III- A : Principe de fonctionnement du moteur électrique

 

Ces moteurs fonctionnent en transformant l’énergie électrique en énergie mécanique via la génération de forces électro-magnétiques appelées forces de Laplace. Selon Wikipedia, cette force peut être représentée comme la "force électromagnétique qu'exerce un champ magnétique sur un conducteur parcouru par un courant" (17). Elle s'exerce donc lorsqu'un aimant et un objet traversé par un courant électrique sont mis en relation.

Pour trouver le sens de cette force, on peut réaliser une expérience assez simple avec un rail de Laplace (voir schéma ci-dessous) :

 

Cours loi de laplace 1

Schéma de rail de Laplace (29)

 

  • On place une tige métallique sur un rail de Laplace et on positionne un aimant en forme de U de telle sorte que la tige se trouve entre les deux pôles de l'aimant.  Lorsque l'on fait passer le courant dans la tige, celle ci est repoussée dans un sens ou dans l'autre selon le sens du courant et celui de l'aimant.
  • On en déduit qu'on peut trouver le sens de la force grâce à la règle des trois doigts de la main droite : on peut représenter chaque force par un vecteur dont le sens est déterminé par les trois premiers doigts de la main. Ici, l'index représente le sens du champ magnétique, le majeur le sens de la force de laplace et le pouce le sens du courant.

 

Force de laplace

Règle des trois doigts (30)

 

L'expérience a été reproduite au lycée.

 

 

Pour calculer cette force, on utilise la formule Flaplace = I*L*B*sin ð ou I est l’intensité du courant, L la longueur de la portion de conducteur en m, B la valeur du champ magnétique en Tesla et ð l’angle entre la direction du fil conducteur et la direction du vecteur champ magnétique (18).

 

Dans un rail de Laplace, l'angle ð entre et est de 90°. Sin(90) = 1

 

Donc F = I * L * B.

 

 

Un moteur électrique reste bien sûr un peu plus complexe qu'un simple rail de Laplace. Il n'est pas composé d'un simple fil, mais d'une bobine (appelée rotor) mise en rotation au milieu d'un champ magnétique généré par des aimants fixes  (appelés stator) (voir ci-dessous schéma d'un moteur simple) (19)

 

Vve

Schéma d'un moteur vu de l'intérieur (19)

 

De plus, comme on le voit sur le shéma ci-dessous, si le courant circule toujours dans le même sens, après un demi-tour, les forces de laplace vont s'inverser et le rotor chercher à repartir dans l'autre sens, conduisant en final à l'arrêt du moteur. Il est donc nécessaire d'inverser le sens du courant à intervalles réguliers. C’est pourquoi des commutateurs reliés à des balais sont installés au dispositif ce qui permet l'inversion permanente à chaque demi tour du sens du courant, et donc l'application des forces de Laplace dans le bons sens pour la rotation du rotor (19).

 

Figure a5

Schéma du fonctionnement d'un moteur (31)

 

 

 

 

 

 

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