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====== Bobines et compagnies ======
Les bobines font parties des composants de bases de l'électricité avec la résistance, le condensateur, la diode, etc. Elles sont par nature très simples à définir mais ont des propriétés assez étranges car elles créent un cham magnétiques assez fort pour être exploitable. Ceci les rend utiles pour déplacer de la matière et donc on les retrouve dans bons nombres d'appareils électriques. En plus de cela, elles permettent au sein d'un transformateur de convertir de l'énergie magnétique en énergie électrique afin de créer de nouvelles tensions.
Ce qui suit est basée sur la présentation donnée à l'Académie du Climat ({{:formation:bobines-etc-2023-10-08.pdf |présentation en pdf}} par Sylvain, RCP5). On verra donc les bobines : leur résistances et leur champs magnétique. Puis on s'intéressera à comment utiliser ce champ magnétique dans divers appareils électriques (électro-aimants, relais, haut-parleurs et moteur à courant continu). Enfin on verra qu'avec deux bobines et du métal, on peut former un transformateur afin de convertir une tension alternative en une autre de valeur différentes.
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==== Les bobines ====
=== Structure d'une bobine ===
Une bobines n'est rien d'autres que du fil entouré sur lui même créant des spires de façon cylindrique ou moins commun de façon torique (forme d'un beignet). Une bobine est donc défini par la longueur du fil (Lf), la taille du rayon des spires (Rs) et soit la longueur du cylindre (Lc) soit le grand rayon du tore (Rt). Très souvent il est plus utile de parler de la densité des spires (ρ) c'est à dire le nombre de spire (Ns) par unité de longueur, par exemple 100 spires par centimètre donne une densité de 100/0,1 = 1000 spires/mètres. Plus cette densité sera forte plus une bobine aura un fort champ magnétique. Mathématiquement, on peut dire qu'une spire à une longueur de fil de 2πR si la spire est bien plane. Ainsi le nombre de spire est N = Lf / (2πRs). On peut enfin lier la longueur du cylindre du fil et le rayon des spires avec la densité des spires : \\
ρ = Lc / N = Lc / (Lf/2πRs) = Lc/Lf × 2πRs.
Il est aisé de créer sa propre bobine cylindrique. Il suffit pour cela de prendre un objet cylindrique solide et de l'entourer de fil électrique. Cela marche bien avec un crayon à papier ou un rouleau cylindrique en carton assez résistant. Bien évidemment il faut que le fil soit isolé sinon le courant électrique ne parcourra pas toutes les spires mais ira en ligne droite. Ce besoin d'isolation on le voit dans les bobines via leur couleur orange. En effet, afin de maximiser la densité des spires, les fils n'ont pas d'isolation faite de gaine en plastique, trop grosse, mais ils sont recouverts d'une couche fine d'émail isolant de couleur orange.
=== Résistance d'une bobine ===
Comme une bobine est simplement du fil plus ou moins long enroulé autour d'un cylindre ou d'un tore, une bobine a alors une certaine résistance comme pour un fil. Pour rappel, la valeur de la résistance d'un fil dépend de trois paramètres : la nature du métal noté ρ, la longueur du fil L et la section de ce dernier noté σ. Notez que la section n'est rien d'autre que la surface du fil quand on le sectionne. Ainsi pour un fil de diamètre d = 2r, sa section vaut π*d2/4 = π*r2. Détaillons chaque paramètre. La nature du métal est un paramètre assez intuitif ; certain métaux conduisent mieux que d'autres l'électricité car à forme identique un fil d'un métal aura une résistance plus petite qu'un fil d'un autre métal. Par exemple le cuivre est un très bon conducteur meilleur que la fer car pour un même type de fil le cuivre aura une résistance presque 6 fois plus petite qu'un fil de fer. Le second paramètre est la longueur du fil. Il est facile à comprendre que plus un fil est long, plus sa résistance sera grande car le courant doit traverser une plus grande longueur. Enfin, le dernier paramètre est la section du fil. Ici, il faut faire plus attention mais cela reste assez logique ; plus le fil à une grande section moins grande est sa résistance. Il faut voir cela un peu comme un tuyau ; plus le tuyau a un grand diamètre plus l'eau passera sans résistance du fait du frottement à la paroi. Ainsi chez vous les fils devant faire passer de grands courants électriques, plus de 20 ou 30 A, sont plus gros que ceux devant faire passez des plus petit courant 1-5 A.
