CL-1902-98_V2023-2.indd Guide de l’enseignant pour CL-1902_053242 Ensemble d’électromagnétisme CL-1902-98_V2023-2 © ConsuLab Educatech Inc, 2023. Tous droits réservés. CL-1902_053242-98 Table des matières 400-6330, rue Zéphirin-Paquet Québec QC G2C 0M3 Canada consulab.com info@consulab.com Sans-frais: +1 (800) 567-0791 É.U.: +1 (810) 222-4525 Canada: +1 (418) 688-9067 Fax: +1 (418) 843-3444 2 Table des matières Introduction 4 Objectifs pédagogiques de type CRI 4 Modules didactiques 5 Instruments et accesoires 7 Théorie Magnétisme 11 Électromagnétisme 14 Les lois de Faraday 17 Solénoïde électromagnétique 18 Auto-inductance 19 Induction mutuelle 20 Système d’allumage automobile 22 Règle de la main droite 23 Système de charge d’un générateur CA 24 Dynamo ou génératrice CC 24 Circuit de charge de l’alternateur 27 Fonctionnement du moteur électrique 30 Réponses aux activités d’apprentissage 32 Module A-1 Activité d’apprentissage SA-1 NIVEAU 1 — Réponses 33 Activité d’apprentissage SA-2 NIVEAU 2 — Réponses 34 Activité d’apprentissage SA-3 NIVEAU 3 — Réponses 35 Module A-2 Activité d’apprentissage SA-6 NIVEAU 3 — Réponses 36 Test sur le module A-1 et le module A-2 — Réponses 37 Module B-1 et module B-2 Activité d’apprentissage SA-7 NIVEAU 1 — Réponses 38 CL-1902_053242-98 Table des matières 400-6330, rue Zéphirin-Paquet Québec QC G2C 0M3 Canada consulab.com info@consulab.com Sans-frais: +1 (800) 567-0791 É.U.: +1 (810) 222-4525 Canada: +1 (418) 688-9067 Fax: +1 (418) 843-3444 3 © ConsuLab Educatech Inc, 2023. Tous droits réservés. Aucune partie de cet ouvrage ne peut être reproduite ou transmise sous quelque forme que ce soit, par quelque moyen que ce soit, électronique, mécanique, y compris par photocopie et enregistrement, ou par tout système de stockage ou de recherche d’information, sans l’autorisation écrite de l’éditeur. Imprimé au Canada. Le contenu de ce manuel s’applique aux modèles 053242 et supérieurs. Module C Activité d’apprentissage SA-12 NIVEAU 3 — Réponses 39 Test sur le module B-1, module B-2 et module C — Réponses 40 Module D Activité d’apprentissage SA-15 NIVEAU 3 — Réponses 41 Test sur le module D — Réponses 42 Module E Activité d’apprentissage SA-18 NIVEAU 3 — Réponses 43 Test sur le module E — Réponses 44 Module F-1 et module F-2 Activité d’apprentissage SA-21 NIVEAU 3 — Réponses 45 Test sur le module F-1 et le module F-2 — Réponses 46 Utilisation d’un oscilloscope numérique avec l’ensemble CL-1902 47 Modules A-1 et A-2 47 Modules B-1 et B-2 49 Module C 50 Module E 51 Module F-1 52 Module F-2 53 consulab.com info@consulab.com 4 CL-1902_053242-98 Introduction Introduction L’ensemble d’électromagnétisme CL-1902_053242 est conçu pour l’enseignement des principes du magnétisme et de l’électromagnétisme dans le but de démontrer les champs magnétiques (lignes de flux magnétique et de force), com- ment ces principes sont générés et pour quels composants automobiles ils sont utilisés. Les activités de ce manuel sont gérables par l’étudiant et lui permettent d’apprendre les principes enseignés selon son propre rythme. Il peut alors construire des circuits avec des lignes de force magnétique en utilisant les modules A-1, A-2, B-1 et B-2 de l’ensemble, et décrire ce qui se passe lorsqu’un courant et une tension sont appliqués à une bobine de fil. Les modules B-1, B-2 et C lui permettent d’en apprendre davantage sur l’auto-inductance et l’inductance mutuelle. Le module D présente un modèle d’étude de la règle de la main droite. Cette section explique ce qui se passe lorsqu’un aimant traverse une bobine de fil selon les lois d’induction électromagnétique de Michael Faraday, qui font le lien entre le magnétisme et le fonctionne- ment des solénoïdes, des moteurs et des générateurs. Le module E permet à l’étudiant d’apprendre en détail comment l’électromagnétisme génère du courant dans un générateur CA. De plus, Il sera en mesure de découvrir le fonctionne- ment des moteurs électriques lors des activités avec le module F. Cet ensemble didactique offre des travaux pratiques dont les objectifs sont axés sur des critères de référence spécifiques (CRI). Objectifs pédagogiques de type CRI • Critères de rendement – Description exacte des résultats à atteindre et de la méthode dont ils doivent être évalués selon des critères spécifiques qui identifient ce qui doit être appris par l’étudiant. • Ressources éducatives et moyens d’apprentissage – Démontrer la réalisation des objectifs d’apprentissage par la mise en place les 21 activités du manuel, classées par niveaux (3) avec les modules A à F, ainsi que par des discus- sions de groupe et par l’apport de documents complémentaires. • Critères d’évaluation – Tests visant à évaluer l’étudiant sur les notions apprises, les compétences acquises et les résultats obtenus en fonction des objectifs apécifiques à chaque activité. • L’étudiant doit suivre les procédures du manuel pour bien réussir chacune des activités d’apprentissage. Adaptateur d’alimentation Barres métalliques Fils de raccordement E F-2F-1 C B-2 B-1 D A-2 A-1 Indicateur de champ magnétique Boussole Source d’alimentation consulab.com info@consulab.com 5 CL-1902_053242-98 Modules didactiques Modules didactiques Module A-1 : Le module comprend une bobine de fil qui permet de démontrer comment un conducteur porteur de courant crée un champ magnétique. Les deux extrémités de la bobine sont connectées aux bornes bleue et jaune. Module A-2 : Le module comprend une bobine de fil, dont l’enroulement est en sens opposé à celui du module A-1, qui permet de démontrer comment un conducteur de courant crée un champ magnétique et comment la direction des enroulements affecte le champ magnétique généré. Les deux extrémités de la bobine sont connectées aux bornes bleue et jaune. Module B-1 : Le module comprend une seule bobine de fil avec un noyau ouvert. Il est identique au module A-2. Les deux extrémités de la bobine sont