Comme spécifié à la fin de la précédente leçon
intitulée "Induction électromagnétique", nous allons à présent analyser un nouveau type de courant totalement différent de celui considéré
jusqu'ici. Toutefois, vous connaissez certainement tous ce courant, du moins par le nom, puisqu'il s'agit du courant alternatif.
1. - LE COURANT ALTERNATIF :
Nous avons toujours examiné des circuits parcourus par le courant fourni par une ou plusieurs piles, courant appelé courant
continu parce qu'il possède toujours le même sens de circulation. Le courant circulant dans le circuit électrique de la figure 1-a est un courant continu.
Le courant parcourant ce circuit est toujours
dirigé, selon le sens conventionnel, du pôle positif au pôle négatif de la pile : il entre dans la résistance par l'extrémité repérée à l'aide
de la lettre A et sort par celle repérée à l'aide de lettre B. Dans un tel circuit, la tension engendrant le courant continu est appelé tension
continue. Il existe par contre d'autres types de générateurs, lesquels délivrent un courant, qui, par ses caractéristiques est appelé courant alternatif.
Pour comprendre la différence entre ces deux types de courant, il est nécessaire tout d'abord de se référer à la figure 1-b. Celle-ci représente le même circuit électrique que la figure 1-a, à la
différence près qu'il est alimenté par un générateur de courant alternatif dont nous pouvons noter au passage le symbole graphique.
Dans cette figure 1-b, les polarités du générateur de courant alternatif, indiquées par les signes "+" et "-" sont identiques aux polarités
apparaissant dans le circuit de la figure 1-a. En conséquence, dans ces deux cas de figure, le courant circule dans le même sens traversant la résistance de A vers B.
Cependant, dans le cas d'un générateur alternatif, le courant ne circule dans un sens que durant un temps très bref,
au bout duquel il s'inverse. Nous sommes alors en présence de la figure 1-c où les polarités du générateur sont inversées et où le courant traverse la résistance de B vers A.
Même dans ce nouveau sens de circulation, le courant ne persiste que durant un temps très bref pour ensuite revenir dans le cas de la figure 1-b et ainsi de suite.
Nous pouvons dire que le
courant change périodiquement son sens de circulation, autrement dit qu'il parcourt la résistance alternativement de A vers B et
de B vers A durant des
périodes de temps très brèves. de cette explication, nous comprenons l'origine de l'appellation du courant alternatif.
L'intensité d'un courant alternatif varie
constamment, dans le cas de la figure 1-b elle augmente de zéro jusqu'à une valeur maximale déterminée par le générateur et la résistance, puis diminue
pour revenir à zéro. A l'instant où l'intensité est nulle, le générateur inverse ses polarités, nous sommes dans le cas de la figure 1-c, l'intensité
augmente à nouveau jusqu'au même maximum que précédemment et redescend ensuite à zéro. A cet instant, il se reproduit un changement de polarités et le cycle recommence.
Du moment que la résistance est fixe, les variations d'intensité du courant I ne peuvent être dues qu'à des variations
analogues de la tension fournie par le générateur. Cette tension possède les mêmes caractéristiques que le courant qu'elle fournit et est appelée tension alternative.
Il existe donc bien deux types fondamentaux de courant électrique qui sont :
Le courant continu symbolisé par le sigle C.C. et le courant alternatif symbolisé par le sigle C.A.
Il est bon de se rappeler que le courant alternatif est beaucoup plus répandu que le courant continu, puisqu'il est
utilisé dans l'industrie et dans les habitations. Le courant alternatif est produit au moyen de générateur appelés alternateurs et installés dans les centrales électriques.
1. 1. - PRODUCTION DU COURANT ALTERNATIF
Pour comprendre comment le courant alternatif peut périodiquement changer son sens de circulation et faire varier son intensité, il nous faut considérer le principe de fonctionnement d'un générateur de courant alternatif.
Le fonctionnement d'un tel générateur est fondé sur le phénomène de l'induction électromagnétique analysé dans la leçon théorique
précédente. En effet, ce générateur comporte un circuit inducteur alimenté en courant continu pour produire le flux d'induction nécessaire, et un circuit induit dans lequel est précisément induit le courant alternatif désiré.
Figure 2 sont représentés de façon très simplifiée ces deux circuits.
Le circuit inducteur est formé de deux enroulements reliés en série et alimentés par une pile. Entre ces deux enroulements est disposé le circuit induit représenté figure 2 par une simple
spire. Les extrémités de cette spire constituent les pôles du générateur et sont reliées à une résistance qui représente le circuit extérieur au générateur. Avec cette disposition, la spire du circuit induit est traversée par les lignes
d'induction du flux produit par le circuit inducteur.
La variation du flux inducteur nécessaire à la création d'un courant induit dans la spire est obtenue dans notre cas par une
rotation du circuit inducteur complet autour de la spire. Dans la figure 2, les flèches représentent le sens de rotation tandis que le point 0 matérialise le
centre du mouvement. Il faut noter que la rotation a lieu à vitesse constante.
Figure 3 sont montrées huit positions différentes prises par le flux d'induction durant un tour complet du circuit inducteur
(circuit qui n'est plus représenté dans le but de ne pas surcharger les figures).
Le circuit inducteur est supposé mettre huit secondes pour accomplir un tour complet et met donc une seconde pour passer d'une position à la suivante.
En suivant les exemples de la figure 3, nous voyons immédiatement pourquoi le générateur intervertit à un certain moment ses polarités et en conséquence inverse le sens de circulation de son courant.
