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Comment fonctionnent les allumettes ?

jeudi 14 janvier 2021 à 05:36

Des allumettes.
Savez-vous que le principe du briquet a été inventé bien avant les allumettes ? Taper deux pierres ensemble pour produire des étincelles projetées sur un matériau combustible est un principe préhistorique, alors que les allumettes telles qu’on les connaît de nos jours, c’est-à-dire un petit bâton enduit d’un produit qui s’enflamme lorsqu’on la gratte date seulement du XIXᵉ siècle !

C’est sur les allumettes que je vais parler dans ce billet, car leur histoire est mouvementée et fait intervenir un peu de chimie, en particulier la chimie étonnante du phosphore !

Les premières allumettes

Les premières allumettes modernes à friction datent de 1826 et sont dues à l’anglais John Walker. Elles contenaient entre autres du sulfure d’antimoine, du chlorate de potassium, une gomme et de l’amidon. L’ensemble prenait feu après un frottement sur une plaquette enduite de phosphore amorphe et de peroxyde de manganèse.

Ces allumettes s’enflammaient même un peu trop violemment dès qu’elles étaient frottées sur une surface rugueuse quelconque, pas uniquement leur boîte, et la flamme étaient instables, en plus d’avoir une odeur désagréable. Elles n’étaient donc pas beaucoup appréciées.

Quelques années plus tard, il fut ajouté du chlorate de plomb à la place du chlorate de potassium et du phosphore blanc, un allotrope du phosphore. Ceci résolvait les problèmes d’instabilité et d’odeur, mais posait un autre problème de taille : la toxicité du phosphore blanc.

Les personnes travaillant alors dans les usines d’allumettes développaient des maladies osseuses allant jusqu’à des déformations graves voire la mort.
Une convention internationale permit, en 1906, d’interdire l’emploi du phosphore blanc dans les allumettes, et il a donc fallu trouver une autre solution.

Les allumettes de sureté actuelles

Les allumettes actuelles sont appelées « allumettes de sûreté », car elles ne peuvent pas s’enflammer n’importe comment : il faut les frotter sur leur boîte et uniquement leur boîte.

En effet, le côté de la boîte, la partie marron ou rouge, est enduite d’un composé qui participe à l’inflammation de l’allumette, par un processus physique lié à l’action du frottement : frotter l’allumette contenant du chlorate de potassium sur la surface abrasive contenant du phosphore rouge engendre la mise en contact de ces deux composés, ce qui engendre alors une inflammation rapide sous l’effet de l’échauffement dû au frottement.
Le mélange de phosphore rouge et de chlorate de potassium est d’ailleurs un explosif instable utilisé, entre autres, dans les feux d’artifices et les claques doigts.

Ces allumettes sont qualifiées de « allumettes de sûreté ». En effet si les premières allumettes portaient du phosphore blanc facilement inflammable, y compris par frottement contre d’autres allumettes dans leur boîte. Les allumettes de sûreté n’en contiennent plus et ne s’enflammeront plus par accident.
L’allumette. Les composés susceptibles de provoquer l’inflammation sont donc séparés : une partie sur l’allumette, l’autre sur le côté de la boîte.

De plus, l’allumette de sûreté ne contient pas non plus du phosphore blanc, qui est très toxique.

Conclusion

Les allumettes sont un moyen chimico-mécanique de produire une flamme. Il faut non seulement utiliser une surface contenant du phosphore rouge, et en plus accomplir l’action du frottement afin de mixer de phosphore rouge avec le chlorate de potassium dans l’allumette et de provoquer un échauffement léger mais suffisant.

Sans ces deux choses, l’allumette ne peut pas s’allumer, même accidentellement.

Tout ceci, là où le briquet est davantage un processus physique : on produit une étincelle par frottement qui va allumer un combustible — du gaz — que l’on libère à proximité.

Aujourd’hui, d’autres méthodes de production de feu existent : que ce soit avec une résistance chauffante telle que l’allume-cigare d’une voiture, un arc électrique comme les briquets plasma contenant une mini bobine Tesla, ou encore avec un pointeur laser puissant, dont certains se servent pour effectivement faire du feu.

Image d’en-tête de Rob Wicks

Qu’appelle-t-on un champ quantique ?

dimanche 3 janvier 2021 à 08:15

Vue d’artiste du monde quantique.
En physique, on parle régulièrement de champs : champ magnétique, champ électrique, champ gravitationnel… Plus généralement, on peut même être emmené à parler des « champs quantique », qui sont utilisés en physique quantique pour décrire le monde.

Je parle parfois de « champs » dans mes articles, comme si c’était quelque chose de trivial. En lisant vos commentaires, vous m’aviez fait savoir que ce n’était pas forcément le cas. Qu’il pourrait être utile d’expliquer ce qu’est un champ, en physique ou en math, et comment ils sont utilisés en sciences pour expliquer des phénomènes divers.

Modèle corpusculaire en physique classique

Dans la physique classique, ou Newtonienne, on parle de particules. Les protons, les électrons, tout ça ce sont des particules. On peut les voir comme des petites billes de matière élémentaire qui composent tous les matériaux que l’on voit.

Ce modèle fonctionne bien pour beaucoup de choses, mais n’explique pas tout non plus. Il n’explique pas, par exemple, comment les particules peuvent interférer entre elles.

On sait depuis environ un siècle que les particules ont toutes également une composante ondulatoire. On sait faire diffracter des électrons, des neutrons…

On dit que ces éléments ont une dualité onde-particule, bien que ce ne soit pas un concept pratique pour travailler : si on considère que c’est une particule, une partie de la théorie ne marchera pas. Et inversement, si l’on a besoin de considérer la particule comme une onde, seules certaines équations pourront être appliquées.

Ceci n’est pas acceptable en physique : une équation devrait pouvoir s’appliquer n’importe quand, n’importe où.