Il est possible de déterminer une relation mathématique résumant tout le précédent paragraphe afin de déterminer la résistance d'un fil : la valeur de la résistance d'un fil est R = ρ L / σ avec ρ la résistivité du matériau en Ω.m, L la longueur du fil en m et σ sa section en m2. Voyons quelques application numériques. Soit un fil de cuivre de 1 m et ayant un diamètre de 2 mm, alors sachant que la résistivité du cuivre est 17x10-9 Ω.m, sa résistance sera alors R = 17×10-3×1/(π×22) = 1,35×10-3 = 1,35 mΩ, non mesurable par un multimètre classique. Prenons maintenant le cas d'un câble reliant une maison isolée d'une ville distantes de 2 km, alors R = 17×10-3×2000/(π×22) = 2,7 , Ω la valeur n'est plus négligeable. Finissons avec un cas extrême, un fil de fer (ρ du fer vaut 100*10-9 Ω.m) dans une bobine électrique de longueur 100 m avec un diamètre de 0,4 mm, sa résistance vaut alors R = 100*10-3×100/(π×0,22) = 20 Ω, plus du tout négligeable.
Pour les bobines, il n'est pas rare d'avoir du fil très fin et très long. Le résultat est une résistance non négligeable qui peut aller jusqu'à des centaines d'Ohm.
=== Champ magnétique d'une bobine ===
Une bobine cylindrique a la particularité très intéressante de se comporter comme un aimant cylindrique avec un pôle négatif d'un côté et positif de l'autre quand un courant la traverse. Ce champ magnétique fait que la bobine comme un aimant va attirer ou repousser des objets métalliques sensibles au champ magnétique. Deux bobines peuvent se repousser ou s'attirer en fonction de l'orientation de leurs pôles.
Le champ magnétique d'une bobine dépend de plusieurs facteurs : la densité des spires et le courant électrique. Plus la densité des spires et le courant électrique sont grand plus le champ sera grand. On peut schématiser cela par une relation mathématique B = constante × densité × Intensité. Si vous multipliez par deux l'intensité ou la densité le champ sera multiplié aussi par deux. La position des pôles dépend du sens du courant électrique. Si vous inversez le sens du courant électrique les pôles changent de sens. Par exemple, si deux bobines s'attirent, il suffit de changer le sens d'une des deux bobines pour qu'elles se repoussent.
Bien que les bobines créent un champ magnétique ce dernier n'est pas forcément très fort surtout si le courant électrique n'est pas très grand. Afin d'augmenter la force du champ magnétique il est fréquent de rajouter un métal à l'intérieur de la bobine qui va devenir à son tour un aimant et de ce fait augmenter le champ magnétique. On place souvent du fer doux à l'intérieur d'une bobine. Cela permet de multiplier la force du champ magnétique par 100.
=== Bobine et courant continu ===
Que se passe-t-il si on branche une bobine à une source de tension continu tel qu'une pile ? La bobine n'étant qu'un fil, on peut se dire que l'on va créer un court-circuit. Pas forcément car pour une bobine la résistance du fil est souvent non négligeable. Donc la bobine se comportera plutôt comme une résistance. L'intensité qui passera dans la bobine sera égal à I = U/R avec U la tension et R la résistance de la bobine. Quelle différence avec une résistance classique. Premièrement, la bobine a tendance à s'opposer au changement d'intensité la traversant. Ainsi avant d'être branché la bobine a une intensité nulle la traversant. Lorsqu'on la branche à la pile son intensité va devenir I = U/R mais cela va prendre un certain temps qui est souvent tellement petit qu'il est imperceptible. Ce temps correspond à la création du champ magnétique autour de la bobine. Un fois que le courant est arrivé à U/R, le champ magnétique est lui aussi constant. Une bobine traversée par un courant constant est un peu comme une résistance avec un champ magnétique autour d'elle. Que se passe-t-il quand on coupe le circuit ? Ici encore la bobine va s'opposer au changement de l'intensité la traversant. En coupant le circuit, on va faire passer l'intensité de I à 0 en un temps très court, une fois que l'intensité sera nulle son champ magnétique le sera aussi. C'est l'énergie du champ magnétique qui va tenter de s'opposer au changement d'intensité en poussant les charges électriques. Ainsi lorsque l'on coupe le circuit, le champ magnétique va décroître et créer une surtension à l'endroit où l'on coupe le circuit afin de laisser passer le courant. Le résultat est la formation d'une étincelle parfois visible avec de grosses bobines et de grands courant électriques. Cette étincelle est dûe au passage de l'électricité dans l'air. Normalement, l'air est un très bon isolant et l'électricité ne passe pas à travers l'air. Cependant pour des tensions assez grandes et des fils assez proche l'air peut devenir conducteur via la formation d'un éclair miniature. C'est le même phénomène qui se passe mais à plus grande échelle avec les éclairs. Cette faculté de créer des étincelles peut être utile par exemple pour enclencher une combustion.