connectées aux bornes bleue et jaune du module. Une DEL rouge et une DEL verte sont connectées entre les deux bornes. Ces diodes électroluminescentes ont des polarités opposées. Module B-2 : Le module comprend une seule bobine avec noyau ouvert. Il permet de démontrer l’induction mutuelle; la façon dont l’électricité peut être transférée d’une bobine à une autre avec un noyau ferreux. Sa bobine possède moins de spires que celle du module B-1. Il y a une différence phy- sique entre B-1 et B-2 : les deux extrémités de la bobine sont connectées aux bornes bleue et jaune du module. Une DEL rouge et une DEL verte sont connectées entre les deux bornes. Ces diodes électroluminescentes ont des polarités opposées. Module C : Le module permet de démontrer l’augmentation du rendement lorsqu’une bobine est placée dans une autre et l’action d’un noyau ferreux. Ses deux bobines possèdent un nombre différent de spires. La bobine intérieure peut être déplacée horizontalement de l’intérieur vers l’extérieur par rapport à la bobine extérieure. Ses deux extrémités sont connectées à des bornes bleue et jaune à l’avant du module. Une DEL rouge et une DEL verte sont branchées entre les bornes de chaque bobine et possèdent des polarités opposées. L’intérieur du noyau de la bobine intérieure com- porte un noyau avec plusieurs tiges en aimant permament. consulab.com info@consulab.com 6 CL-1902_053242-98 Modules didactiques Module D : Ce module permet de démontrer comment un conducteur traversé par du courant génère un champ magnétique autour de lui et de démontrer la règle de la main droite. Il comprend deux aimants permanents qui sont placés entre des tiges conductrices et non magnétiques. Une autre tige, qui est mobile avec deux roues à ses extrémités, est aussi conductrice et non magnétique, agit comme un essieu et repose sur les deux autres tiges fixes. L’une des tiges fixes est con- nectée à la borne jaune et l’autre à la borne bleue. Module E : Ce module comprend un aimant permanent monté sur un arbre ou rotor entraîné à l’aide d’une manivelle. Il n’y a qu’une seule bobine. Elle est stationnaire, mais placée près du rotor avec ses deux extrémités connectées aux bornes bleu et jaune de l’autre section du module. De plus, une diode simple est montée sur la face avant et est branchée à des bornes bleue et jaune. Il y a aussi quatre diodes interconnectées qui forment un pont redresseur de type Wheatstone, dont deux sont reliées aux bornes bleue et jaune et les deux autres aux bornes rouge et noire. Module F-1 : Le module F-1 est un moteur CC doté d’une paire de segments sur le collecteur et d’un en- roulement. Une seule bobine est enroulée autour de l’armature (segment simple) et peut être tournée avec la manivelle. Les deux extrémités de la bobine sont chacune reliées au collecteur à segment simple en cuivre monté sur l’arbre d’armature. Les segments sont isolés électrique- ment les uns des autres. Les segments sont munis de deux balais qui sont reliés par des fils rouges et noirs, lesquels sont connectés aux bornes bleue et jaune. Les balais sont montés dans un porte-balais avec régleur qui permet de bloquer manuellement leur position autour du collecteur. REMARQUE : Le coupleur coulissant sur l’extrémité droite de l’arbre d’armature sert à connecter les moteurs F-1 et F-2. Il faut aligner la surface plate des deux arbres avant de faire glisser le raccord. F-1 et F-2 peuvent être entraînés électriquement, manuellement à l’aide d’une manivelle, individuellement ou accouplés. Module F-2 : Le module F-2 est un moteur CC avec plusieurs paires de segments sur le collecteur et avec de nombreux enroulements. Il est doté de deux bobines dont les enroulements sont montés à 90º l’un par rapport à l’autre autour d’une armature (segment double) qui peut être tournée avec une manivelle. Les extrémités de chaque bobine sont reliées à un segment en cuivre du collecteur sur l’arbre de l’armature. Il y a un total de quatre segments de commutation. Les segments sont isolés électriquement les uns des autres. Les deux balais sont disposés sur le collecteur à 90º l’un par rapport à l’autre contre les quatre segments. Les fils rouges et noirs des balais sont connectés aux bornes bleue et jaune. Ce module n’a pas de régleur de position des balais. consulab.com info@consulab.com 7 CL-1902_053242-98 Instruments et accesoires Instruments et accesoires 1. Interrupteur MARCHE/ARRÊT 2. Voltmètre 0-15V 3. Diode Bipolaire 4. Commutateur 12V / 10V 5. Ampèremètre 0-3A 6. Galvanomètre 7. Commutateur de polarité 8. Borne de raccordement des circuits 9. Afficheur à DEL 10. Borne de raccordement des circuits 11. Adaptateur et cordon d’alimentation 11 1 2 3 4 10 9 8 7 6 5 consulab.com info@consulab.com 8 CL-1902_053242-98 Instruments et accesoires Voltmètre 0-15V – Ampèremètre 0-3A Le voltmètre et l’ampèremètre de la source d’alimentation sont connectés en interne aux bornes de sortie. Aucune autre raccordement n’est nécessaire pour les activités. Galvanomètre Le galvanomètre ou microampèremètre doit être connecté dans un circuit électrique à l’aide de ses bornes μA bleue et jaune. Il comprend un indicateur à aiguille avec des palettes de fer aimantées qui servent à montrer la présence d’un flux. Diode Bipolaire La diode bipolaire doit être connectée dans un circuit électrique à l’aide de ses bornes bleue et jaune. Commutateur12V / 10V L’utilisateur peut choisir la tension du circuit lors des activités : 10 VCC ou 12 VCC. Commutateur de polarité avec afficheur à DEL L’utilisateur peut inverser manuellement les polarités de sortie d’alimentation + et –. La source est munie d’un commuta- teur à bascule qui détermine les côtés positif et négatif des bornes de sortie bleue et jaune du circuit. L’afficheur indique la polarité sélectionnée à l’aide de signes + et – en jaune. Après une période d’inactivité d’environ 30 minutes lorsque la source d’alimentation est sous tension, l’afficheur commence à afficher de façon aléatoire les combinaisons de signe ci-contre. Il suffit alors de choisir la direction du courant souhaité ou de réinitialiser le système avec l’interrupteur marche-ar- rêt de la source. Signes de l’afficheur Position du commutateur After a period of inactivity (approx. 