La physique quantique a donc introduit la notion de paquet d’ondes : des sortes de particules-ondes qui regrouperaient les deux composantes de la matière sous un même modèle mathématique. Ces paquets d’ondes agissent sur des champs quantiques.

Notion des champs quantiques

En plus du problème de la réalité physique des particules élémentaires, il faut étudier la façon dont ces dernières interagissent.

Par exemple, deux particules massiques interagissent par une force attractive — la force gravitationnelle — parce qu’on a considéré qu’il y avait un champ gravitationnel partout et qui véhicule l’information de la masse, et provoque le déplacement des deux particules l’une vers l’autre, ce que nous appelons « force d’attraction gravitationnelle ».

Dans ce cadre, le champ gravitationnel est un champ. Mais c’est quoi un champ ?

Notion de champ en math

Prenez un repère à deux ou trois dimensions, peu importe. Visualisez un point dans ce repère, n’importe lequel. Associez à ce point une valeur, n’importe laquelle.
Faites la même chose pour un autre point, puis un autre. En fait, à chaque point dans ce repère, associez une valeur. Quand vous avez fait ça, vous avez un champ.

Un champ représente un repère sur lequel on a associée une valeur à chaque point.

Par exemple : prenez la pièce où vous vous situez, puis mettez l’origine (0 ; 0 ; 0) dans un des coins. Maintenant, chaque endroit de la pièce possède des coordonnées. Enfin, à chaque endroit de la pièce, associez-y la température en ce point. On obtient alors une cartographie de la température dans votre pièce : mathématiquement, cette cartographie constitue un champ : le champ de température.

On peut associer plusieurs valeurs à un même point. Dans notre exemple, en plus de la température, on peut associer la pression atmosphérique, l’hygrométrie, la pureté de l’air, le taux de CO2, etc.
On a alors un repère avec une multitude de champs.

On peut aussi avoir un champ de vecteur, permettant donc d’associer un vecteur à tout point de l’espace. Par exemple, si l’on associe à chaque point de l’espace la vitesse du vent en ce point, on obtient un champ de vecteur.

Ces différents champs peuvent être liés : ainsi, le vecteur vitesse, ou encore l’hygrométrie en un point va dépendre de la pression et de la température de l’air des points alentours.
Ce travail est ce qui est fait en météorologie : à l’aide des relevés physiques (température, pression, hygrométrie) on peut déterminer s’il va y avoir du vent, dans quel sens, ou encore prédire l’évolution de l’hygrométrie, de la pluie, bref, prévoir le temps qu’il fera dans les heures ou jours qui viennent.

Champs utilisés en météo : vent, pression, température, hygrométrie.
La météo réelle en un lieu peut être décomposée en plusieurs paramètres modélisés par des champs : vent, température, pression, hygrométrie…

On peut aussi associer des tenseurs à chaque point (un objet plus général que les scalaires et les vecteurs).

Un champ est donc quelque chose comme une carte de valeurs (scalaires, vecteurs, tenseurs…) dans un repère. Chaque point du repère possède donc une valeur donnée. En mesurant différents champs pour différentes grandeurs, on peut modéliser des phénomènes plus complexes.

Usage des champs en physique

Prenez le champ de température dans une pièce : vous savez maintenant ce que ça veut dire : il s’agit de voir des nombres — la température — associés à chaque point de la pièce.

Maintenant, si vous allumez une bougie à un endroit, la température va être très haute à l’endroit où se trouve la flamme. Le champ de températures rendra compte de ça, avec des valeurs de température nettement plus hautes aux coordonnées où se trouve la flamme de la bougie.

Inversement, si vous observez la carte des températures de la pièce et que vous voyez que la température monte de façon importante à un endroit bien précis, vous pouvez déduire que quelqu’un a allumé une bougie à cet endroit.

Idem, si vous voyez que cette « anomalie » de température change de coordonnées au fil du temps, vous pouvez en déduire assez simplement que quelqu’un est en train déplacer la bougie au sein de la pièce.

Si cette anomalie de température disparaît subitement, alors c’est que la bougie a été éteinte.

Ceci est un exemple très simple pour étudier un champ en fonction d’un paramètre physique.

À la place de la température, on peut prendre la valeur de la charge électrique à cet endroit. Si l’on se place dans le vide absolu, on notera que le champ électrique et le champ magnétique sont nuls en tout point. Si maintenant on envoie un photon à travers le vide, on notera une perturbation qui se propage dans les champs électriques et magnétique. Cette perturbation correspond au photon qui traverse le vide.

Notion des champs quantiques en physique quantique

Plus haut, dans notre exemple du vide traversé par un photon, on considère une particule, le photon, et on le modélise par une perturbation sur le champ électromagnétique.

Mais si l’on faisait l’inverse ? Si on considérait que le photon n’était dans sa description la plus fondamentale, qu’une perturbation sur des champs et que l’on modélisait cette perturbation comme une particule ?

En physique quantique, dans la théorie quantique des champs, c’est ce que l’on fait : on considère non plus les particules comme des petites billes de matière condensées, mais comme des perturbations présentes à la surface d’un champ quantique. La « petite particule » est alors une description simpliste, censée être plus intuitive.

Dans ce cadre de la théorie quantique des champs, l’univers est rempli de différents champs : électrique, magnétique, gravitationnels, et une particule correspond à une excitation sur ces différents champs.

Par exemple :

En physique quantique, on travaille avec ce genre de choses. On ne parle plus de particules comme des billes de matière mais comme des ondes ponctuelles : les fameux paquets d’ondes évoluant à travers un ou plusieurs champs quantiques et réagissant avec.

En résumé

Si l’on résume, on peut voir l’univers comme un canevas rempli avec différents calques, correspondant aux différents champs quantiques : le champ électrique, le champ magnétique, le champ gravitationnel, etc.

