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Moteur à courant continu – collecteur, F = BIL, couple et force contre-électromotrice

PhysiqueChamps électriques et magnétiques17–18 ans

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Une bobine de N spires tourne entre deux pôles d'aimant et est alimentée par un collecteur à deux demi-bagues et des balais. Modifiez l'intensité, le champ magnétique, le nombre de spires, l'aire de la bobine et la charge pour voir la force sur chaque côté, le couple τ = NBIA·cosθ, la vitesse et pourquoi le collecteur doit inverser le courant à chaque demi-tour. Avec une vue dans l'axe, la règle de la main gauche, des graphiques du couple en fonction de l'angle, de la vitesse et du courant en fonction du temps, une source de tension avec force contre-électromotrice, une comparaison avec les bagues collectrices d'un alternateur et un tableau de mesures.

Leçon : Le moteur à courant continu : force sur une bobine parcourue par un courant, couple de forces, collecteur et balais, force contre-électromotrice

Ce qu’elle montre

Un conducteur parcouru par un courant dans un champ magnétique subit une force F = BIL perpendiculaire au champ et au courant (force de Laplace ; sens donné par la règle de la main gauche). Sur une bobine, les forces sur les deux grands côtés sont égales et opposées : elles forment un couple de moment τ = NBIA·cosθ, où θ est l'angle entre le plan de la bobine et le champ. Le collecteur inverse le courant à chaque demi-tour pour que le couple garde le même sens. Avec une source de tension, la bobine qui tourne crée une force contre-électromotrice qui réduit le courant quand la vitesse augmente.

Mode d’emploi

Cliquez sur Démarrer et observez la bobine. Modifiez Intensité I, Champ magnétique B, Spires N, Aire de la bobine A et Couple de charge, attendez une vitesse stable puis cliquez sur Enregistrer pour remplir le tableau. Essayez Inverser le courant et Inverser les pôles. Passez Collecteur sur Bagues collectrices, ou Source sur Tension (avec fcem). Faites glisser la bobine dans la vue dans l'axe, utilisez Pousser au point mort et choisissez le Graphique.

Paramètres modifiables

  • Alimentation Source de courant constant, Source de tension (avec fcem)
  • Intensité I 0–3 A
  • Tension de la source U 0–12 V
  • Collecteur Collecteur à deux demi-bagues, Bagues collectrices
  • Champ magnétique B 0,05–0,4 T
  • Nombre de spires N 10–100
  • Aire de la bobine A 4–25 cm²
  • Couple de charge 0–20 mN·m
  • Inverser le courant
  • Inverser les pôles de l'aimant
  • Angle initial θ entre le plan de la bobine et B 0–180 °
  • Ralenti Non (vitesse réelle), 10 fois plus lent, 50 fois plus lent, 200 fois plus lent
  • Afficher les forces
  • Afficher la règle de la main gauche
  • Graphique Couple en fonction de l'angle, Vitesse en fonction du temps, Courant en fonction du temps

Questions à explorer

  1. Pourquoi le couple s'annule-t-il quand le plan de la bobine est perpendiculaire au champ magnétique ?
  2. Que devient la bobine si l'on remplace le collecteur par des bagues collectrices, et pourquoi ?
  3. Avec une source de tension, pourquoi le courant est-il maximal quand le moteur est bloqué ?

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