30 minutes) with the trainer power supply turned on, the LED display window will begin to randomly display the above combination of displays. In this event, simply make an adjustment of polarity switch or cycle the power supply master power button to reset the system. AU CENTRE (indiquant que la source est sous tension) VERS LA GAUCHE (indiquant un courant du négatif au positif) VERS LA DROITE (indiquant un courant du positif au négatif) SWITCH IN CENTER POSITION (INDICATES THE POWER SUPPLY IS ON) SWITCH IN LEFT POSITION SWITCH IN RIGHT POSITION The power supply has a POLARITY SWITCH which determines the positive and negative polarities of the blue and yellow output receptacles. Yellow LED readouts will indicator selected polarity. consulab.com info@consulab.com 9 CL-1902_053242-98 Instruments et accesoires Boussole Une boussole est utilisée pour détecter et indiquer les pôles d’un champ magnétique. REMARQUE : La flèche rouge pointe vers le pôle NORD de la Terre (pôle SUD magnétique). La boussole sert ici à indiquer les pôles NORD et SUD magnétiques des composants du module et non les pôles NORD et SUD directionnels de la Terre. Indicateur de champ magnétique Une série de petites tiges ferreuses sont maintenues sous vide dans de mi- nuscules alvéoles sur la plaque. Les tiges sont attirées par les champs mag- nétiques qui entourent les composants de l’ensemble lorsque l’indicateur est placé à proximité. Tiges métalliques Tige d’aimant permanent de 8 cm (3 po) x 1,25 cm (½ po) Tige en aluminium (non ferreuse) de 12 cm (5 po) x 1,25 cm (½ po) Tige en acier (ferreuse) de 12 cm (5 po) x 1,25 cm (½ po) Fild de raccordement Fils rouges (2) de 81,3 cm (32 po) Fils noirs (2) de 81,3 cm (32 po) Pôle Nord de la Terre MAGNETIC FIELD INDICATOR – A series of small ferrous rods each held within a small captive compartment. The rods will be affected by nearby magnetic fields when brought in close proximity to components on the trainer. MAGNETIC FIELD INDICATOR – A series of small ferrous rods each held within a small captive compartment. The rods will be affected by nearby magnetic fields when brought in close proximity to components on the trainer. Tiges ferreuses consulab.com info@consulab.com 10 CL-1902_053242-98 Théorie Théorie consulab.com info@consulab.com 11 CL-1902_053242-98 Magnétisme Magnétisme Au dix-septième siècle, Sir William Gilbert croyait que la Terre était un gros aimant ayant des pôles nord et sud. La théorie du magnétisme a été observée pour la première fois à partir d’une pierre d’aimant et ensuite de la réaction des métaux à base de fer. Gilbert a sculpté une boule de pierre aimantée (Figure 1) et a démontré qu’une boussole pointe toujours vers le pôle nord de la Terre, peu importe où elle est placée sur la boule. La pierre d’aimant est un morceau de magnétite naturellement magnétisé, soit un minéral d’oxyde de fer qui est fer- romagnétique. Lorsque la pierre est suspendue dans les airs de sorte qu’elle puisse tourner librement, elle pointe automatiquement vers le pôle Nord. Cette pierre est devenue la première boussole de l’histoire. Les pôles magnétiques des molécules dans la plupart des matériaux sont disposés de façon aléatoire, de sorte qu’il n’y a aucune force magnétique. Dans certains métaux comme le fer, le nickel et le co- balt, les molécules peuvent être alignées de sorte que leur pôle nord pointe chacun dans une direction quelconque et que leur pôle sud soit dans le sens opposé. Ces matériaux peuvent devenir des aimants. Les molécules s’alignent naturellement dans une pierre d’aimant. Le champ magnétique, comme illustré à la figure 2, est l’espace entourant un aimant à travers lequel des lignes de force externes y circulent. La direction de ces lignes est déterminée par la polarité. Chaque aimant (Figure 2) possède un pôle nord et un pôle sud. Les pôles se comportent quelque peu comme des charges électriques. Les pôles opposés s’attirent et les pôles identiques se repoussent (voir Figures 2 et 3). À l’intérieur de l’aimant lui-même, les lignes de force se dépla- cent du sud au nord. À l’extérieur, elles vont du nord au sud et retournent au pôle sud de l’aimant. Plus il y a de lignes de force, plus fort est l’aimant. Figure 1 Pierre aimantée Figure 2 Champs magnétiques de plusieurs aimants différents. Les lignes de force magnétique aussi appelées lignes de flux ou champ magnétique sont directionnelles et sortent du pôle nord et entrent par le pôle sud. CHAMP MAGNÉTIQUE TIGE AIMANTÉE AIMANT EN U CHAMP ÉLECTROMAGNÉTIQUE PÔLES DE SENS OPPOSÉ QUI S'ATTIRENT PÔLES DE MÊME SENS QUI SE REPOUSSENT consulab.com info@consulab.com 12 CL-1902_053242-98 Magnétisme Un aimant (Figure 3) peut constituer tout objet ou dispositif qui attire le fer, l’acier et d’autres matériaux magnétiques. Fondamentalement, il existe trois types d’aimant : • L’aimant naturel; • L’aimant artificiel, qui est fabriqué par l’homme; • L’électroaimant. Le magnétisme établit le lien entre l’énergie mécanique et l’électricité. L’électricité et le magnétisme sont reliés étant donné que tout courant électrique traversant un conducteur crée un champ magnétique. En outre, tout conducteur se déplaçant à travers un champ magnétique crée un courant électrique. L’électricité génère le magnétisme et le mag- nétisme crée l’électricité. Au moyen du magnétisme, un alternateur convertit une partie de la puissance mécanique du moteur en potentiel de force électromotrice (F.E.M.). À l’opposé, le magnétisme permet à un démarreur de convertir l’énergie électrique de la batterie en puissance mécanique pour lancer le moteur. Toute présence de magnétisme