Chaque point de cet espace est donc caractérisé par une valeur correspondant à l’intensité du champ électrique, magnétique, gravitationnel, etc. à cet endroit :

Un électron et un positron sur le champ électrique.
Schématisation du champ électrique pour un électron (négatif) et un positron (positif)

Une particule donnée qui entrerait dans cet espace viendrait modifier les différents champs en fonction de ses paramètres physiques (charge électrique, masse…). En analysant les valeurs de ces champs en un endroit donné, on peut déduire quelle est la particule qui vient de traverser cet espace.
C’est ce qu’ils font dans les accélérateurs de particules : nos modèles théoriques prédisent l’apparition ou l’existence de certaines particules, et le but est de les détecter effectivement, pour valider le modèle théorique.

Les interactions entre les particules correspondent à l’action d’une perturbation d’un champ sur les autres perturbations du même champ, ou des autres champs, comme des interférences.

À chaque interaction d’une particule sur une autre correspond à un transfert d’énergie d’un champ à un autre. Une perturbation sur le champ électrique peut se transférer au champ magnétique, ou gravitationnel, etc. Quand une paire de particule-antiparticule s’annihile, de la masse peut être convertie en un photon, donc en énergie électromagnétique.

Dans l’ensemble, l’énergie est conservée, mais elle peut passer d’un champ à un autre.

image d’en-tête d’Alex Sukontsev

Comment fonctionne un thermocouple ; d’où vient l’effet Seebeck ?

mercredi 16 décembre 2020 à 07:20

Un thermomètre à thermocouple.
Bien loin des thermomètres à mercure, encore plus des thermomètres de Galilée, tous les appareils modernes qui donnent la température comme votre four à micro-onde ou votre station météo connectée utilisent une sonde à thermocouple. Il s’agit de la méthode moderne pour mesurer une température.

Son fonctionnement est très proche de celui d’un modèle Peltier dont j’ai déjà parlé dans un autre article. En fait, un module Peltier est un agencement d’un très grand nombre de thermocouples (à semi-conducteurs) ensembles et collés sur un petit bout de céramique d’où sortent deux connecteurs électriques.

Ce que je vais expliquer plus en détail ici, c’est l’origine même de l’effet Seebeck, jusqu’au niveau quantique, qui permet au thermocouple et au module Peltier de fonctionner en premier lieu.

Le thermocouple

Je l’ai expliqué dans mon article sur le module Peltier : le module Peltier n’est en réalité rien d’autre qu’un assemblage de dizaines, voire centaine de thermocouples à semi-conducteurs miniaturisés.

Le thermocouple, lui, est en soi un composant extrêmement simple : deux fils de deux métaux distincts, soudés ensembles à une de leurs extrémités, l’autre extrémité étant branché sur un voltmètre.

La partie soudée — appelée la soudure du thermocouple — est alors à placer sur l’élément dont il faut mesurer la température : si la soudure chauffe, il apparaît une différence de potentiel au niveau des extrémités « libres ». Cette dernière est mesurée par le voltmètre, et l’on déduit la température de la pièce à partir de la différence de potentiel.

Alessandro Volta fut le premier scientifique à observer cet effet, mais le phénomène a été nommé d’après Thomas Johann Seebeck. Volta constata en effet qu’une aiguille d’une boussole déviait lorsqu’elle était placée à proximité d’un fil dont les extrémités se trouvaient à des températures différentes : la différence de potentiel provoquait en effet la circulation d’un courant dans ce fil, et ce courant produisait un champ magnétique, d’où la déviation de l’aiguille de la boussole.

Origine du phénomène

Effet Seebeck

Pour une pile électrique, la tension est liée au potentiel chimique des composés à l’intérieur de la pile : il s’agit de la force avec laquelle le composé peut libérer ou capter un électron en vue d’une transformation chimique.

Ainsi, dans une pile alcaline, l’anode de zinc en solution basique tend à vouloir s’oxyder en se débarrassant de deux électrons : son potentiel est négatif et vaut −1,28 V.
La cathode, contenant de dioxyde de manganèse, cherche à se stabiliser en sesquioxyde de manganèse, et pour cela, elle doit à l’inverse récupérer un électron : elle « demande » des électrons : son potentiel est positif et vaut +0,15 V.
La différence de potentiel entre les deux est de 1,43 V, correspondant à la tension nominale de 1,5 V typique des piles alcalines. Cette tension est capable de faire circuler les électrons dans un fil branché aux bornes de la pile : poussés par l’anode et aspirées par la cathode.

Dans cet exemple de la pile, c’est une réaction chimique qui, pour avoir lieu, pousse les électrons dehors d’un côté et les attire de l’autre.

Dans le thermocouple, c’est la température qui fait ça : la production d’un courant électrique est due à l’apparition d’une différence de potentiel aux bornes du fil, produite par l’échauffement (ou le refroidissement) de la jonction soudée.

Les électrons dans la partie chauffée vont s’agiter davantage. Ils vont également avoir tendance à se repousser et donc de diffuser légèrement dans le reste du métal. La zone chauffée perd donc de sa charge électrique et devient positive. Le reste du fil, qui est froid, va avoir tendance à se charger négativement en recevant les électrons.

L’effet intéressant c’est que cet effet se produit à des échelles différentes selon le métal : un des fils soudés va davantage repousser des électrons que l’autre, et forcer la circulation des électrons dans son sens dans tout le métal. Si le circuit est fermé et forme une boucle, le courant circule à travers tout le circuit dès qu’on chauffe une des soudures :

Schématisation du phénomène de l’effet Seebeck.
Effet Seebeck : les électrons migrent dans le même sens dans les deux fils, mais ils migrent davantage dans le fil jaune : c’est donc dans ce sens que le courant finit par circuler au sein de la boucle complète.

