Première approche de la production de l’électricité
- Qu’est-ce que le courant électrique ?
Réponse
Le courant électrique est un mouvement d’ensemble de charges électriques.
- Comment appelle-t-on le phénomène physique au cours duquel un courant électrique dans un conducteur est induit par le mouvement d’un aimant ?
Réponse
Ce phénomène est l’induction magnétique. Il intervient plus généralement chaque fois qu’un conducteur se trouve dans une zone dans laquelle le champ magnétique varie :
- Conducteur mobile dans un champ magnétique indépendant du temps (stationnaire) mais inhomogène dans l’espace ;
- Conducteur fixe dans un champ magnétique qui varie dans le temps.
- Combien de parties retrouve-t-on dans un alternateur ?
Réponse
Deux parties : aimant qui tourne et bobines (enroulements de fils électriques) fixes.
- La production d’électricité dépend-elle finalement des différentes sources d’énergies utilisées (gaz, charbon, pétrole, noyaux, etc.) ?
Réponse
- La production d’électricité est en fait identique dans tous ces cas : on fait tourner un axe auquel est attaché aimant de façon à produire un champ magnétique variable afin d’induire un courant électrique dans les bobines électriques placées autour.
Fonctionnement (trop) détaillé d’un alternateur
- Quelles sont les deux situations présentées qui permettent de réaliser le phénomène d’induction ?
Réponse
- Bobine (enroulement de fils conducteurs) mobile dans un champ magnétique constant ;
- Champ magnétique variable et bobine fixe.
- Quelle situation est retenue lors de la conception d’un alternateur ?
Réponse
- Champ magnétique variable et bobine fixe.
- Les deux parties principales d’un alternateur sont le rotor et le stator. Dire à quoi elles correspondent.
Réponse
- Partie mobile qui produit le champ magnétique variable : rotor.
- Partie fixe constituée des bobines électriques : stator.
- Un alternateur utilise-t-il réellement un aimant au niveau du rotor, comme présenté dans la première vidéo ?
Réponse
Utiliser des aimants est très peu pratique :
- ils sont généralement lourds ; il faut donc beaucoup d’énergie pour les mettre en mouvement et d’importantes contraintes mécaniques existent.
- il est impossible de faire varier l’intensité du champ magnétique si le besoin se fait sentir.
On génère donc le champ magnétique variable en faisant circuler un courant électrique continu dans des bobines fixées au rotor.
- De quoi dépend la fréquence du courant électrique induit ?
Réponse
La fréquence du courant électrique induit dépend du nombre de pôles sur le rotor et de la vitesse de rotation de ce dernier.
- Combien de fois par minute se reproduit un phénomène périodique de fréquence $f=\pu{60 Hz}$ ?
Réponse
La fréquence d’un phénomène périodique est le nombre de fois qu’il se répète identique à lui-même chaque seconde, donc $f=\pu{60 Hz} = \pu{60 s-1}$. On en déduit donc que $N = \pu{60 s-1} \times \pu{60 s} = \pu{3600}$. Le phénomène se produit 3600 fois par minute.
- Comment produit-t-on le courant électrique continu nécessaire à la génération du champ magnétique créé par les bobines attachées au rotor ?
Réponse
On utilise une source de courant continu externe ou un générateur alimenté par le même axe en rotation.
Rendement d’un alternateur
- Calculer la puissance $P_f$ fournie par l’eau à un turbo-alternateur du barrage des Trois-Gorges. En déduire le rendement $r$ du turbo-alternateur.
Réponse
- $P_f = h \cdot d \cdot \rho \cdot g$ donc $P_f = \pu{80,6 m} \times \pu{1065 m3.s-1} \times \pu{1,0e3 kg.m-3} \times \pu{9,81 m.s-2} = \pu{8,4e8 W}$.
- Rendement : $r = \dfrac{P_u}{P_f}$ donc $r = \dfrac{\pu{710e6 W}}{\pu{8,4e8 W}} = \pu{0,84}$. Le rendement est donc de 84 %.
- Proposer une explication à la différence entre la valeur du rendement calculée et celle annoncée.
Réponse
Lors de sa chute l’eau est soumise à des frottements, toute son énergie potentielle de pesanteur n’est donc pas convertie en énergie cinétique. La valeur calculée de $P_f$ est donc trop optimiste.
- La puissance délivrée par le second plus puissant barrage du monde, à Itaipu, est de 14 GW. Vérifier par le calcul que la puissance totale délivrée par le barrage des Trois-Gorges est environ une fois et demie supérieure.
Réponse
- Le barrage des Trois-Gorges est constitué de 32 turbo-alternateurs, la puissance totale délivrée est donc $P_t = 32 \times \pu{710e6 W} = \pu{22,7e9 W} = \pu{22,7 GW}$.
- $\dfrac{\pu{22,7 GW}}{\pu{14 GW}} = \pu{1,6}$ La puissance délivrée par le barrage des Trois-Gorges est 1,6 fois plus grande que celle délivrée par le barrage à Itaipu.