constitue essentiellement de l’électromagnétisme qui provient de l’énergie cinétique des électrons. Chaque fois qu’un courant électrique circule à travers un conducteur, un champ magnétique est créé. Lor- squ’un aimant est librement suspendu, ses pôles tendent à pointer vers les pôles magnétiques nord et sud de la Terre, comme une boussole. La figure 4 illustre un champ magnétique composé de nombreuses lignes de force invisibles. Ces lignes sont appelées champ mag- nétique, flux magnétique ou lignes de force magnétique. On peut comparer le flux magnétique au courant électrique. Les lignes de flux sont directionnelles qui SORTENT du pôle nord et qui ENTRENT par le pôle sud. Elles sont concentrées au niveau des pôles et s’étendent dans les zones entre les pôles. Le flux magnétique est le produit du champ magnétique moyen multi- plié par la zone perpendiculaire qu’il pénètre. Il est utilisé pour faire fonctionner des solénoïdes et des transformateurs. Dans un généra- teur électrique où le champ magnétique s’introduit dans une bobine rotative, la zone utilisée pour définir le flux est l’étendue de la zone de la bobine perpendiculairement au champ magnétique. La densité de flux fait référence au nombre de lignes mag- nétiques par unité de surface. On se sert d’une jauge de Gauss pour mesurer les champs magnétiques. Le champ magnétique est une quantité vectorielle puisqu’il possède une direction et une magnitude. Il montre l’influence magnétique sur les charges électriques en mouvement, les courants électriques et les matériaux magnétiques. Le champ magnétique d’un aimant permanent s’exerce sur des matériaux magnétiques comme le fer et attire ou repousse d’autres aimants. Figure 3 Aimants et leur magnétisme Figure 4 Magnetic Flux or Magnetic lines of Force surrounding a bar magnet consulab.com info@consulab.com 13 CL-1902_053242-98 Magnétisme Résumé du magnétisme • Les lignes de flux sont directionnelles, sortent des aimants du pôle nord et entrent par le pôle sud. • Les lignes magnétiques de flux entourant une bobine ressemblent à celles entourant une barre aimantée. • La densité ou la concentration du flux crée la force magnétique. Un champ magnétique puissant présente un champ de flux à forte densité alors qu’un champ magnétique faible est associé à un champ de flux à basse densité. • La densité de flux est toujours élevée au maximum au niveau des pôles d’un aimant. • Les lignes de flux ne se croisent pas dans un aimant permanent. • Les lignes de flux de même direction s’attirent tandis que celles de direction contraire ont tendance à se repousser. consulab.com info@consulab.com 14 CL-1902_053242-98 Électromagnétisme Électromagnétisme Le magnétisme peut également se former par électricité. Au début du 19e siècle, les savants ont découvert que les con- ducteurs porteurs de courant étaient entourés d’un champ magnétique. Le courant passant à travers un conducteur tel qu’un fil de cuivre crée un champ magnétique environnant. Ce phénomène peut être observé en superposant une boussole sur toute la longueur d’un fil de cuivre à travers lequel le courant circule, comme illustré à la figure 5, du côté positif au côté négatif du circuit. L’aiguille dévie de son orientation nord-sud lorsque cela se produit. Le flux de courant qui traverse le fil crée un champ magnétique autour de lui. Plus il y a de courant qui circule, plus le champ magnétique est fort. Ce type de magnétisme qui est créé autour du conducteur lorsque le courant circule est appelé l’électromagnétisme. Dans la figure 6, le champ magnétique entourant un conducteur linéaire qui est porteur de courant, se compose de plusieurs cercles concentriques de flux sur toute sa longueur. Le nombre de lignes mag- nétiques ainsi que leur longueur par rapport à la sur- face du fil déterminent la force ou le flux magnétique. Règles telatives au champ électromagnétique • Les lignes de force magnétique ou flux magnétique ne se déplacent pas lorsque le courant traversant un con- ducteur reste à une valeur constante. Quand le courant augmente, les lignes de force magnétique environnantes s’éloignent davantage. • L’intensité et la force des lignes de force magnétique s’accroissent proportionnellement avec l’augmentation du courant qui traverse le conducteur. Ils diminuent aussi proportionnellement avec la réduction du flux de courant dans le conducteur. • En outre, l’intensité et la force des lignes magnétiques diminuent lorsque la longueur du fil augmente. Cette longueur est inversement proportionnelle au champ mag- nétique ou au flux. • Dans une automobile, pour l’électricité et le magnétisme, il est important de noter ici que nous utilisons la théorie conventionnelle du courant qui part du positif pour se rendre au négatif ou à la masse (+ à -). Nous utilisons alors la règle de la main droite pour déterminer la direc- tion des lignes de flux magnétique comme illustré à la figure 7. Cette règle établit que, si vous enveloppez votre main droite autour d’un conducteur porteur de courant avec le pouce dans la direction du flux de courant (du positif au négatif), vos doigts repliés pointent alors vers les lignes de force. Figure 5 Électromagnétisme Champ magnétique + - Figure 6 Champ magnétique autour d’un conducteur linéaire, porteur de courant, selon la théorie conventionnelle du flux de courant, qui tourne du positif au négatif. Figure 7 Règle de la main droite qui détermine la direction du champ à partir de la théorie classique du débit. consulab.com info@consulab.com 15 CL-1902_053242-98 Électromagnétisme Dans une voiture ou un camion, le champ magnétique créé autour d’un conducteur linéaire peut être assez fort pour interférer avec le flux de courant dans des circuits sensibles à proximité, mais ce n’est pas suffisant pour interagir effica- cement. Le fil doit être enroulé sous forme de bobine pour concentrer le champ magnétique. Plus le nombre de spires de la bobine est