Pour le thermocouple, l’apparition de ce courant sous l’effet de l’échauffement d’une des soudures, c’est ce qu’on appelle l’effet Seebeck.

Effet Peltier

Il est intéressant que l’effet Seebeck soit réversible. Ainsi, au lieu d’obtenir un courant électrique à partir d’une différence de température, on peut appliquer une tension électrique aux fils et la jonction va chauffer ou refroidir (selon le sens du courant). Dans ce cas, l’on parle de l’effet Peltier.

Ici, le courant va pousser les électrons d’un des métaux sur l’autre. Dans un sens, les électrons vont devoir gagner de l’énergie pour passer dans la bande de conduction du métal de destination : ils vont obtenir cette énergie en puisant la chaleur dans le métal : ce dernier refroidit.
Si les métaux sont arrangés dans l’autre sens ou si le courant circule dans l’autre sens, alors de l’énergie thermique est libérée et cette jonction s’échauffe.

Absorption d’énergie par les électrons qui changent de métal.
Ici, les électrons passent dans le métal avec des niveaux d’énergie plus élevés : ils puisent cette énergie dans l’énergie thermique du métal, qui refroidit.

L’effet Peltier est mis à profit dans les modules du même nom. Les modules Peltier ont un grand nombre de jonctions en série et assemblées de telle sorte que les jonctions qui refroidissent sont d’un côté du module et les jonctions chaudes sont de l’autre.

Ces modules peuvent fonctionner en mode Peltier ou en mode Seebeck, permettant de produire de l’électricité à partir d’une différence de température (mode générateur thermoélectrique) ou produire du froid et du chaud à partir d’une source de courant.

Les deux effets sont liés et William Thomson a montré que le flux de chaleur et le flux d’électricité sont intimement liés au sein d’un métal, pas uniquement dans les jonctions. On parle ici de l’effet Thomson.

Conclusion

Le fonctionnement des thermocouples et des modules Peltier reposent sur les effets Seebeck, Peltier et Thomson.

Les deux premiers sont essentiellement deux facettes d’un effet thermoélectrique plus global. L’effet thermoélectrique regroupe tout ce qui permet à l’énergie thermique d’être converti en énergie électrique, et vice-versa.

L’effet Seebeck fonctionne parce que la différence de température à deux endroits d’un métal fait migrer les électrons de l’endroit chaud à l’endroit froid. Il naît alors une différence de potentiel électrique. Dans un thermocouple, la mesure de cette tension permet de déduire la température de la partie chauffée (considérant que le reste de la sonde est à une température ambiante standard et connaissant la nature des métaux constituant le thermocouple).

Pour le phénomène inverse, l’effet Peltier, l’application d’un courant sur un ensemble de fils joints entre eux va chauffer certaines jonctions et en refroidir d’autres. L’échauffement est alors dû au passage d’électrons d’un des métaux à un autre métal où les niveaux d’énergie sont plus bas : l’excédant d’énergie est libéré et chauffe le métal.
Pour la jonction qui refroidit, de la chaleur est absorbée par les électrons qui passe dans un métal où les niveaux d’énergie sont plus hauts : l’électron gagne de l’énergie en passant les niveaux d’énergie, et cette énergie est captée dans l’énergie thermique du métal : de la chaleur est donc convertie en énergie électrique et la jonction refroidit (phénomène endothermique).

Les effets Seebeck et Peltier sont réversibles et avec eux les phénomènes thermiques et électriques, de la même façon que les phénomènes mécaniques et thermiques sont réversibles et liés par le l’intermédiaire d’un moteur thermique (qui transforme une différence de température en énergie mécanique) ou d’une pompe à chaleur, d’un climatiseur (où de l’énergie mécanique permet de produire une différence de température), une pile et un électrolyseur, un moteur électrique et une génératrice, une diode et un module photovoltaïque…

Image d’en-tête de Lauredhel

Comment fonctionne un moteur à induction, ou machine à courant alternatif asynchrone ?

jeudi 3 décembre 2020 à 06:17

Un rotor d’un moteur de voiture électrique Tesla.
L’électricité est aujourd’hui considérée comme acquise, et avec elle les moteurs électriques qui font fonctionner aussi bien le TGV que votre lave-linge.

Plusieurs technologies de moteurs électriques existent, comme le moteur à courant continu (DC) avec balai, le moteur DC sans balai mais avec un capteur magnétique a effet Hall, ou le moteur à courant alternatif synchrone. Ce dernier utilise les alternances du sens du courant pour attirer puis repousser les aimants du rotor et le faire tourner et pour contrôler la vitesse de rotation du moteur.

Celui donc je vais parler ici, le moteur asynchrone à courant alternatif ou moteur à induction, est plus mystérieux. Imaginé et mis au point par Nikola Tesla, il est excessivement simple en termes de composants. En effet, il n’a aucun aimant, pas de balais et zéro électronique embarqué. Et pourtant… il tourne !

Comment cela peut-il arriver ?

On verra aussi l’astuce qui permet à ce moteur de fonctionner en mode générateur.

Description générale

Un moteur électrique se compose de deux parties principales : le stator et le rotor.

Le stator correspond à la partie fixe du moteur : il s’appelle ainsi, car il est statique, il ne bouge pas.

Le rotor, à l’inverse, est toute la partie en rotation et sur laquelle on prélève le couple moteur.

Photo d’un stator et d’un rotor d’un moteur électrique.
Les deux parties d’un moteur électrique : le rotor, en bas à gauche, et le stator en haut à droite (source)

Dans un moteur à courant continu à balais, les aimants sont sur le stator. Le courant d’alimentation est transmis aux bobines du rotor via les balais venant contacter l’arbre du rotor. La rotation de ce dernier fait que les différentes bobines du rotor sont soit connecté aux balais positifs, soit au négatif, soit à rien. Cette commutation permet au champ magnétique produit par les bobines d’être toujours en vis-à-vis du champ fixe du stator, et donc de tourner.