Pour une autre approche voir :
[[https://www.youtube.com/watch?v=16TAJREID_0 | Les inducteurs expliqués]]
[[https://www.youtube.com/watch?v=0seLdss_Nm4 | Les bases des solénoïdes expliqués]]
=== Test de compréhension ===
Vrai ou Faux :
* La densité des spires dépend de la longueur du cylindre et du nombre de spires
* La longueur du fil d'une bobine défini le nombre de spire
* Une bobine se comporte comme une résistance
* Une bobine n'a pas de résistance
* La résistance d'un fil dépend uniquement de sa longueur et de son diamètre
* La résistivité d'un fil dépend de sa forme et non de sa nature
* Plus une bobine est longue, plus son champ est grand
* Une bobine a toujours la même polarité
* Deux bobines cylindriques alignées peuvent s'attirer ou se repousser
* Si vous multipliez par trois l'intensité d'une bobine vous faîtes de même pour son champ magnétique
* En multipliant par deux la densité des spires d'une bobine, on multiplie par quatre son champ magnétique
Un peu de calcul :
1) Soit une bobine de longueur de 2 mètres avec un diamètre de 2 cm et du fil de 2 mm de diamètre. Combien de spire à-t-elle ? Si les spires sont collées côte à côte, quelle est la longueur du cylindre et donc la densité des spires ?
2) Soit une bobine de cuivre faite d'un fil de cuivre d'un diamètre de 1 mm et de 200 spires de 3 cm de diamètre. Quelle est la longueur du fil ? Quelle est la résistance de la bobine ?
3) Soit une bobine créant un champ magnétique de 1 mT (milli-Tesla). Si on lui triple son intensité et double sa densité spirale, quel sera son champ magnétique ?
Réponse :
Vrai ou Faux :
* Vrai, densité = nombre de spire / longueur cylindre
* Faux, il faut aussi prendre en compte le diamètre des spires
* Faux, une bobine a une résistance mais elle ne se comporte pas comme une résistance par exemple elle crée un champ magnétique ce que ne fait pas une résistance
* Faux, toute bobine a une résistance plus ou moins grande
* Faux, cela dépend aussi de la nature du fil
* Faux, cela dépend seulement de la nature du fil, cuivre, fer, etc
* Faux, vous pouvez avoir une bobine très longue mais avec peu de spires et un plus courte mais avec bien plus de spire. C'est la deuxième qui aura le champ magnétique le plus fort car sa densité de spires est plus grande à intensité égale
* Faux, la polarité dépend du sens du courant électrique
* Vrai, cela dépend de leur polarité donc du sens du courant électrique
* Vrai, le champ magnétique est proportionnel à l'intensité
* Faux, le champ magnétique est proportionnel à la densité des spires ; multipliez l'un par deux l'autre sera aussi multipliez par deux
Un peu de calcul :
1)
2)
3)
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==== Utilisation d'une bobine ====
=== Les électro-aimants ===
Lorsqu'une bobine est utilisé pour ses propriétés magnétiques, on parle d'électro-aimant. La bobine souvent muni de fer doux en son centre est en effet un aimant qui est piloté par le courant électrique passant par elle ; c'est donc un aimant électrique. Avec un courant assez fort, un électro-aimant est capable de porter des pièces métalliques de plusieurs dizaines voire centaines de kilos. Cela peut être utile pour déplacer des pièces métalliques dans une casse automobile par exemple.
