Mécanisme moteur ou générateur et conversion d’énergie

Publié le 18 janvier, 2024

Moteur vs générateur

Lorsque vous essayez de déterminer la différence entre un moteur et un générateur, gardez à l’esprit que la différence réside en termes d’entrée et de sortie. Un moteur transforme l’énergie électrique en énergie mécanique. Il s’agit d’une application d’une force magnétique agissant sur un fil porteur de courant. Un générateur, en revanche, fonctionne à l’opposé de celui d’un moteur. Il transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. Les moteurs et les générateurs ont ouvert la voie au progrès de la technologie et de l’ingénierie. Ce sont des appareils essentiels qui rendent la vie quotidienne plus facile et plus confortable.

Les moteurs sont utilisés dans une large gamme d’applications, des simples outils quotidiens aux machines industrielles. Les moteurs se trouvent dans les ventilateurs électriques, les mélangeurs, les machines à laver, les tapis roulants et les escaliers mécaniques. Les équipements lourds utilisent également des moteurs pour déplacer les engrenages et les pistons, comme ceux que l’on trouve dans les bulldozers et les excavatrices. Les générateurs sont principalement utilisés comme alimentation de secours lors de pannes de courant dans les structures résidentielles, les bâtiments commerciaux et autres établissements.

Un ventilateur électrique utilise un moteur, lui permettant de tourner lorsqu’il est branché sur une source d’alimentation.

moteur électrique dans un ventilateur électrique

Générateur : énergie mécanique en énergie électrique

Qu’est-ce qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique? Un générateur est utilisé comme appareil ou machine pour convertir l’énergie mécanique en énergie électrique. Il se compose de bobines de fil attachées à une armature qui peut tourner lorsqu’elle est exposée à un champ magnétique changeant. L’essieu, ou l’arbre, d’un générateur peut tourner mécaniquement en utilisant les chutes d’eau, de vapeur ou l’énergie cinétique du vent. Cette rotation dans un champ magnétique externe uniforme induit une force électromotrice (fem) sur la bobine en rotation, permettant au courant de circuler sur celle-ci et vers le circuit externe qui y est attaché. Cela signifie que l’entrée dans un générateur est de l’énergie mécanique, tandis que la sortie est du courant électrique.

Considérons une boucle rectangulaire de fil placée dans un champ magnétique externe. Étant donné que la bobine tourne manuellement dans un champ magnétique uniforme, les charges présentes dans le fil subissent une force magnétique. Il induit une force électromotrice dans la boucle du fil et permet aux charges de se déplacer dans le conducteur, en particulier vers les segments verticaux de la boucle où la force magnétique agit parallèlement au fil. C’est ainsi que l’électricité est produite dans les réseaux électriques modernes et permet aux humains de profiter du confort apporté par l’électricité.

Lorsqu’une boucle rectangulaire tourne dans un champ magnétique externe, une force électromotrice est induite, entraînant un courant à travers la boucle et un circuit externe.

schéma de générateur qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique

Moteur électrique : de l’énergie électrique à l’énergie mécanique

Comme mentionné précédemment, un moteur transforme l’énergie électrique en énergie mécanique. Il est produit à partir du couple produit par une boucle conductrice de courant placée dans un champ magnétique externe uniforme. Considérons une boucle rectangulaire placée sur un champ externe uniforme et attachée à un arbre vertical rotatif. Lorsque le courant commence à circuler dans la boucle rectangulaire, ses segments horizontaux restent stationnaires car ils sont parallèles au champ magnétique. De ce fait, aucun couple n’est exercé sur celui-ci. En revanche, les segments verticaux sont perpendiculaires au champ magnétique, permettant au champ magnétique d’exercer une force sur ces segments de boucle. Ces forces magnétiques fournissent un couple net sur la bobine, entraînant une rotation dans le sens des aiguilles d’une montre.

Une boucle conductrice de courant placée dans un champ magnétique uniforme subit un couple, entraînant sa rotation. (I est le courant, B est le champ magnétique et F est la force magnétique)

schéma d'un moteur électrique qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique

Un moteur est généralement fixé à un arbre ou à d’autres accessoires, ce qui permet de l’utiliser dans une large gamme d’applications telles que les ventilateurs électriques, les mélangeurs, les robots culinaires, les escaliers mécaniques et bien d’autres encore.