Dans un moteur sans balais, les différentes bobines sont sur le stator. Les bobines peuvent être alimentées en courant continu, et dans ce cas c’est un capteur à effet Hall qui pilote la commutation entre les bobines ; ou en courant alternatif, auquel cas les alternances du courant produisent un champ magnétique rotatif dans le stator, qui permet d’entraîner le rotor et faire fonctionner le moteur.

On va voir certains de ces éléments en détail ci-dessous, mais voilà pour une présentation très générale. Retenez pour le moment simplement l’existence du stator et du rotor, et qu’il existe des technologies différentes de moteurs électriques.

Principe de l’induction

L’induction électromagnétique, c’est l’apparition d’un courant électrique dans un conducteur placé dans un champ magnétique variant.

C’est le principe du générateur électrique : ce dernier, quand il est actionné par une force extérieure (roue d’un vélo dans le cas d’une dynamo par exemple, une le vent pour une éolienne). Cette force met en mouvement un aimant placé dans une bobine fixe.
L’aimant produit un champ magnétique, mais la rotation de l’aimant va faire varier le sens de ce champ magnétique : or le sens qui varie suffit à avoir un champ magnétique variant.

Il est important que le champ magnétique soit variant, car seule la variation d’un champ magnétique permet d’induire un courant (c’est la loi de Maxwell-Faraday).

La raison à cela est logique : lorsque l’on met une bobine conductrice dans un champ magnétique qui se déplace ou qui tourne, le champ va agir sur les électrons et les forcer à circuler, formant un courant électrique. Si l’aimant ne bouge pas, les électrons ne sont entraînés nulle part et il n’y a pas de courant.

Dans le cas d’un chargeur à induction, le chargeur émet un champ magnétique variant jusque dans votre téléphone. Une bobine dans votre téléphone produit alors un courant qui sert à charger la batterie.
Dans les cuisinières à induction, les courants sont induits directement dans la casserole : ces courants chauffent le métal et la casserole.

Dans un moteur à induction, le champ magnétique va également produire un courant, mais pas que !

Fonctionnement du moteur à courant alternatif synchrone

Je vais expliquer le moteur asynchrone (ou à induction), mais pour y aller pas à pas, parlons d’abord du moteur synchrone à aimants permanents : il est un peu plus simple. Les deux moteurs fonctionnent en courant alternatif (le plus souvent triphasé).

Le moteur synchrone à aimants permanents est composé a ses bobines sur le stator et les aimants sur le rotor.

En premier lieu, limitons-nous au stator. Le courant triphasé dans les bobines du stator va produire un champ magnétique à l’intérieur du stator. Vu le fonctionnement du triphasé, le champ magnétique qui règne dans la cage du stator est rotatif :

Rotation du champ magnétique au cœur du stator.
Le courant alternatif triphasé avec chaque phase envoyée sur une série de bobines permet d’obtenir un champ magnétique rotatif dans le moteur. C’est ce champ qui baigne le rotor et le poussera à tourner. (source image)

Le champ magnétique obtenu est identique à celui d’un aimant en rotation. C’est juste qu’ici, il n’y a pas de pièce mécanique en rotation : tout est purement électromagnétique.

Introduisons désormais le rotor à l’intérieur du stator : les aimants permanents fixés dessus vont avoir tendance à s’orienter face au champ magnétique statorique. Si ce champ magnétique tourne, le rotor suit ce champ et tourne également.

Fonctionnement du moteur à courant alternatif asynchrone, ou moteur à induction

Considérons maintenant le moteur asynchrone. Pour ça, prenons le moteur synchrone et retirons le stator avec les aimants. Remplaçons ce dernier par un rotor sans aimants, mais avec des boucles métalliques :

Photo et schéma de la cage d’écureuil
Photo et schéma de la « cage d’écureuil ». Les boucles métalliques sont penchées par rapport à l’axe du rotor afin d’éviter le phénomène de verrouillage magnétique lors du démarrage (lors de cette phase, le courant d’alimentation a une fréquence nulle qui monte jusqu’à la fréquence de croisière, et si le stator est exactement aligné avec es bobines, les pôles sont tous en vis à vis et le moteur est magnétiquement bloqué. Cela permet aussi d’éviter le phénomène où le moteur se cale à une vitesse de rotation d’une harmonique du champ magnétique, typiquement à une fraction 1/3, 1/5 ou 1/7 de la rotation du champ statorique. (photo, schéma)

Le rotor forme ce que l’on nomme une « cage à écureuil » : il s’agit en fait d’un ensemble de boucles en métal, capables de conduire le champ magnétique et le courant électrique.

Le fonctionnement est le suivant. Lorsque le champ magnétique produit par le stator se met à tourner, un courant électrique est induit dans les boucles du rotor. Ce courant va à son tour développer un champ magnétique : le champ magnétique rotorique. Ce champ du rotor, induit par le stator, va transformer le rotor en un électroaimant.

En accord avec la loi de Lenz-Faraday, le champ magnétique du rotor est un phénomène qui tend à modérer les effets qui donnent naissance, à savoir les courants dans le rotor. Le champ du rotor va donc tourner lui aussi de façon à réduire ces courants induits par le champ du stator. Il en résulte que le rotor se met à accélérer et à suivre le champ magnétique rotatif du stator.

Pour l’instant, c’est donc exactement comme le moteur synchrone, l’aimant est simplement remplacé par un électroaimant qui est alimenté inductivement par le stator. Il reste désormais à expliquer pourquoi l’on parle d’un moteur asynchrone.