élevé, plus le champ magnétique est fort. Lorsque vous placez un noyau en fer doux à l’intérieur d’une bobine, il devient un électroaimant assez puissant pour déplacer des objets. Lors des activités d’apprentissage, nous utiliserons la règle de la main droite afin de déterminer la direction des lignes de force magnétique. Il existe également une règle de la main gauche pour la théorie du flux d’électrons, qui circulent du négatif au positif. Nous n’allons utiliser que la règle de la main droite dans les exercices du module E. Équation pour calculer un champ électromagnétique : Cette équation sert uniquement à illustrer l’interrelation entre les facteurs qui contribuent au champ magnétique : B = Intensité du champ magnétique en teslas N = nombre de tours ou spires dans la bobine µ = constante pour la perméabilité de l’espace libre CL-1902 ELECTROMAG TRAINER 31 Right Hand Rule Figure 8 Right Hand Rule for field direction used with Conventional Flow Theory • In automotive electricity and magnetism, it is important to note at this point that we use the conventional theory of current positive to negative or ground (+ to -), we use the right-hand rule to determine the direction of the magnetic flux lines as shown in Figure 8. It states that if you wrapped your right hand around a current-carrying conductor with your thumb pointing in the direction of current flow (positive to negative), your curved fingers would point in the direction of the lines of force. In a car or truck, the magnetic field around a conductor that’s straight may be strong enough to interfere with current flow in sensitive nearby circuits, but it’s not enough to do work. The wire must be looped into a coil to concentrate the magnetic field. The more loops or turns in the coil, the stronger your magnetic field. When you place a soft iron core into the looped coil, it becomes a strong electromagnet that can move things. For our study we will use the right hand rule to signify the direction of the magnetic lines of force. There is also a Left-Hand Rule for the electron-flow theory that is negative to positive. We will be using the Right-Hand Rule in this module. Formula for Electromagnetic Fields 𝐵𝐵 = 𝜇𝜇! 𝑁𝑁 𝑙𝑙 𝐼𝐼 This magnetic field equation is only used to illustrate the relationship between the factors contributing to the magnetic field. • B = magnetic field strength in Tesla • N = number of turns in the coil • µ = this is a constant that represents permeability of the free space • L = Length of the coil wire in meters = longueur du fil de la bobine en mètres CL-1902 ELECTROMAG TRAINER 31 Right Hand Rule Figure 8 Right Hand Rule for field direction used with Conventional Flow Theory • In automotive electricity and magnetism, it is important to note at this point that we use the conventional theory of current positive to negative or ground (+ to -), we use the right-hand rule to determine the direction of the magnetic flux lines as shown in Figure 8. It states that if you wrapped your right hand around a current-carrying conductor with your thumb pointing in the direction of current flow (positive to negative), your curved fingers would point in the direction of the lines of force. In a car or truck, the magnetic field around a conductor that’s straight may be strong enough to interfere with current flow in sensitive nearby circuits, but it’s not enough to do work. The wire must be looped into a coil to concentrate the magnetic field. The more loops or turns in the coil, the stronger your magnetic field. When you place a soft iron core into the looped coil, it becomes a strong electromagnet that can move things. For our study we will use the right hand rule to signify the direction of the magnetic lines of force. There is also a Left-Hand Rule for the electron-flow theory that is negative to positive. We will be using the Right-Hand Rule in this module. Formula for Electromagnetic Fields 𝐵𝐵 = 𝜇𝜇! 𝑁𝑁 𝑙𝑙 𝐼𝐼 This magnetic field equation is only used to illustrate the relationship between the factors contributing to the magnetic field. • B = magnetic field strength in Tesla • N = number of turns in the coil • µ = this is a constant that represents permeability of the free space • L = Length of the coil wire in meters = intensité ou courant électrique En tant que techniciens, vous devez savoir que le nombre de tours dans la bobine et le courant qui y traverse sont directement proportionnels au champ magnétique. Ainsi, si vous augmentez le nombre de spires de la bobine ou bien le courant, le champ magnétique devient plus fort. Boucle de fil conducteur Enrouler un fil conducteur en boucle autour d’un conducteur linéaire peut ren- forcer le champ magnétique. En effet, lorsque le fil est enroulé, les champs qui se rencontrent au centre de la boucle combinent leurs forces (Figure 8). La règle de la main droite s’applique également aux boucles de fil conducteur. Conducteur de bobine Si plusieurs boucles de fil conducteur sont présentes dans une bobine, la densité du flux magnétique est renforcée. Les lignes de flux autour d’une bobine sont les mêmes que celles autour d’une barre aimantée (Figure 9). Ces lignes sortent du pôle nord et entrent au pôle sud. On peut utiliser la règle de la main droite pour déterminer le pôle nord d’une bobine. L’augmentation du nombre de spires ou de l’intensité du courant électrique dans la bobine, ou les deux en même temps, peu- vent renforcer le champ magnétique. CL-1902 ELECTROMAG TRAINER 31 Right Hand Rule Figure 8 Right Hand Rule for field direction used with Conventional Flow Theory • In automotive electricity and magnetism, it is important to note at this point that we use the conventional theory of current positive to negative or ground (+ to -), we use the right-hand rule to determine the direction of the magnetic flux lines as shown in Figure 8. It states that if you wrapped your right hand around a current-carrying conductor with your thumb pointing in the direction of current flow (positive to negative), your curved fingers would point in the direction of the lines of force. In a car or truck, the magnetic field around a conductor that’s straight may be strong enough to interfere with current flow in sensitive nearby circuits, but it’s not enough to do work. The wire must be looped into a coil to concentrate the magnetic field. The more loops or turns in the coil, the stronger your magnetic field. When you place a soft iron core into the looped coil, it becomes a strong electromagnet that can move things. For our study we will use the right hand rule to signify the direction of the magnetic lines of force. There is also a Left-Hand Rule for the electron-flow theory that is negative to positive. We will be using the Right-Hand Rule in this module. Formula for Electromagnetic Fields 𝐵𝐵 = 𝜇𝜇! 