. 28 constitue le graphique des voltages qu'engendrent les deux bobines.

Fig. 28.— Graphique illustrant les voltages plus réguliers qu'engendrent deux bobines.

La ligne grasse est la courbe du potentiel capté par les balais, c'est-à-dire le voltage qui s'échappe dans le circuit extérieur. Remarquez que ce voltage est plus régulier que celui provenant d'une seule bobine. Le voltage demeure pulsatoire, il est vrai, mais il ne descend pas jusqu'à zéro.

L'addition d'une bobine supplémentaire a diminué la portée des pulsations.

Ajoutez deux autres bobines, à mi-chemin entre les premières. Vous avez maintenant un générateur comme celui de la fig. 29.

Fig. 29.— Générateur à quatre bobines.

La fig. 30 illustre le voltage que produit cet appareil à 4 bobines.

Fig. 30.— Les pulsations d'un générateur à quatre bobines sont beaucoup moins prononcées.

Nous avons maintenant un collecteur à 8 segments, et les balais ne captent que les sommets, les maxima du potentiel de chaque bobine. C'est encore du courant continu pulsatoire, mais à secousses adoucies ; la hausse et la baisse, c'est-à-dire les pulsations y sont fort raccourcies.

Cette génératrice à quatre bobines ressemble fort aux générateurs les moins compliqués qu'utilise l'industrie.

La fig. 31 représente l'induit (armature) d'un anneau de Gramme, l'un des premiers induits qui se soient avérés vraiment pratiques.

Fig. 31.— Induit d'une génératrice constitué par des enroulements sur un anneau de fer. C'est ce qu'on appelle un anneau de Gramme.

L'anneau de Gramme donne beaucoup plus de rendement que les génératrices à une, deux ou quatre bobines que nous venons d'étudier.

D'abord, la bobine y est enroulée sur du fer, ce qui réduit les déperditions d'énergie magnétique, en éliminant presque tout l'entrefer. Il en résulte un champ plus puissant et un meilleur rendement dans l'induit.

Ensuite, les enroulements sont en séries dans l'anneau de Gramme — les voltages individuels de chaque spire de l'enroulement s'ajoutent les uns aux autres — et transmettent ainsi un potentiel plus élevé aux pôles du générateur.

Troisièmement, les bobines constituent deux voies entre les balais (soit une de chaque côté de l'anneau), ce qui permet donc à l'induit de porter plus de courant sans surchauffage.

Suivons par exemple le chemin que parcourt un ampère de courant dans ce générateur.

Pénétrant dans le collecteur par le balai positif, le courant ne peut se loger que dans un seul segment, parce que tous les segments sont isolés les uns des autres.

Des segments, le courant passe aux enroulements de l'anneau par le fil du balai, en A.

Rendu à l'enroulement, le courant se divise: la moitié prend le côté droit, l'autre moitié, le côté gauche. Et pourquoi donc le courant parcourt-il ces enroulements ?

La règle des trois doigts, (generator hand rule), appliquée avec la main gauche, vous dira qu'en franchissant chaque enroulement successif, le potentiel induit reçoit une poussée stimulante qui l'accroît.

Le premier groupe d'enroulements engendre une «poussée» de 20 volts. Les deuxième et troisième fournissent chacun une poussée de 40 volts.

Et le quatrième groupe, tout comme le premier, ne transmet que 20 volts.

En additionnant ces voltages induits — et on peut très bien le faire, car ils sont en série — on obtient un potentiel total de 120 volts.

Les courants qui proviennent de chaque côté de l'anneau se rencontrent au fil B (à ce point le potentiel total est de 120 volts) et passent ensemble au segment du collecteur. Le balai capte le courant du segment et le décharge par le fil du balai vers le circuit d'utilisation.

Dans ce circuit, le courant perd tout son potentiel, en effectuant le travail des appareils. Réduit à zéro voltage, le courant revient alors à l'induit, reçoit des impulsions successives du potentiel induit, jusqu'au total de 120 volts, et en sort à nouveau en état de faire fonctionner le circuit d'utilisation.

La curiosité vous portera-t-elle à vous demander pourquoi les 2e et 3e séries d'enroulements fournissent un potentiel de 40 volts, cependant que les premières et 4e séries n'en produisent que 20?

C'est simple: les 2e et 3e séries interceptent presque à angle droit les lignes de force magnétiques, tandis que les première et 4e séries ne traversent le champ magnétique qu'à un angle relativement faible, ne sectionnant qu'environ la moitié des lignes de force des 2e et 3e séries d'enroulements.