Partons de la figure 3-a dans laquelle la spire est totalement traversée par le flux inducteur et considérons ce qui se produit durant la seconde pendant laquelle le flux se déplace pour atteindre la
position de la figure 3-b. Durant cette seconde, le flux s'est déplacé d'un angle de 45° soit un huitième de tour dans le sens indiqué par la flèche. La
conséquence de cette rotation est que, comme le montre la figure 3-b, la spire n'est plus traversée par la totalité du flux d'induction puisque certaines des lignes de ce flux sont extérieures à la spire.
A cause de la diminution du flux embrassé, il s'induit dans la spire un courant I dont le sens de circulation est tel, qu'il
produit à son tour un flux d'induction dirigé dans le même sens que celui du flux inducteur et ceci selon la loi de LENZ. Nous connaissons donc le sens des
lignes d'induction du flux induit dans la spire et en appliquant la règle du tire-bouchon, nous déduisons le sens de circulation du courant I dans la spire. Dans le circuit extérieur au générateur, autrement
dit dans la résistance, le courant circule de A vers B. Puisque selon son sens conventionnel, le courant est dirigé du pôle positif du générateur à son pôle
négatif, nous pouvons indiquer les polarités apparaissant aux bornes de la spire.
L'extrémité de la spire reliée au point A est
de polarité positive tandis que celle reliée au point B est de polarité négative.
Continuant sa rotation, le flux embrassé par la spire diminue et s'annule complètement au bout de 2 secondes lorsqu'il atteint
la position de la figure 3-c. Durant cette deuxième seconde, le flux inducteur a tourné d'un nouveau huitième de tour ce qui fait en tout un quart de tour
par rapport à la figure 3-a soit un angle de 90°. A l'instant où le flux traversant la spire s'annule, le courant induit I circule encore dans le même sens que précédemment et ceci toujours pour produire un
flux dirigé de la gauche vers la droite dans le but de contrecarrer l'annulation du flux embrassé par la spire. A partir de la position de la
figure 3-c, le flux embrassé par la spire recommence à augmenter compte tenu de la rotation. Lorsque ce flux a accompli encore un huitième de tour durant la
troisième seconde, il décrit depuis sa position de départ un angle de 135°. Un certain nombre des lignes d'induction de ce flux traverse à nouveau la
spire. En raison de la rotation du flux, ses lignes d'induction sont à présent dirigées de la droite vers la gauche. Le flux inducteur augmente : le
courant induit engendré dans la spire pour contrecarré cette augmentation doit produire un flux de sens opposé, donc dirigé de la gauche vers la droite.
Cette orientation est la même que dans le cas des figures 3-b et 3-c, en conséquence, le courant induit I circule toujours dans le même sens.
Le courant induit continue à circuler dans ce sens jusqu'à ce que 1 seconde plus tard, le flux inducteur atteigne la position
de la figure 3-e ayant accompli un demi-tour (le flux est totalement embrassé par la spire). Sur cette figure, il n'est plus représenté de courant induit pour la raison que nous verrons plus tard. Une seconde après, le flux a encore
tourné d'un huitième de tour et se trouve dans la position de la figure 3-f (angle de rotation de 225°). Le flux traversant la spire a de nouveau diminué
et le courant induit I, pour contrecarré cette diminution, doit créer un flux d'induction dirigé dans le même sens que
le flux inducteur, soit de la droite vers la gauche, et ceci, toujours selon la loi de LENZ.
(Pour en faciliter la compréhension de la figure 3 ci-dessus, nous le reportons la même figure).
Connaissant donc le sens des lignes d'induction du flux induit dans la spire et en appliquant la règle du tire-bouchon, nous déduisons le sens de circulation du courant I dans la spire.
Dans le circuit extérieur au générateur, autrement dit dans la résistance, le courant circule de B vers A. Puisque selon
son sens conventionnel, le courant est dirigé du pôle positif du générateur à son pôle négatif, nous pouvons indiquer figure 3-f les nouvelles polarités apparaissant aux bornes de la spire.
L'extrémité de la spire reliée au point A est de polarité négative tandis que celle reliée au point B est de polarité positive.
Nous voyons donc qu'en correspondance de l'inversion du sens de circulation du courant, les polarités
du générateur s'inversent également.
Le sens du courant induit s'inverse dès que le flux à dépassé la position de la figure 3-e et continue à circuler dans ce
nouveau sens jusqu'à ce que le flux, après avoir passé les positions des figures 3-g (angle de 170°) et 3-h (angle de 325°) revienne à sa position initiale qui est celle de la figure 3-a ayant ainsi accompli un tour complet (360°).
Lorsque le flux atteint cette position, le sens du courant induit s'inverse de nouveau et le cycle recommence si, bien sûr, le
mouvement rotatif appliqué au circuit inducteur est maintenu. En conclusion, nous pouvons dire que le courant circule dans un sens pendant un demi-tour du
flux d'induction et en sens contraire durant le demi-tour suivant, cette inversion de sens s'effectue lorsque les lignes d'induction du flux inducteur sont horizontales, cas des figures 3-a et 3-e.
Puisque tout courant résulte d'un déplacement d'électrons, son inversion se matérialise donc par une inversion du sens de déplacement
des électrons qui le constituent. Pour que ceci se produise, les électrons doivent d'abord stopper leur mouvement dans un sens avant de repartir dans
l'autre. Il existe donc un instant durant lequel les électrons sont immobiles.
Cette immobilité des électrons se traduit par l'absence du courant I dans les figures 3-a
et 3-e. Dans ces deux figures, l'intensité du courant I traversant la résistance est nulle.
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