𝑁𝑁 𝑙𝑙 𝐼𝐼 This magnetic field equation is only used to illustrate the relationship between the factors contributing to the magnetic field. • B = magnetic field strength in Tesla • N = number of turns in the coil • µ = this is a constant that represents permeability of the free space • L = Length of the coil wire in meters Figure 8 Boucle de fil conducteur Figure 9 Conducteur de bobine consulab.com info@consulab.com 16 CL-1902_053242-98 Électromagnétisme Électroaimants Pour renforcer le champ magnétique qui entoure un conducteur porteur de courant, il faut ajouter un noyau en fer doux (Figure 10). La perméabilité du fer doux fait en sorte que les lignes de flux magnétique peuvent le traverser facilement. Si une tige de fer est placée à l’intérieur d’un conducteur de bobine, les lignes de flux se concentrent dans le noyau de fer, plutôt que de passer à côté. Cette concentration de lignes qui fait augmenter la force du champ magnétique à l’intérieur de la bobine définit parfaitement les électroaimants. Si la bobine est constituée de plusieurs boucles de fil, la densité du flux magnétique est alors renforcée. Les lignes de flux autour d’une bobine sont les mêmes que celles qui entourent une tige aimantée (Figure 11). La règle de la main droite montre le pouce et les doigts qui indiquent la direction du flux de courant, du positif au négatif, et aussi celle du champ magnétique. Les lignes magnétiques de force ou de flux sortent du pôle nord et entrent par le pôle sud. Vous pouvez utiliser la règle de la main droite (Figure 12) pour trouver le pôle nord d’une bobine. Il suffit de saisir la bobine avec votre main droite en repliant vos doigts autour de la surface dans la direction du flux de courant, du positif au négatif. Votre pouce va automatiquement pointer vers le nord magnétique de l’électroaimant. Plus il y a de tours de fil et de courant dans l’électroaimant, plus le champ magnétique est renforci. Figure 10 Électroaimants Figure 11 Le champ magnétique est généré de B à B lorsque le courant traverse la bobine dans la direction du flux magnétique. Figure 12 Règle de la main droite pour les bobines Le pouce pointe vers le pôle nord Doigts repliés autour de la bobine indiquent un flux de courant du + au − consulab.com info@consulab.com 17 CL-1902_053242-98 Les lois de Faraday Les lois de Faraday Un champ magnétique peut créer un flux de courant à travers un conducteur tant que l’un d’eux est en mouvement. L’in- duction magnétique est le phénomène physique qui résulte de l’utilisation d’un aimant permanent pour créer un champ. La figure 13 illustre bien ce phénomène. Lorsqu’un conducteur est maintenu en place à l’intérieur du champ magnétique d’un aimant en U, tel qu’illustré dans le schéma 1, le voltmètre qui est connecté au conducteur n’indique aucune tension, soit aucune différence de potentiel électrique ou de force électromotrice entre ces 2 points. Tant que l’aimant et le con- ducteur sont fixes, aucun courant ne circule. Cependant, lorsque le conducteur est déplacé dans le champ magnétique afin qu’il traverse les lignes de force, le voltmètre enregistre alors une différence de tension selon le schéma 2. Cette lecture prouve que le courant se déplace. Il circule lorsque le conducteur ou l’aimant est en mouvement; dès qu’un des deux s’arrête, le courant cesse de se déplacer. Le courant et la tension induits dans le conducteur peuvent s’accroître de trois façons : • Par l’augmentation de la vitesse à laquelle les lignes de force sont traversées par le conducteur; • Par l’augmentation du nombre de brins du conducteur traversés par des lignes de force; • Par l’augmentation de la force du champ magnétique. L’induction électromagnétique et les lois de Faraday Les travaux de Faraday ont permis de définir deux lois sur l’induction électromagnétique. La première loi décrit l’in- duction de la force électromotrice (F.E.M.) dans un conducteur et la deuxième loi quantifie la F.E.M. produite dans le conducteur. Elles servent notamment à expliquer les principes de fonctionnement des dynamos ou génératrices (CC) et des alternateurs (CA) qui produisent du courant dans une voiture ou un camion. Première loi de Faraday Michael Faraday a déclaré qu’une force électromotrice (F.E.M.) est induite dans une bobine lorsque le flux magnétique qui la traverse change avec le temps. Chaque fois qu’un conducteur est placé dans un champ magnétique variable, une F.E.M. est induite. Si le circuit conducteur est fermé, un courant est induit et il est appelé courant induit. Deuxième loi de Faraday La force électromotrice (F.E.M.) induite dans une bobine est égale au taux de changement du flux magnétique. Le flux magnétique est le produit résultant du nombre de tours dans la bobine et du flux magnétique associé à la bobine. Les courants sont produits par des variations dans le champ magnétique. Ils sont appelés des courants induits, car ils sont générés par un champ magnétique changeant. La F.E.M. qui produit ce courant est nommée une force électromotrice induite. #1 #2Figure 