Moteur Ã courant continu

De Wikidebrouillard.

Modèle:Vidéo

Présentation de l'expérience

Le but de cette expérience est de réaliser un petit moteur électrique simple à l'aide d'objets de la vie courante.

Matériel

Un pique en bois (pique à brochette), environ quinze centimètres
Du fil électrique, environ 2 mètres
Une plaque de polystyrène d'environ 30 centimètres en longueur et 20 cm en largeur
Des aimants
Quatre clous
Du scotch
Une paire de ciseaux
Un cutter
Une pile électrique de 4,5 Volts

Expérience

Manipulation

a. Fabrication de la bobine

La bobine va constituer l'élément en rotation de notre moteur et s'appellera donc le rotor du moteur. Pour la réaliser, on prend la plaque de polystyrène et on en découpe une bande dont les dimensions sont d'environ trois centimètres en largeur et six centimètres en longueur. Puis on prend le pique en bois et on l'enfonce dans le morceau de polystyrène, de sorte que le pique traverse le polystyrène dans toute sa longueur. On a alors une pièce qui ressemble au schéma ci-dessous.

On prend ensuite un mètre à un mètre et demi de fil électrique. A l'aide de la paire de ciseaux, on dénude les deux extrémités du fil sur environ cinq centimètres (on enlève la gaine en plastique du fil). Puis, on place le fil électrique sur le pique et on enroule le fil autour du morceau de polystyrène. Après avoir enroulé tout le fil, il ne nous reste plus qu'à scotcher le fil électrique sur le pique en bois pour obtenir la pièce ci-dessous. La partie dénudée entre les morceaux de scotch constituent les collecteurs de notre moteur.

b. Fabrication du support

On prend le reste de la plaque de polystyrène. Puis à l'aide des clous que l'on place en chevalet (inclinés l'un par rapport à l'autre), on réalise deux supports. Une fois installé sur ces supports, la bobine doit pouvoir tourner librement, sans frotter sur la plaque de polystyrène.

c. Mise en place des aimants

De part et d'autre de la bobine, on place des aimants de telle sorte que les faces internes des aimants s'attirent mutuellement. Attention à ne pas trop rapprocher les aimants car sinon ils risquent de bloquer la rotation de la bobine sur son axe. L'ensemble aimants et support permet de constituer la partie fixe du moteur que l'on nomme stator.

d. Câblage de la pile

On prend le fil électrique restant et on le coupe en deux morceaux de même taille. On dénude les extrémités de ces deux morceaux à l'aide du ciseau. Une fois cette opération effectuée, on enroule une extrémité de chaque fil à chaque pôle de la pile (pôle + et –). L'extrémité libre de chaque fil sera utilisée pour permettre de transporter le courant entre la partie fixe et la partie mobile du moteur. Ces éléments sont nommés balais.

e. C'est parti

Il ne nous reste plus qu' à mettre en contact les extrémités des fils de la pile avec les fils de la bobine, à savoir connecter les balais aux collecteurs. Notre moteur tourne.

Observations

Quand on met en contact les fils reliés à la pile et les fils scotchés sur la bobine le moteur se met à tourner.

Explications

De manière simple

Les aimants possèdent un pôle nord et un pôle sud. Ces champs générent ce que l'on appelle un champ magnétique. Lorsque l'on place en vis à vis deux aimants, ceux-ci peuvent :

s'attirer si les deux pôles sont de polarité opposé (Nord – Sud ou Sud - Nord)
se repousser si les deux pôles sont de même polarité (Nord – Nord ou Sud – Sud).

Les bobines, comme celle que nous avons créée, possèdent elles aussi les mêmes caractéristiques lorsqu'elles sont parcourues par un courant. Ainsi, lorsque l'on fait passer du courant dans notre bobine, celle-ci se polarise de telle sorte que chacun des côtés de la bobine crée un champ magnétique identique à l'aimant qui lui fait face. Ce faisant, les deux aimants tendent à se repousser, provoquant la rotation de la bobine sur son axe.

Allons plus loin dans l'explication

a. Théorie

Comme nous l'avons dit précédemment, le passage d'un courant dans un fil crée un champ magnétique semblable à celui d'un aimant. Cette découverte à été faite par Hans Christian Orsted en 1820. Puis fut formalisé par André-Marie Ampère. Cette relation courant - champ magnétique est issue de la formule suivante :

De plus, il existe une relation entre le champ magnétique, le courant et la force résultant de ces deux grandeurs. Cette relation se nomme relation de Laplace - Lorentz.

Si l'on combine les deux relations précédemment citées, on peut remarquer que les vecteurs(I, B, F)forment un trièdre direct. Le schéma ci-dessous permet de voir quelle est la relation entre ces différents vecteurs.

Une façon courante de matérialiser ces directions du courant, du champ et de la force est d'utiliser "la règle des 3 doigts de la main droite". Après avoir orienté ces 3 doigts dans 3 directions perpendiculaires:

le pouce indique la direction de la force
l'index indique la direction du courant
le majeur indique celui du champ

Il y a d'autres combinaisons possibles. Le seul intérêt est surtout mnémotechnique (le pouce symbolise la force, etc...)

b. Schéma de principe

Configuration A :

Le sens du courant dans la bobine est représenté par le schéma ci-contre. A l'aide du trièdre direct, on en déduit la direction de la force appliquée à la bobine du moteur et la direction du champ magnétique. La résultante de ces forces est symbolisé par les flèches rouges et notée.

Configuration B :

Si rien de change dans notre montage, la bobine se retrouvera dans la configuration représentée par la figure ci-contre, après un demi-tour. Comme on peut le constater, la résultante des forces appliquée à la bobine tend à faire revenir celle-ci à sa position initiale.

Cependant, lorsque la bobine a tournée sur son axe, la liaison électrique existant entre les balais et les collecteurs s'est rompue. Une nouvelle liaison se crée après un demi-tour, car les collecteurs sont situés de part et d'autre de l'axe de la bobine. Le courant circule à nouveau dans la bobine, mais de manière inverse par rapport à la situation avant rotation. Notre bobine se retrouve donc dans la même configuration que la configuration A. Le mouvement se poursuit, un demi-tour après l'autre avec inversion du sens de parcours du courant dans la bobine à chaque demi-tour.

Si l'on désire inverser le sens de rotation du moteur, il suffit d'inverser le sens du courant dans la bobine, c'est à dire inverser la polarité des fils de la pile. Le phénomène permettant la mise en mouvement étant identique, il nous permet d'expliquer le fait suivant : les moteurs tournent dans les deux sens.

Voici une illustration animée de ce qui vient d'être expliqué

Liens avec d'autres expériences

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Construction d'un petit moteur électrique similaire

Et encore une autre réalisation en fichier pdf

Autre application d'un électro-aimant: Sonnette électromécanique

Applications : lien avec le quotidien

Les moteurs électrique à courant continu tel que celui que nous venons de réaliser sont utilisés dans de nombreuses applications ne nécessitant pas de gros déplacements tels que les lecteurs de dvd, les jouets, ... D'autres types de moteurs existent et utilisent le même principe de fonctionnement, seule leur conception interne varie.