=== Les relais ===
En électronique, il est intéressant de pouvoir manipuler un interrupteur automatiquement sans intervention humaine. Le relais est une des possibilités de réaliser cela.Il existe plusieurs type de relais mais le plus simple est constitué de quatre pattes : deux servant pour l'interrupteur (noté A et B) et deux pour contrôler cet interrupteur (C et D). A vide, les pattes A et B ne sont pas relié électriquement. Cependant, si un courant électrique assez fort passe entre C et D, cela créera une liaison électrique entre A et B comme si on avait actionné un interrupteur.
Le principe d'un relais est assez simple. Il y a une bobine entre les pattes C et D. Lorsque l'on fait passer un courant assez fort, cette bobine crée un champ magnétique qui fait bouger une pièce métallique qui permet la liaison entre les pattes A et B.
Il existe plein de type différent de relais. Les uns sont normalement fermé quand il n'y a pas de courant passant, les autres normalement ouvert ; les uns ferment un interrupteur, les autres en ferment deux ou plus. Néanmoins, toute cette pluralité tiens sur l'effet magnétique d'une bobine.
Souvent il n'est pas indiqué quelles pattes sont reliées à la bobine et quelles autres sont utilisées pour l'interrupteur. Pour trouver les pattes lié à la bobine, il faut tester au ohmmètre toutes les pairs de pattes jusqu'à trouver une résistance non nulle et non infinie, il y a de grande chance alors que les pattes soient reliées à la bobine.
Sur les relais vous pouvez lire l'indication 12 ou 24 V. On pourrait penser qu'il faut une tensions de 12 ou 24 V pour enclencher le relais. Ce n'est pas si simple. Par contre ce qui est simple c'est que si vous donnez du 12 ou 24 V constant à un relais, il va s'enclencher. Mais vous pourriez l'enclencher avec un tension plus faible. Souvent un relais peut s'enclencher avec une tension proche de la moitié de celle indiquée. Il n'est pas clair à quelle tension précisément le relais s'enclenche. De plus une fois enclenché, il ne se désenclenche pas pour la même tension. Prenons pour exemple un relais 24 V que l'on enclenche avec une tension constante minimale de 16 V. Il faudra peut être descendre à 5 V pour le désenclencher. Ainsi pour être sûr de passer d'un interrupteur ouvert à fermé, il faut être à 0 ou 24 V et éviter l'entre deux.
Par contre cette propriété de flottement pour le voltage d'enclenchement/désenclenchement permet de faire assez facilement une clignotant. Il faut pour cela prendre un relais inverseur de 24 V avec un condensateur de 1 mF et une source de tension constante de 24 V aussi et une résistance. Le principe est de faire augmenter lentement la tension du condensateur en parallèle de la bobine. Quand le condensateur sera assez chargé il enclenchera la bobine qui coupera l'arrivé du courant au condensateur pour le donner à une LED. Le condensateur se videra dans la bobine, sa tension chutera jusqu'à arriver à la tension de désenclenchement du relais. Un fois désenclenché, la LED s'éteint, le relais redonne du courant au condensateur qui se recharge et qui réenclenche le relais et tout recommence.
=== Les haut-parleurs ===
Le son est une vibration de l'air. Si on peut faire vibrer rapidement une membrane dans l'air, alors on peut créer du son. C'est sur ce principe que sont fait les haut-parleurs. Mais comment faire vibrer rapidement une membrane. C'est là qu'est utiliser une bobine. En effet, la membrane du haut-parleur est reliée solidement à une bobine. Au centre de cette bobine se trouve un aimant fixe. En faisant passer un courant alternatif dans la bobine, cette dernière va se comporter comme un aimant qui change rapidement de polarité. Ainsi la bobine va interagir avec l'aimant qui lui ne change pas de polarité. Tantôt la bobine va être poussé vers le haut, tantôt vers le bas et ainsi elle entraîne la membrane qui va elle aussi osciller. Le résultat est l'émission d'un son directement relié au courant passant par la bobine.