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Électromagnétisme

La loi d’induction de Faraday stipule qu’un champ magnétique changeant induit une force électromotrice (fem). Michael Faraday (1791-1867) a découvert la relation entre les deux grâce à une expérience. Son dispositif expérimental consiste en une bobine de fil connectée à une batterie. Une fois allumé, le courant circulant dans la bobine de fil produit un champ magnétique et est intensifié en plaçant la bobine dans un noyau de fer en forme d’anneau. Un autre circuit composé d’une bobine de fil enroulé autour du même noyau de fer a été connecté à un galvanomètre, un appareil capable de détecter et de mesurer des quantités minimes de courant. De plus, aucune batterie n’était connectée au deuxième circuit.

Un schéma de la configuration utilisée par Michael Faraday lors de son expérience sur l’induction électromagnétique.

Expérience d'induction électromagnétique de Michael Faraday

Il a d’abord utilisé une quantité constante de courant dans le premier circuit dans l’espoir d’induire un courant dans le deuxième circuit. Malheureusement, aucun courant induit n’a été détecté par le galvanomètre. Cependant, il remarqua que l’aiguille du galvanomètre déviait au moment où il fermait le circuit. Puis, il a dévié dans la direction opposée lorsqu’il a ouvert le circuit. En utilisant ces observations, Faraday a conclu qu’un champ magnétique changeant, comme il l’a observé lors de la fermeture et de l’ouverture du circuit, peut produire un courant. Mais un champ magnétique constant ne produit pas de courant dans le conducteur du deuxième circuit. Le courant produit dans le deuxième circuit en raison du champ magnétique changeant du premier circuit est appelé courant induit. Le processus par lequel la force électromotrice est induite par le champ magnétique changeant est appelé induction électromagnétique.

Une autre variante utilisée par Faraday dans son expérience consiste à déplacer un aimant dans et hors d’une bobine de fil connectée à un galvanomètre. Lorsque l’aimant est déplacé rapidement dans la bobine de fil, l’aiguille du galvanomètre est déviée, ce qui signifie qu’un courant est induit dans le fil. Lorsque l’aimant est également rapidement retiré du fil, l’aiguille du galvanomètre est déviée dans la direction opposée. L’inverse produit également le même résultat, à savoir que l’aimant reste stationnaire et que la bobine de fil s’éloigne et se rapproche de l’aimant. Une force électromotrice est également induite et le courant circule dans le fil au cours du processus. Ainsi, un mouvement relatif est nécessaire pour induire une force électromotrice, que ce soit l’aimant ou la bobine qui se déplace.


Il existe deux types de flux de courant: AC et DC. Le courant continu (ou DC ) est caractérisé par un courant circulant dans une seule direction. Le courant alternatif (ou AC ), quant à lui, fait référence au type de courant qui change périodiquement de direction. Un exemple courant de courant continu est le flux de charges dans un circuit simple composé d’une ampoule, d’un fil et d’une batterie. Les courants dans les maisons et les établissements commerciaux utilisent le courant alternatif.

Les moteurs peuvent être classés en moteurs à courant continu et à courant alternatif. Les moteurs à courant continu utilisent du courant continu et le convertissent en énergie mécanique. Étant donné que les charges circulent dans une direction constante, la bobine de fil dans un moteur a tendance à subir une force qui pousse la bobine à tourner dans la direction opposée une fois qu’elle dépasse la direction verticale. Cela signifie que le courant doit changer périodiquement pour permettre à la bobine de fil de tourner en continu. Ceci est réalisé dans les moteurs à courant continu utilisant des collecteurs et des balais. Les collecteurs sont généralement fixés à l’arbre du moteur et tournent également tandis que les balais restent immobiles. Il garantit qu’à chaque demi-tour de la boucle, le courant s’inverse et permet à la bobine de tourner continuellement dans un sens. Les moteurs à courant alternatif, quant à eux, utilisent le courant alternatif et le convertissent en énergie mécanique. Étant donné que le courant s’inverse déjà périodiquement, il n’est pas nécessaire de recourir à des collecteurs, contrairement aux moteurs à courant continu.

Les générateurs peuvent produire de l’électricité en courant alternatif ou continu. Les générateurs AC produisent des courants alternatifs avec une fréquence de 60 Hz ou 50 Hz. Un générateur CA typique se compose d’une série de bobines de fil attachées à l’essieu via l’armature. Il comprend également des bagues collectrices rotatives et des brosses fixes. Les générateurs à courant continu ont des pièces presque similaires à celles d’un générateur à courant alternatif, à l’exception de la bague collectrice remplacée par des collecteurs à anneau brisé similaires à ceux d’un moteur à courant continu. Cela garantit que le courant produit par le générateur est dans une seule direction constante.