13 Induction magnétique Lignes de flux magnétique Mouvement du conducteur Tension induite Lignes de flux magnétique Tension non induite Conducteur Conducteur Mouvement du conducteur consulab.com info@consulab.com 18 CL-1902_053242-98 Solénoïde électromagnétique Solénoïde électromagnétique Un solénoïde (Figure 14) est un dispositif qui utilise l’électromagnétisme pour produire des mouvements en petits incré- ments d’avant en arrière qui sont commandés individuellement. Cependant, le solénoïde conventionnel produit beau- coup plus de force de maintien qu’un relais. Cela signifie que le solénoïde peut faire plus que fermer les contacteurs comme le fait un relais. Lorsque le courant traverse la bobine d’un solénoïde, l’électromagnétisme déplace le noyau en fer dans la bobine ; quand le courant cesse, le noyau retourne à sa position de base. Ces mouvements de va-et-vient du noyau peuvent être associés à une partie mobile d’un dispositif. Pensons notamment à une serrure à commande électrique munie d’une gâche qui peut se déplacer dans les deux directions afin de verrouiller ou de déverrouiller la portière d’un véhicule. Vous pouvez utiliser la bobine du module A-2 de l’ensemble CL-1902 ainsi qu’une tige en fer pour démontrer le fonctionnement d’un actionneur à solénoïde (Figure 15), selon l’exemple de la serrure à commande électrique. La bobine du module A-2 devient électromagnétique lorsqu’elle est mise sous tension. Le module A-1 pourrait également être employé pour démontrer cet effet, mais il n’y a pas assez de place au centre de la bobine pour y insérer la tige. Grâce à l’utilisation de l’électromagnétisme, le solénoïde peut faire déplacer la tige dans un sens, puis dans l’autre en inversant simplement la polarité du circuit. Aucun courant : Aucun champ magnétique Avec du courant : La bobine a un champ magnétique similaire à celui d’une tige aimantée Si le courant change de direction : Le champ magnétique le fait aussi. Figure 14 Le solénoïde électromagnétique est une bobine de fil conducteur de forme cylindrique qui agit comme un aimant lorsqu’il transporte du courant électrique. La polarité de la bobine peut être modifiée pour inverser le mouvement. Générateur CA Lignes de champ magnétique produites par le courant Figure 15 Actionneur à solénoïde consulab.com info@consulab.com 19 CL-1902_053242-98 Auto-inductance Auto-inductance L’auto-inductance est l’induction d’une force électromotrice (F.E.M.) dans un circuit lorsque la variation du courant est in- constante. Elle résiste ou s’oppose aux changements de courant qui traverse le circuit. Ce phénomène est dû à la F.E.M. auto-induite qui est produite dans la bobine. L’auto-inductance est l’induction d’une tension dans un fil porteur de cou- rant. La loi de Lenz stipule que cette tension auto-induite tend à s’opposer au courant qui la produit. Si le courant con- tinue à augmenter, cette nouvelle tension s’oppose à l’augmentation. Lorsque le courant se stabilise, la contre-tension n’est plus induite. Il n’y a plus d’expansion des lignes de flux, donc aucun mouvement relatif. Lorsque le courant envoyé à la bobine est coupé, les lignes de flux magnétique en s’effondrant induisent aussitôt une tension dans la bobine. Cette dernière tente de maintenir le courant de départ. La tension auto-induite s’oppose et ralentit la diminution du courant d’origine. Elle s’oppose à la tension de source et on l’appelle force contre-électromotrice (F.C.E.M.). À titre de référence, prenez connaissance de l’équation d’auto-inductance suivante : E = F.E.M. générée −L = Auto-inductance mesurée en henrys I = Variation ou différence du courant dans la bobine t = Variation ou différence du temps écoulé En utilisant l’équation ci-dessus comme référence, lorsque nous avons une variation de courant d’un alternateur ou d’une batterie (Figure 15) avec une différence du temps écoulé (t) qui demeure constante, le nombre de lignes de force mesurées par la variation de courant (I) reste également constant. Il n’y a alors aucune présence de F.C.E.M. dans la bo- bine pendant cette durée. Si l’alimentation est coupée, le courant de batterie diminue entre T1 et T2. Au fur et à mesure que ce courant diminue, les lignes de flux magnétique générées par le courant vont réduire par le fait même. Une force contre-électromotrice dans la bobine est produite par induction électromagnétique. Elle empêche le flux magnétique provenant du courant de diminuer et sa direction reste la même que celle de la F.E.M. générée par le générateur CA (al- ternateur) ou le courant de la batterie.La C.F.E.M. s’oppose à toute modification du courant dans un circuit. L’auto-induc- tance agit comme une inertie. Il faut donc garder un juste équilibre avec la force contre-électromotrice qui a été créée pour établir le courant. On parvient à cet équilibre en tirant l’énergie de potentiel magnétique stockée dans l’armature d’un solénoïde automobile. CL-1902 ELECTROMAG TRAINER 54 Self-Inductance Figure 16 Self-Inductance Self-inductance is the induction of an EMF in a circuit when the current in that circuit is varied not constant. It resists or opposes the change of current flowing through it. This occurs due to the self-induced EMF produced in the coil. Self-inductance is the induction of a voltage in a current-carrying wire. Lenz's Law states that this self-induced voltage tends to oppose the current that produces it. If the current continues to increase, the second voltage opposes the increase. When the current stabilizes, the counter voltage is no longer induced because there are no more expanding flux lines (no relative motion). When current to the coil is shut off, the collapsing magnetic flux lines self-induce a voltage in the coil that tries to maintain the original current. The self-induced voltage opposes and slows down the decrease in the original current. The self-induced voltage that opposes the source voltage is called