L'anneau de Gramme est conçu dans le double but de fournir un potentiel élevé et stable. Il y arrive par des connexions en séries. Remarquez que l'induit étant en rotation, les séries d'enroulements se déplacent à tour de rôle dans le champ magnétique, ce qui engendre un voltage élevé et stable.

L'induit moderne utilise l'enroulement en tambour, illustré dans la fig. 32, et comporte lui aussi des connexions en séries et plusieurs bobines.

Fig. 32.— Induit avec enroulements disposés sur un tambour.

Les principaux avantages de l'enroulement en tambour consistent en:

a) l'économie de fil ; b) la réduction des déperditions ; c) la facilité d'y exécuter les réparations.

Dans l'anneau de Gramme, la moitié des enroulements n'interceptent pas le champ magnétique. Ils se trouvent placés sur la face interne de l'anneau de fer, cependant que les lignes de force se déplacent à l'intérieur même de l'anneau.

Dans l'induit en tambour, tous les enroulements sont disposés sur le pourtour du noyau de fer. Les lignes de force sont captées par chaque fil conducteur, et elles sautent du pôle en fer au noyau en fer de l'induit.

Le noyau de l'induit en tambour est entièrement en fer, à comparer avec l'entrefer dans l'anneau de Gramme. L'air amortit l'énergie des lignes de force. L'induit en tambour est donc plus efficace.

De plus, il est difficile de réparer les induits en anneau — les enroulements en séries doivent être remplacés à la main, et épissés avec la partie intacte de l'enroulement total.

Dans l'enroulement en tambour, toute bobine endommagée peut être enlevée individuellement, réparée, remise en place, et reconnectée par soudure aux segments intéressés du collecteur.

La fig. 33 représente l'enroulement moderne d'un induit en tambour. Remarquez le grand nombre de bobines et de segments du collecteur, assurant un potentiel ou voltage élevé et stable.

Fig. 33.— Induit moderne en tambour, avec ses multiples segments.

La fig. 34 illustre les quatre parties principales d'une génératrice: la culasse, l'induit, le collecteur et l'équipement du balai.

Fig. 34.— Les quatre parties principales d'un générateur ou dynamo.

Il faut retenir parfaitement le nom de ces pièces, afin, dans la pratique, de ne pas embrouiller ni ennuyer ses confrères avec des expressions comme le chose, le machin, c't'afïaire-là, etc.

LA RÈGLE DES TROIS DOIGTS (MAIN GAUCHE)

Dans le cas particulier, très important, où la force électromotrice d'induction est due au déplacement d'un circuit ou d'une portion de ce circuit dans un champ magnétique fixe (cas des générateurs ou dynamos), la règle des trois doigts, appliquée avec la main gauche, donne le sens du courant induit:

l'index étant dirigé dans le sens des lignes de force, et le médius dans le sens du déplacement, le pouce indique le sens du courant induit. (Article 541, page 586, «Traité élémentaire de physique», J. Faivre-Dupaigre & E. Carimey, Masson & Cie, Éditeurs, Paris 1927, 7e édition).

Direction de la force électromagnétique qu'un champ magnétique exerce sur un courant.— Règle pratique réciproque de la règle d'Ampère.

II est aisé de voir que la règle d'Ampère, légèrement modifiée, permet de prévoir le sens du mouvement.

Dans l'expérience d'Oerstedt, le déplacement du pôle nord de l'aimant est tel, que pour l'observateur d'Ampère, le pôle nord s'éloigne vers sa gauche ; dans la roue de Barlow le courant mobile devra se déplacer de telle sorte que le pôle nord de l'aimant semble encore s'éloigner vers la gauche de l'observateur d'Ampère ; il faudra donc que le courant s'éloigne du pôle nord vers la droite de l'observateur d'Ampère.

On peut alors énoncer la règle suivante:

L'observateur d'Ampère faisant face à la région d'où viennent les lignes de force du champ (région nord du champ), la force électromagnétique, perpendiculaire au plan du courant et du champ, sollicite le courant vers la droite de cet observateur.

On a donné plusieurs énoncés permettant de trouver la direction de cette force; le suivant qu'on appelle la règle des trois doigts (main droite) est souvent d'une application simple.

Le pouce de la main droite étant dirigé dans le sens du courant, l'index dans le sens des lignes de force du champ, si on place le médius perpendiculairement au plan du pouce et de l'index, il indique la direction de la force.

Cette règle de la main droite s'applique tout particulièrement aux moteurs. Nous y reviendrons dans un ouvrage plus détaillé de notre «Encyclopédie de l'Électricité».