Pour cela il faut remarquer que si le rotor tourne à la même vitesse que le champ statorique, il n’y aurait pas de courant induit. En effet, si le rotor et le champ statorique tourne de façon synchrone, le rotor ne verrait aucune variation de champ magnétique et ne développerait pas de courant induit (qui nécessitent une variation, souvenez-vous), et par suite pas de champ magnétique rotorique. Par conséquent, le rotor tourne toujours légèrement moins vite que la vitesse synchrone, à une vitesse où le couple moteur produit par les forces magnétiques compensent exactement la charge sur le moteur électrique.

Même alimenté par un courant alternatif fixe, la vitesse du rotor peut donc légèrement varier en fonction de la charge sur le moteur : le rotor est donc bien désynchronisé du champ statorique, et le qualificatif « asynchrone » vient de là. La différence de vitesse, quant à elle, est appelée le glissement du moteur à induction, et il se trouve aux alentours des 2 % à sa vitesse nominale (un peu plus lors de la mise en route du moteur).

Le côté pratique ici c’est que le couple s’adapte automatiquement à la charge sur le moteur. Ainsi, si l’on soumet d’un coup une forte charge au moteur, le rotor ralentit. Son glissement devient alors plus important : le rotor voir une variation plus forte dans le champ statorique, le courant induit devient plus intense et le couple moteur monte, compensant la charge plus élevée.

À l’inverse, si la charge diminue, sa vitesse de rotation se rapproche de la vitesse synchrone : le courant induit diminue et le couple s’abaisse.

Pas mal non ? Mais il y a encore mieux : le mode générateur !

Moteur à induction en mode générateur

En mode moteur, on transforme de l’énergie électrique en énergie mécanique. En mode générateur, c’est l’inverse : une action mécanique entraine le rotor et l’on récupère un courant électrique.

Dans le cas d’un moteur à induction, si l’on entraîne le rotor, il ne se passe rien. En effet : cette machine n’a pas d’aimant, donc aucun champ magnétique natif. Rien ne se passe donc si l’on se contente de tourner le rotor.

Pourtant, les éoliennes utilisent ce type de moteurs. Certaines voitures électriques, comme les premières Teslas, les utilisent également pour récupérer l’énergie de freinage. Mais comment ?

En mode moteur, tous les champs existent grâce à l’alimentation électrique préalable du stator, y compris le champ produit par le rotor. Sans cette alimentation, le rotor est juste une bobine non alimentée et non magnétique.

Alors comment peut-on faire pour produire du courant avec ce moteur sans aimants ? Déjà, pour arriver à quelque chose, il faut que le rotor présente un champ magnétique. On sait qu’en mode moteur, ce champ existe grâce au stator. On a donc notre solution : pour que le moteur asynchrone puisse produire du courant, il faut alimenter le stator !

Ça semble contre-intuitif, mais ça marche : le stator alimenté, il produit son champ statorique, qui va induire un courant rotorique, qui va développer son champ rotorique. Et nous y voilà : le champ rotorique est créé.

Maintenant, le rotor étant entraîné par une force extérieure, il tourne à une vitesse plus grande que la vitesse synchrone. Le champ rotorique va donc « tirer » sur les électrons des bobines du stator : c’est donc lui qui devient producteur de courant dans le stator. Ce courant statorique contribue à maintenir le champ dans le rotor tout en produisant un surplus d’électricité que l’on va pouvoir récupérer.

Il faut bien réaliser qu’un moteur à induction a besoin d’une source de courant pour fonctionner en mode générateur : le champ magnétique rotorique doit être installé manuellement et préalablement par le stator afin de récupérer un courant dans ce dernier.

L’origine de ce surplus d’énergie ne provient pas de nulle part : ce n’est pas de l’énergie libre. Il provient juste du fait que le rotor est entraîné mécaniquement à une vitesse super-synchrone (« plus vite que la vitesse synchrone »). C’est donc cette énergie mécanique sur le rotor qui est à l’origine de l’induction de ce surplus de courant dans le stator.

Le petit courant qu’on envoie dans le stator pour magnétiser le rotor est donc comme amplifié par un jeu d’induction assez complexe :

Diagramme de fonctionnement d’un moteur asynchrone en mode générateur.
Dans ce mode, en plus de la production de courant, le champ rotorique tire sur le champ statorique : ceci constitue une charge sur le rotor. Le rotor est donc freiné.

C’est ceci qui permet à un moteur électrique de freiner une voiture électrique tout en récupérant son énergie cinétique en vu de la stocker dans la batterie, De plus, vu que c’est un frein moteur, son usage permet d’économiser sur les plaquettes de frein ! L’ensemble d’un tel système dans une voiture hybride permet de faire des économies assez conséquentes sur le carburant.

Enfin, juste pour le mentionner ici : dans certains moteurs/générateurs, le rotor est muni de condensateurs : ces derniers se chargent quand le rotor tourne. Lors du passage en mode générateur, quand le rotor commence à être mis en mouvement par une énergie mécanique extérieure, les condensateurs envoient une impulsion dans le rotor de façon à l’aimanter. Dans ce cas, pas besoin d’alimenter le stator : c’est le condensateur qui aimante le rotor. Ensuite, c’est comme avant : le champ rotorique est maintenu par le champ statorique induit.

conclusion générale

Les moteurs à aimants sont assez simples à comprendre : il suffit d’alimenter une bobine, que ce soit en DC, AC, sur le stator ou sur le rotor, et le champ magnétique permanent de l’aimant suit continuellement les champs produits par les bobines. Si les bobines sont alimentées en alternatif, ou en continu commuté, les forces magnétiques développeront un couple moteur qui entraîne le rotor.

Dans le moteur à induction, pas d’aimants : seulement des bobines. Ici, le champ magnétique d’une des bobines est obtenue par induction de la part de l’autre bobine. Le résultat est ensuite le même : le champ magnétique de la bobine induite prend appui sur le champ de la bobine alimentée en courant et le rotor se met à tourner.