Différence entre une bague collectrice et une bague brisée

bague collectrice vs bague fendue


Un moteur convertit l’énergie électrique en énergie mécanique tandis qu’un générateur transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. Un moteur est une application d’une force magnétique agissant sur un fil porteur de courant, tandis qu’un générateur utilise le concept de force électromotrice induite (fem) lorsqu’une bobine de fil tourne dans un champ magnétique externe. Les moteurs et les générateurs peuvent être à courant alternatif (courant alternatif) ou à courant continu (courant continu). Les moteurs à courant continu utilisent des balais et des collecteurs, que l’on ne trouve pas dans les moteurs à courant alternatif. Les générateurs à courant continu produisent un courant dans une direction à l’aide de commutateurs à anneaux brisés, tandis que les générateurs à courant alternatif produisent un courant alternatif à l’aide de bagues collectrices. Un moteur ne peut pas être un générateur en inversant simplement les composants internes mais en inversant l’entrée et la sortie. Pour un moteur, l’entrée est du courant électrique tandis que sa sortie est de l’énergie mécanique. Un générateur, quant à lui, nécessite un apport d’énergie mécanique et a une sortie de courant électrique.

Les moteurs et les générateurs utilisent le concept d’ induction électromagnétique, où un champ magnétique changeant induit une force électromotrice (fem) ou une tension. Il a été découvert par Michael Faraday lors de son expérience utilisant un galvanomètre, des bobines de fil, un noyau de fer et une batterie. Il a découvert qu’un champ magnétique changeant peut être obtenu soit en déplaçant une bobine de fil vers ou en l’éloignant d’un aimant, soit en déplaçant un aimant dans et hors d’une bobine de fil, à condition qu’il y ait un mouvement relatif entre ces composants. Ce champ magnétique changeant induit alors une force électromotrice, permettant aux charges de circuler dans la bobine de fil et le circuit externe qui l’accompagne.



Transcription vidéo

Moteurs et générateurs

Nous sommes tous passés par là : un instant, vous regardez votre programme préféré à la télévision et l’instant d’après, vous êtes dans le noir à cause d’une panne de courant. Dans un tel moment, vous souhaiteriez peut-être avoir une bougie ou une lampe de poche pour pouvoir voir dans votre maison sombre. Mais ce qui serait vraiment utile, c’est un générateur car il convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. Si le générateur était suffisamment puissant, vous pourriez l’utiliser pour rétablir l’électricité dans votre maison, au moins pendant un petit moment.

Maintenant que vous savez à quel point un générateur est pratique, vous pourriez être tenté de vous précipiter au magasin et d’en acheter un. Alors, vous montez dans votre voiture et vous y conduisez, vous en récupérez une et vous la ramenez à la maison. Une fois votre énergie rétablie, vous réalisez que dans l’obscurité, vous avez été maladroit et avez fait tomber votre assiette par terre. Alors, sortez l’aspirateur et commencez à le nettoyer. À ce stade, vous avez fait une chose incroyable : vous avez essentiellement inversé ce que le générateur avait fait ! À l’intérieur de l’aspirateur se trouve un moteur électrique qui convertit l’énergie électrique en énergie mécanique.

Bien que le générateur et l’aspirateur (ou tout autre appareil alimenté par un moteur) puissent remplir des fonctions différentes, ils sont en réalité les deux faces d’une même médaille. En fait, c’est le même appareil ! Dans un moteur électrique, l’entrée est de l’électricité et la sortie est de la puissance mécanique. Contrairement à cela, un générateur consomme de l’énergie mécanique et produit de l’électricité. Dans les deux cas, l’électricité circule – mais dans une direction différente !

Électromagnétisme

Les moteurs et les générateurs fonctionnent grâce à ce qu’on appelle l’induction électromagnétique. Découvert par Michael Faraday, c’est lorsqu’une tension est induite par un champ magnétique changeant. Avec l’induction électromagnétique, un courant électrique peut être produit dans une bobine de fil en déplaçant un aimant dans ou hors de cette bobine, ou en déplaçant la bobine à travers le champ magnétique. Quoi qu’il en soit, la tension est créée par le mouvement.

La quantité de tension induite dépend du nombre de boucles dans la bobine de fil, ainsi que de la vitesse à laquelle l’aimant se déplace dans la bobine. Un plus grand nombre de bobines signifie qu’une plus grande quantité de tension est induite. De même, plus l’aimant se déplace rapidement dans la bobine, plus vous obtenez de tension.

Quel est le rapport avec les moteurs et les générateurs ? Eh bien, un générateur produit de l’électricité en faisant tourner une bobine dans un champ magnétique stationnaire, et dans un moteur, un courant passe à travers une bobine, ce qui la force à tourner. Dans les deux cas, la loi de Faraday sur l’induction électromagnétique est utilisée, vous permettant de produire de l’électricité dans votre maison, puis de l’utiliser pour aspirer votre sol, laver votre vaisselle au lave-vaisselle, conserver les aliments frais dans votre réfrigérateur et bien plus encore.