Si vous alimentez un haut-parleur avec une tension continu, vous verrez la membrane bouger lorsque vous fermerez et ouvrirez le circuit. Attention à ne pas mettre une tension trop forte car les résistances des haut-parleurs ne sont pas très élevé et vous risqueriez de le faire surchauffer. Si vous le faite assez rapidement, vous entendrez un grésillement et verrez la membrane bouger. Avec une tension alternative assez basse pour ne pas le faire surchauffez vous pourrez entendre un son qui sera une note grave de 50 Hz.
=== Les moteurs à courant continu ===
Une utilisation très importante des bobines est le monde des moteurs électriques. Bien qu'il existent des moteurs de tout type travaillant avec des puissances très différentes et avec des courants différents (continu, alternatif, triphasé), tous les moteurs électriques fonctionnent sur le même principe la répulsion de champ magnétique.
Nous allons voir ici un type de moteur : le moteur électrique à courant continu. Ce dernier est constitué de deux parties : le stator et le rotor. Le stator est un aimant statique comme son nom l'indique donc qui ne bouge pas et ne change pas de polarité dans le temps. La deuxième partie est le rotor qui lui est constitué d'une bobine qui peut bouger, tourner, au cours du temps. Le principe de ce moteur est simple, on envoie un courant dans la bobine du stator, cette dernière crée un champ magnétique qui interagit avec celui de l'aimant permanent. Les deux se repoussent et cela fait bouger le stator. Attention tout de même, il y a une subtilité. Si le rotor garde sa polarité, alors en tournant la bobine va positionner son pôle positif à côté de celui négatif de l'aimant permanent du stator et de même pour les autres pôles. Ce qui fait que les aimants vont s'attirer et que plus rien ne bougera. Pour que cette situation n'arrive pas, il faut que le rotor change de polarité à chaque demi-tour afin que rotor et stator se repoussent toujours et que le mouvement ne s'arrête jamais.
Si vous êtes intéressés par les autres types de moteurs, voici des liens pour découvrir plusieurs autres arrangements :
* **Moteur universel** (bobines + bobines + charbons et collecteur) [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_universel|wikipedia]], [[https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_motor|wkp english]]
* **Moteur à courant continu** (bobines + aimants + balais). [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_%C3%A0_courant_continu|wikipedia]]
* **Moteur asynchrone** (bobines en décalage par un condensateur + métal ou bobines) [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_asynchrone|wikipedia]]
* **Moteur brushless** ou **sans balais** (aimants + bobines pilotées par électronique) [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_sans_balais|wikipedia]]
* **Moteur pas à pas** (bobines + aimants) ou (bobines + réluctance variable) [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_pas_%C3%A0_pas|wikipedia]]
* **Moteurs en général** : [[https://academie.repaircafeparis.fr/index.php/comprendre/composants/electrotechnique/105-rcb-04-le-moteur-electrique|Repair Académie]] (principe, test, asynchrone et condensateurs)
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==== Les transformateurs ====
=== L'induction magnétique ===
Avec la bobine électrique, nous avons vu qu'un courant électrique circulant dans un fil pouvait créer un champ magnétique. Le phénomène inverse est possible, un champ magnétique peut induire un courant électrique dans un fil. Cependant, il faut ajouter une nuance. Il est nécessaire que ce champ magnétique soit variable, non constant. Cela peut se faire en plaçant un fil dans un champ magnétique variable ou bien en déplaçant un fil électrique dans un champ magnétique. Dans tout les cas, le résultat est la création d'un courant électrique. Ce courant sera d'autant plus fort que la variation du champ magnétique sera grande.
En conséquence, bouger un fil électrique dans un aimant permet de créer un courant électrique. Une énergie mécanique se transforme en énergie électrique. Ce principe est à la base des centrales électriques qu'elles soient nucléaire, thermiques, hydraulique ou à vent. Leur but est de faire tourner des fils électriques dans un aimant afin de générer un courant électrique. Si le principe paraît simple, la mise en pratique est plus difficile.