Si le fonctionnement des moteurs à induction est plus complexe à expliquer, les avantages sont multiples :

Concernant le mode générateur : dans l’ensemble, cette façon qu’a le rotor de ne fonctionner qu’une fois qu’il est artificiellement magnétisé, puis de se maintenir magnétisé par l’intermédiaire du stator, le tout en prenant comme source d’énergie l’entraînement mécanique qu’il subit, correspond plus ou moins au mécanisme de création et de maintien du champ magnétique terrestre : là aussi la rotation de la Terre et l’émission de chaleur par le noyau constituent la source d’énergie qui permet au champ magnétique et aux courants dans les couches liquides du noyau terrestre de s’entretenir mutuellement ; mais il a tout de même fallu un champ extérieur pour initier le tout… et son origine à lui reste encore un mystère.

Liens, ressources

image d’en-tête de Tinou Bao

Gadgets/jouets scientifiques et éducatifs (5)

jeudi 19 novembre 2020 à 06:24

La tige de verre qui disparaît !
Aller hop, comme chaque année sur ce blog désormais, je vous propose des gadgets scientifiques, amusants, éducatifs et curieux.

Comme d’habitude, j’assume totalement la période de publication de ces articles, juste avant Noël afin de pousser le monde à offrir de la science sous le sapin !

Le verre qui disparaît

Cet objet (voir la figure d’en-tête de l’article) est une ampoule scellée de verre d’environ 10 cm dans lequel se trouve une pointe de verre fixe sur quelques centimètres. Le tube est partiellement rempli d’une substance visqueuse, probablement de la glycérine. Quand le tube se trouve debout dans son support avec la glycérine en bas et la pointe en haut, la pointe est clairement visible comme n’importe quel bout de verre.

Lorsque l’on retourne le tube, alors le liquide immerge la pointe, et cette dernière disparaît complètement ! Dans cette configuration, on pourrait observer le tube sous tous les angles, la pointe est invisible.

C’est très simple comme objet, mais le phénomène n’en est pas moins spectaculaire et laisse généralement sans voix quiconque à qui vous montrez ça pour la première fois.

En réalité, la pointe est toujours là et il suffit de retourner l’ampoule à nouveau pour la faire sortir du liquide. Le phénomène à l’œuvre ici est exactement le même que celui qui rend les billes super-absorbants invisibles dans l’eau.

La glycérine à l’intérieur possède le même indice de réfraction que le verre. Du coup, quand la lumière passe du verre à la glycérine ou de la glycérine au verre, elle n’est pas du tout déviée et aucune déformation n’a lieu dans l’arrière-plan qu’on voit à travers. Résultat : l’interface entre les deux milieux n’est pas visible et c’est comme si le verre fondait totalement dans le liquide.

Ce petit fidget n’est pas facilement trouvable. Je ne l’ai trouvé que sur Experimentis, un site allemand (qui ne livre pas en France malheureusement ; j’ai dû le faire livrer au Luxembourg et un lecteur, David, a pu me le réexpédier : je le remercie ici à nouveau pour ça).

Element Blocks

Element blocks.
Dans le même style que le fameux cube de tungstène dont j’ai parlé dans un autre article de cette série, voici un magnifique set de cubes métalliques : magnésium, aluminium, titane, fer (acier), zinc, cuivre et tungstène.

Les cubes sont tous de la même taille mais ont bien sûr des densités différentes et leur masse est donc différente à chaque fois également. Le cube de tungstène pèse 306 grammes, alors que le cube de magnésium, un métal extrêmement léger, n’en pèse que 28 !
Les autres métaux sont graduellement situés entre les deux.

Ces petits cubes sont amusants à manipuler et font également un jouet de bureau plutôt sympa.

Ce set provient de Crowdlabs qui le propose en versions avec 4, 5, 6 ou 7 cubes. La version 6 cubes correspond à la version 7 cubes sans le tungstène.

Le tungstène est probablement l’un des éléments les plus surprenants de la série (s’en priver serait dommage) à cause de son énorme densité, mais c’est aussi un métal plutôt cher à produire. La version 6 cubes est environ moitié moins cher que la version complète.

Pour info, la densité du tungstène est très proche de celle de l’or. Si vous réussissez à plaquer d’or un cube de tungstène, ce sera probablement la chose la plus proche de ce que vous pourrez avoir et ressemblant en tout point à un cube en or massif. Sauf si vous pouvez vous procurer un vrai cube en or, bien sûr (qui coûterait alors plus de 16 000 €).

Sparkit

Le sparkit assemblé.
Cet objet nécessite deux piles LR6 pour fonctionner. Il s’agit d’une machine de Wimshurst : un appareil électrostatique capable de produire des arcs électriques assez conséquents.
Cette version miniature, en kit à monter soi-même, permet de produire des arcs électriques d’environ deux centimètres de long, ce qui correspond à des décharges d’environ 50 000 V !

Le principe n’est pas trivial, car il implique tout un tas de petits éléments que l’on ne voit en réalité que quand on assemble le kit, et ça fera probablement l’objet d’un article plus complet dans le futur.

En fonctionnement, on constate surtout les deux disques qui tournent en sens inverse l’un de l’autre. Chaque disque est incrusté de cellules métalliques. Le socle possède de petits balais qui viennent frotter sur les cellules métalliques et en arracher quelques électrons.

Le fait qu’il y ait deux disques va permettre au surplus de charges d’une cellule d’un disque de repousser les charges de la cellule en face sur l’autre disque. Quand cette cellule se trouve en contact avec un des balais, les charges vont fuir dans le balais et être stockés sur un des éléments métalliques du socle.

En tournant, les disques vont peu à peu repousser ou attirer des charges dans leurs cellules et ainsi induire dans les éléments métalliques du socle des différences de potentiel énorme de plusieurs dizaines de milliers de volt. Ces éléments métalliques sont reliés aux deux tiges en haut : quand la tension devient trop importante, les électrons sont éjectés d’une tige en direction de l’autre : un éclair s’amorce alors entre les deux tiges et l’ensemble des charges se rééquilibre dans le système.

