Le plus simple des moteurs électriques

Un peu de fil électrique recouvert d’un vernis isolant, un aimant droit et une pile suffisent pour illustrer le fonctionnement d’un moteur électrique. Et ça marche…

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • du fil métallique pour enroulements recouvert d’un vernis isolant (longueur : 2 m ; diamètre approximatif : 0,5 mm) ;
  • un aimant permanent ou bien un électroaimant (éventuellement un électroaimant bricolé dans lequel le noyau de fer est constitué par quelques clous) ;
  • 2 trombones de bureau ou du fil métallique rigide ;
  • une plaquette de bois tendre ou de polystyrène expansé sur laquelle on construira le moteur (dimensions approximatives : 10 cm ´ 10 cm ´ 2 cm) ;
  • une pile ou une alimentation continue (1 à 10 V) ;
  • des fils électriques.
Montage et réalisation

Laisser dépasser le fil métallique d’environ 2 cm sur deux côtés opposés de la bobine.
Enlever la couche de vernis isolant sur les bouts de fil qui dépassent selon une zone longitudinale représentée sur les figures (les zones dénudées doivent se trouver sur la même face de la bobine). On pourra utiliser à cet effet un couteau bien aiguisé ou bien du papier de verre. La zone dénudée doit correspondre à un secteur angulaire d’environ 60° (figure ci-dessous).

Cette bobine constitue le rotor du moteur électrique et les bouts de fil latéraux servent d’axe de rotation.
Les paliers qui supportent l’axe de rotation sont fabriqués à partir de fils rigides ou de de deux trombones de bureau dépliés puis tordus en forme de M.
Enfoncer ces supports sur la plaque de montage en les écartant de façon appropriée.
Poser le rotor sur les trombones comme indiqué sur la figure du haut.
Relier les trombones aux pôles d’une pile
Approcher un aimant puissant des faces de la bobine: le rotor se met à tourner (il est parfois nécessaire de donner une légère impulsion pour le faire démarrer).

Explications

La bobine du rotor n’est alimentée en courant que lorsque les parties dénudées de l’axe de rotation sont en contact avec les trombones. Les conducteurs électriques constituant la bobine sont alors parcourus par un courant et plongés dans le champ magnétique créé par l’aimant permanent.
Ces conducteurs subissent donc des forces de Lorentz et la bobine est soumise à un couple : le rotor commence à tourner. Après une rotation de quelques degrés c’est la partie isolée des fils qui est en contact avec les trombones : la bobine n’est plus alimentée en courant, elle ne subit donc plus de couple. Grâce à son inertie le rotor continue cependant sa rotation jusqu’à ce que les parties dénudées des fils soient de nouveau en contact avec les trombones reliés à la pile. Le courant passe alors de nouveau dans la bobine qui subit de nouveau un couple : le mouvement se poursuit.
Au début les trombones ne sont pas forcément en contact avec les parties dénudées de l’axe de la bobine, c’est la raison pour laquelle il peut être nécessaire de lancer le rotor par une légère impulsion.
Si l’on dénudait toute la surface de l’axe du rotor le courant passerait en permanence dans la bobine. Lorsqu’elle est parcourue par un courant, la bobine devient un électroaimant qui s’oriente parallèlement au champ magnétique créé par l’aimant permanent puis reste dans cette position. Le rotor resterait immobile. La rotation est possible ici car l’alimentation de l’électroaimant s’arrête au bon moment en raison de la présence d’un secteur isolé par le vernis sur l’axe de la bobine.
Si l’on inverse le branchement de la pile, on observe une rotation en sens inverse du précédent car le rotor alimenté par un courant de sens contraire subit un couple qui le fait tourner dans le sens opposé.

Remarques

Le rotor ne subit un couple que lorsqu’il est parcouru par un courant. L’alimentation en courant ne dure pas longtemps (le sixième de la durée d’un tour si le secteur dénudé est de 60°, voir la figure ci-dessus). Ce temps moteur relativement bref suffit cependant à maintenir le rotor en mouvement (grâce à l’inertie) à condition que les frottements soient faibles et que le moteur n’ait pas à fournir de puissance mécanique. Comme la fonction des moteurs électriques utilisables est bien de fournir de la puissance mécanique, il faut les munir de dispositifs éliminant ce défaut. C’est le cas par exemple du système de commutation des moteurs à courant continu qui double la durée du temps moteur.
Cette expérience montre les composants principaux d’un moteur électrique de façon relativement simplifiée (absence de commutation) en n’utilisant que du matériel très simple. Le seul matériel nécessaire pour faire soi-même la bobine, c’est du fil de cuivre recouvert de vernis isolant. On n’en trouve pas toujours chez soi mais on peut en acheter facilement et pour une somme modique.
Comme le montage est vraiment simple et les intensités mises en œuvre très faibles (si l’on utilise une pile pour alimenter le moteur), on peut faire construire ce moteur par des élèves, que ce soit à l’occasion d’un atelier ou bien d’un travail pratique à réaliser à la maison.

Références

Université en ligne : forces de Laplace

cette fiche a été vue 47700 fois

Une réflexion au sujet de « Le plus simple des moteurs électriques »

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

*