=== Utilisation d'un transformateur ===
Un transformateur est un appareil électrique assez simple mais très utile composé de quatre pattes, deux sont dites au primaire et deux au secondaire. Son rôle est de convertir des tensions alternatives en d'autres tensions alternatives de valeurs différentes avec en théorie aucune perte énergétique. Par exemple, il est fréquent de trouver des transformateurs convertissant du 230 V AC au primaire en du 24/12/9 V AC au secondaire. Cela permet de par exemple d'alimenter un poste de radio en 9 V alors qu'en 230 V, il serait détruit. Inversement et c'est plus rare, il existe des transformateurs qui ont pour but d'augmenter la tension. Un exemple typique est le micro-onde qui a un transformateur convertissant le 230 V AC du secteur au primaire en du 2500-2700 V AC au secondaire.
Si on suppose que le transformateur est parfait, il n'y a pas de perte énergétique. Ainsi la puissance du primaire P1 = UI I1 doit être égale à celle au secondaire P2 = U2 I2. Donc P1 = P2 et I2/I1 = U1/U2. Ainsi si un transformateur diminue la tension au secondaire, alors l'intensité sera plus grande au secondaire et vice-versa. Un transformateur permet alors d'avoir un fort courant électrique et une petite tension au secondaire et une haute tension et un faible courant électrique au primaire.
Une utilisation de cette propriété est le soudure par point. Le but est de faire passer un fort courant à travers deux métaux de faible épaisseur afin de les chauffer, de les faire fondre et de les souder. Il est possible de faire cela avec un transformateur qui au primaire a du 230 V avec 10 A et au secondaire 2-3 V et alors 1000 A.
=== Explication d'un transformateur ===
Comment est-il possible de convertir des tensions alternatives en d'autres tensions alternatives ? Cette propriétés est le résultat de l'utilisation de deux bobines connectés par du métal. En effet, les deux bobines forment les pattes du primaire et du secondaire. Ces bobines entourent un bloc métallique. La première bobine reçoit un courant électrique variable. Ce courant crée un champ magnétique. Ce champ magnétique interagit avec le bloc métallique qui diffuse ce champ vers l'autre bobine. L'autre bobine ressent ce champ magnétique variable et par induction crée un courant électrique.
On comprend par ce mécanisme qu'un transformateur ne marche qu'avec du courant alternatif. En effet, avec un courant continu passant par la bobine primaire, le champ magnétique formé sera lui aussi constant et alors il n'y aura pas d'induction possible dans la bobine du secondaire.
Le rapport des tensions entre les deux bobines dépend d'une chose simple le rapport des spires entre les deux bobines. Par exemple si la bobine au primaire à 100 spires et la bobine au secondaire à 10 spire alors le rapport des spires est 100/10 = 10. Donc la tension au secondaire sera 10 fois plus petite qu'au primaire. C'est la bobines qui a le moins de spire qui a la plus petite tension.
=== Propriétés des fils des bobines ===
Souvent sur un transformateur, une des bobines a un fil assez gros et l'autre assez petit. Prenons le cas d'un transformateur convertissant du 230 V/0,1 A AC en 9 V/2,5 A AC, le rapport des tensions donc des spires est de 25. La bobine primaire a alors 25 fois plus de spire que celle du secondaire. Si on prend le même fil pour les bobines primaires et secondaires alors la bobine primaire serait 25 fois plus massive que la secondaire. Pour éviter cela, le fil du primaire est alors plus petit. Cependant, un fil plus petit et 25 fois plus long aura une résistance bien plus grande. Donc la bobine du primaire aura une résistance bien plus grande que celle du secondaire. Cela n'est pas très grave car l'intensité du primaire est bien plus petite que celle du secondaire.
Enfin, il est assez facile de savoir si une bobine est endommagée ou pas. Il suffit de mesurer la résistance des deux bobines. Si une des deux a une résistance infinie, cela signifie que le fil est coupé et donc que le transformateur est hors service.
Pour certains transformateurs, il y a plusieurs bobines au secondaires ou alors la bobine est divisé en deux. Cela a pour effet de permettre d'avoir plusieurs tensions au secondaire.
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