Si les disques continuent à tourner, le processus entier recommence, jusqu’à ce qu’un nouvel arc vient se produire, et ainsi de suite.

Plus les tiges sont rapprochés l’une de l’autre, plus la tension nécessaire pour produire un arc entre les deux est faible : le rythme de ces arcs augmente. Si on écarte un peu les tiges, les arcs sont plus espacés dans le temps mais plus violents également.

Faites attention en éteignant l’appareil : ce n’est pas parce que les disques ne tournent plus que les plaques ne sont plus chargées. Si vous touchez un des éléments métalliques ou une des tiges, attendez-vous à subir un choc ! Pour décharger l’appareil, utilisez un objet en plastique (stylo par exemple) pour déplacer les tiges et les mettre en contact : vous verrez, il restera suffisamment de charges pour produire un petit arc.

Comme toujours en électricité, respectez la règle de l’unique main : mettez une main dans une poche et travaillez avec l’autre. Cela évitera un courant de passer d’une main à l’autre en passant par le tronc et votre cœur. Mettez aussi des chaussures avec une semelle en caoutchouc pour éviter que le choc ne passe dans le sol. En respectant ceci, il est possible de manipuler la machine de Wimshurst sans se faire surprendre par un choc.

Cet objet, ce kit, est produit par une boutique néo-zélandaise : Sparkit Electrostatics, qui vend le kit pour 30 $ (auquel il faut ajouter environ 10 € de frais de port). Ceci est très bon marché vu la qualité de l’appareil.
Prévoyez de la soudure à l’étain pour l’assemblage. Le kit est aussi disponible tout assemblé mais coûte un peu plus cher.

Le Hoverpen

Le Hoverpen.
Ce n’est pas un hoverboard pour stylo, mais presque !

Il s’agit d’un stylo haut de gamme en titane. Le plus intéressant réside cependant dans son socle : simplement posé dessus, le stylo tient alors en équilibre sur sa pointe grâce à une série d’aimants en opposition de pôle.

On aurait aimé que le stylo flotte totalement dans les airs, sans aucun point de contact, mais obtenir quelque chose de stable comme ça est pratiquement impossible. On pourrait utiliser un matériau diamagnétique (qui produit un champ magnétique répulsif quel que soit le champ magnétique dans lequel il baigne), mais les propriétés diamagnétiques, par exemple du carbone, de l’eau ou du bismuth, sont très faibles : juste suffisant pour contrebalancer le poids d’un tout petit aimant, clairement pas d’un stylo entier).
Une autre solution pourrait être un stylo en matériau supraconducteur, mais ces matériaux ne fonctionnent qu’à des températures extrêmement basses, inatteignables dans la vie courante et il aurait de toute façon besoin d’une source d’énergie pour le refroidir, alors qu’ici, le stylo tient debout sans source d’énergie.

Malgré cela, le Hoverpen reste assez sympa à voir et suscite toujours l’étonnement et la curiosité.

Il est disponible sur Kickstarter (mais son prix reste élevé si vous ne cherchez qu’un stylo).
Si vous cherchez un stylo sympa, regardez aussi le fameux « Space-Pen », à cartouche pressurisée et encre thixotrope, qui écrit à l’envers, dans l’eau, dans la graisse…

Une structure en tenségrité

Photo d’une structure qui tient grâce à la tenségrité.
La tenségrité est un mot-valise de « tension » et « intégrité », qualifiant une structure dont l’intégrité est assurée par la tension exercée par certains de ses constituants. L’astuce ici, et qui rend l’ensemble totalement contre-intuitif, c’est que les pièces solides (barres d’acier, de bois…) sont maintenues au sein de la structure sans se toucher et pour certaines sans même toucher le sol par de simples fils. Certaines pièces flottent ainsi avec des fils qui les suspendent vers le haut (depuis le bas, donc), donnant l’illusion d’une construction sortie d’un rêve.

En réalité, quand on conçoit une structure quelconque, les pièces tiennent entre-elles soit par compression (comme les briques d’un mur) soit par tension ou traction (le tablier d’un pont suspendu est maintenu par la tension de gros câbles).
Dans une structure on peut remplacer les éléments sous tension par des câbles ou des fils : ces derniers peuvent assurer une tension (mais pas une compression). La structure tiendra debout, même elle semble alors tenir par l’opération du saint esprit.

Dans la photo, la pièce métallique du haut est suspendue vers le haut par des chaînes souples !

Évidement, pas de magie ici et la réalité est pourtant simple. Il y a 4 chaînettes : celle du milieu assure la suspension de la pièce métallique, et les trois autres assurent l’équilibre de l’ensemble.

Sauf que généralement, la chaînette du milieu est plus discrète et l’on ne voit alors que celles qui tirent la pièce vers le haut, d’où la sensation bizarre quand on observe cette structure.

L’effet aurait été encore plus surprenant si les chaînettes avaient été remplacées par du fil de pêche, encore plus discret.

Un exemple de structure en tenségrité est un chapiteau ou une tente : les mâts d’une tente ne tiennent pas debout tout seuls ; ils ne sont même pas en contacts les uns avec les autres. Ils tiennent grâce à la toile tendue entre eux. Et inversement, la toile conserve sa forme grâce à la présence des mats. L’ensemble est tout à fait stable, mais la simple vue dans la structure des câbles ou chaînettes habituellement souples suffit à nous donner l’illusion d’un effet de magie.

L’objet de la photo peut-être reproduit, et il en existe tout un tas d’autres. Certains artistes, certains architectes utilisent la tenségrité leur constructions.

D’autres sculptures en tenségrité existent, comme celui de Stirling-engine.co.uk

Autres listes

Le présent article est le cinquième d’une série.
Les précédents sont là :

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