Rappelez-vous plus tôt comment nous avons dit qu’un moteur et un générateur étaient le même appareil, mais produisant des résultats opposés? Ce que nous voulons dire ici, c’est que le flux d’électricité est inversé, et non que la machine elle-même fonctionne à l’envers. Ainsi, vous ne pouvez pas simplement prendre un générateur et le transformer en moteur en « inversant » les composants de la machine. De même, avec un moteur électrique, vous ne pouvez pas simplement actionner un interrupteur qui fait fonctionner les composants en sens inverse pour produire de l’électricité. Au lieu de cela, ce que vous devez changer, c’est la direction dans laquelle l’électricité circule: vers l’intérieur pour un moteur et vers l’extérieur pour un générateur.

Courant alternatif et continu

Avez-vous déjà entendu parler d’AC/DC? Nous ne parlons pas du groupe de rock australien – c’est une leçon de physique après tout ! Lorsque nous parlons de courant alternatif et continu pour les moteurs et les générateurs, nous parlons de courant alternatif et de courant continu. Comme son nom l’indique, le courant alternatif change de direction lorsqu’il circule dans un circuit. En revanche, le courant continu ne change pas de direction lorsqu’il circule dans un circuit.

Les moteurs et les générateurs sont généralement à courant alternatif ou à courant continu. Le type de courant utilisé dans l’appareil dépend de si vous êtes plus préoccupé par l’efficacité ou le coût. Par exemple, les moteurs et générateurs à courant alternatif sont plus efficaces, mais coûtent également plus cher. La plupart des appareils électroniques que vous utilisez, comme votre téléphone portable et votre tablette, dépendent du courant alternatif en raison de son efficacité. La plupart des voitures hybrides et électriques utilisent également du courant alternatif.

Vous avez probablement entendu parler de Thomas Edison et de Nikola Tesla, mais saviez-vous qu’ils étaient impliqués dans une bataille longue et acharnée autour de ces deux types de flux de courant? Croyez-le ou non, quelque chose d’aussi simple que les courants alternatifs et continus a longtemps provoqué des controverses et des conflits généralisés !

Alors qu’Edison était un fervent partisan du courant continu, Tesla soutenait l’utilisation du courant alternatif. Tous deux étaient des individus têtus et déterminés, et le conflit entre les deux hommes a conduit à des paris élevés, à des campagnes de diffamation et à des relations tendues entre les deux hommes. Finalement, parce que le courant alternatif est meilleur pour envoyer de grandes quantités d’énergie sur de longues distances, il a triomphé en tant que vainqueur de cette « bataille actuelle ». Aujourd’hui, votre maison, votre bureau et la plupart des autres bâtiments sont donc câblés pour le courant alternatif.

Résumé de la leçon

Bien que l’on puisse les appeler le même appareil, un générateur et un moteur électrique sont en réalité plutôt les deux faces d’une même pièce. Un générateur convertit l’énergie mécanique en énergie électrique, tandis qu’un moteur fait le contraire: il convertit l’énergie électrique en énergie mécanique. Les deux appareils fonctionnent grâce à l’induction électromagnétique, c’est-à-dire lorsqu’une tension est induite par un champ magnétique changeant.

Les moteurs et les générateurs sont généralement à courant alternatif ou à courant continu, ce qui signifie qu’ils fonctionnent en courant alternatif ou en courant continu. Tout comme leur nom l’indique, le courant alternatif change de direction lorsqu’il circule, tandis que le courant continu ne change pas de direction lorsqu’il se déplace dans un circuit.

La plupart des appareils que vous connaissez utilisent le courant alternatif car il est beaucoup plus efficace que le courant continu. Les véhicules hybrides et électriques, votre maison, votre téléphone portable et même votre bureau sont branchés au courant alternatif. Mais même s’ils utilisent le même courant, il est important de se rappeler que vous ne pouvez pas « transformer » un moteur en générateur ou un générateur en moteur. Ce qui est inversé, c’est le flux d’électricité, et non l’activité de la machine elle-même.

Résultats d’apprentissage

Une fois que vous avez terminé cette leçon, vous devriez être capable de :

  • Expliquez comment les générateurs et les moteurs électriques sont comme les deux faces d’une même pièce
  • Décrire le fonctionnement des générateurs et des moteurs grâce à l’induction électromagnétique
  • Différencier AC et DC et les avantages et les inconvénients de chacun


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