Fiche de révision : Fonctionnement des alternateurs

📋 Plan du Cours

1. Sources de champ magnétique
2. Induction électromagnétique
3. Constitution et types d’alternateurs
4. Conversion dans une centrale hydroélectrique
5. Énergie et rendement des convertisseurs
6. Puissance et transferts énergétiques

📖 1. Sources de champ magnétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Champ magnétique : Grandeur qui décrit les propriétés magnétiques en chaque point de l’espace environnant une source magnétique.

★ À maîtriser

• En 1820, Oersted montre qu’un fil conducteur parcouru par un courant électrique peut faire pivoter une aiguille aimantée, comme un aimant.

Compléments

• Un aimant et un fil conducteur parcouru par un courant électrique sont deux sources possibles de champ magnétique.

📖 2. Induction électromagnétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Induction électromagnétique : Phénomène par lequel un mouvement relatif entre une source de champ magnétique et un fil conducteur crée une tension et peut produire un courant induit.

★ À maîtriser

• Lors de l’expérience de Faraday en 1831, l’aimant immobile ne produit aucune indication de courant au galvanomètre, tandis que son approche de la bobine fait apparaître un courant. - Michael Faraday

• Dans une dynamo, la rotation de l’aimant crée une tension induite dans la bobine, puis un courant induit circule dans le circuit fermé et alimente la lampe.

Compléments

• Faraday utilise une deuxième bobine parcourue par un courant comme source de champ magnétique, équivalente à l’aimant dans l’expérience d’induction.

💡 Astuce mémo

Mouvement relatif aimant-bobine → apparition d’un courant induit.

📖 3. Constitution et types d’alternateurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Alternateur : Dispositif qui exploite l’induction électromagnétique pour générer une tension électrique et, dans un circuit fermé, un courant électrique.

★ À maîtriser

• Un alternateur comporte une source de champ magnétique, qui peut être un aimant ou un électroaimant, et un fil conducteur, le plus souvent une bobine.

📌 Dans un alternateur, l’élément mobile est le rotor et l’élément fixe est le stator.

Compléments

• Les alternateurs peuvent avoir un aimant mobile et une bobine fixe, ou un aimant fixe et une bobine mobile.

• Dans l’alternateur 3, le champ magnétique est créé par les bobinages du rotor alimentés par une tension continue.

💡 Astuce mémo

Rotor mobile, stator fixe.

📖 4. Conversion dans une centrale hydroélectrique

★ À maîtriser

• Dans une usine hydroélectrique, l’eau du lac de retenue passe par une conduite forcée et entraîne une turbine, qui met en mouvement l’alternateur ; l’électricité passe ensuite par un transformateur et une ligne à haute tension.

• L’alternateur de la centrale hydroélectrique de Serre-Ponçon produit environ 700 GWh d’énergie électrique par an à partir d’environ 735 GWh d’énergie mécanique apportée par la turbine.

Compléments

• La plupart des centrales électriques, qu’elles soient hydroélectriques, éoliennes, thermiques ou nucléaires, produisent de l’énergie électrique grâce à un alternateur.

💡 Astuce mémo

Eau du barrage → turbine → alternateur → transformateur → ligne.

📖 5. Énergie et rendement des convertisseurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie utile : Énergie exploitable fournie par un convertisseur.

★ À maîtriser

📐 Formule - La conservation de l’énergie dans un convertisseur s’écrit $E_{\text{reçue}} = E_{\text{utile}} + E_{\text{dégradée}}$.

📐 Formule - Le rendement d’un convertisseur est le rapport de l’énergie utile sur l’énergie reçue : $r = \frac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{reçue}}}$.

Compléments

• À Serre-Ponçon, la différence entre l’énergie mécanique reçue et l’énergie électrique produite est d’environ 35 GWh par an.

📖 6. Puissance et transferts énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Puissance : Grandeur qui décrit le caractère rapide d’un transfert d’énergie.

★ À maîtriser

📐 Formule - L’énergie transférée pendant une durée donnée vérifie $E = P\,\Delta t$.

📐 Formule - La puissance lors d’un transfert d’énergie est $P = \frac{E}{\Delta t}$.

Compléments

• L’unité légale de l’énergie est le joule, de symbole J, tandis que la facture d’électricité exprime l’énergie consommée en kilowattheures.

📐 Formule - Le rendement d’un convertisseur peut aussi s’exprimer par le rapport de la puissance utile sur la puissance reçue : $r = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{reçue}}}$.

• Au barrage des Trois-Gorges, chaque turbo-alternateur délivre 710 MW avec un rendement de 96 %.

• Avec une puissance électrique délivrée de 710 MW et un rendement de 96 %, la puissance fournie par l’eau à chaque turbo-alternateur est d’environ 740 MW.