Counterelectromotive force (CEMF) or a Back EMF. Just for reference, the equation for Self-Inductance is shown below 𝐸𝐸 = −𝐿𝐿 ΔI Δt • E = The EMF generated • -L = Self-Inductance measured in Henrys • I = change in current in coil • t = change in elapsed time Using the above formula as reference, current change from an Alternator or battery (Figure 16) between let’s say the time difference (t) remains constant the number of lines of force measured by a change in current (I) also remain constant. The result is no CEMF created in the coil during this time period. If the current is removed the battery current decreases between t1 and t2. As this current decreases, the magnetic flux lines created by the current also decreases. A CEMF is generated by electromagnetic induction in the coil, which prevents the magnetic flux created by the current from decreasing and the direction of the current due to this CEMF is the same as the EMF generated by the AC generator or battery current. The Back-EMF opposed any change in the current in a circuit. The self-inductance acts as inertia. So, work needs to be done against the Back-EMF in establishing the current. This work done is stored as magnetic potential energy to pull in the armature in an Automotive Solenoid. Générateur CA Lignes de champ magnétique produites par le courant Figure 15 Actionneur à solénoïde consulab.com info@consulab.com 20 CL-1902_053242-98 Induction mutuelle Induction mutuelle Lorsque deux bobines sont placées à proximité l’une de l’autre, le champ magnétique d’une des bobines tend à se lier à l’autre. Cela génère une tension dans la seconde bobine. La propriété magnétique d’une bobine qui affecte ou modifie la tension d’une autre bobine est appelée induction mutuelle. Le changement de courant dans la bobine primaire crée un changement de flux magnétique dans la bobine secondaire, produisant ainsi une force électromotrice induite dans la bobine secondaire. De plus, lorsque deux bobines sont rapprochées et reliées par le même noyau de fer, l’énergie peut être transférée d’une à l’autre par le couplage magnétique (Figure 16). L’induction mutuelle représente l’expansion ou l’effondrement du champ magnétique autour de la première bobine qui induit une tension dans la seconde. Généralement, les deux bobines sont enroulées sur le même noyau de fer. L’enrou- lement qui peut être connecté à une batterie par l’intermédiaire d’un commutateur est l’enroulement primaire. L’autre enroulement qui est relié à un circuit externe est l’enroulement secondaire. L’inductance mutuelle est le principe selon lequel fonctionnent les transformateurs et les bobines d’allumage. Les conditions de commutation sont indiquées à la figure 16 : 1. Lorsque le commutateur est ouvert, il n’y a pas de courant dans l’enroulement primaire, ni de champ magnétique et, par conséquent, ni de tension dans l’enroulement secondaire ; 2. Lorsque le commutateur est fermé, le courant circule dans le circuit et un champ magnétique se forme autour des deux enroulements. L’enroulement primaire transforme ainsi l’énergie électrique de la batterie en énergie mag- nétique par rapport au champ en expansion. Au fur et à mesure que le champ se développe, il traverse l’enrou- lement secondaire et y induit une tension. Un instrument mesureur connecté au circuit secondaire indique le cou- rant ; 3. Lorsque le champ magnétique est étendu à sa pleine puissance, il reste stable tant que le même débit de courant est présent. Les lignes de flux arrêtent de traverser l’enroulement. Il n’y a pas de mouvement relatif ni de tension dans l’enroulement secondaire, comme indiqué par l’instrument mesureur. 4. Lorsque vous ouvrez le circuit, le courant principal s’arrête et le champ magnétique s’effond. Par conséquent, les lignes de flux magnétique traversent l’enroulement secondaire en sens opposé. Cela induit une tension secondaire avec du courant dans la direction opposée, comme l’indique l’instrument mesureur. Mutual Induction AC Figure 16 Mutual Induction (Shutterstock) consulab.com info@consulab.com 21 CL-1902_053242-98 Induction mutuelle À titre de référence, prenez connaissance de l’équation suivant pour définir l’inductance mutuelle : E = F.E.M. induite dans la bobine secondaire B-2 −M = Inductance mutuelle mesurée en henrys IP = Variation ou différence de courant dans la bobine primaire t = Variation ou différence du temps écoulé La taille d’une force électromotrice induite mutuellement est proportionnelle à la différence de courant calculée par le nombre de lignes de force magnétique dans la bobine primaire (B-1 du CL-1902) dans une unité de temps. Le résultat est multiplié par une constante que nous appellerons –M, déterminée par le nombre de spires des bobines B-1 et B-2 ainsi que par d’autres facteurs tels que le type de fer constituant la tige à insérer et l’orientation des deux bobines. Ces renseignements sont fournis à titre de référence uniquement. Le principe de l’inductance mutuelle est utilisé pour faire fonctionner de nos jours tous les transformateurs et les bobines d’allumage d’un véhicule. CL-1902 ELECTROMAG TRAINER 69 4. When you open the switch, the primary current stops, and the magnetic field collapses. As it collapses, the magnetic flux lines cut across the secondary winding, but in the opposite direction. This induces a secondary voltage with current in the opposite direction, as shown on the voltmeter. Just for reference, the equation for Mutual-Inductance is shown below E = −𝑀𝑀 Δ𝐼𝐼" Δt • ES = EMF induced in the secondary Coil B2 • -M = Mutual-Inductance measured in Henrys • IP = change in current in the primary coil • t = change in elapsed time The size of a mutual induced EMF changes in proportion to the changes in current for the number of magnetic lines of force in the primary or B1 coil in a unit of time. This is multiplied by a constant we will call –M that is determined by the number of windings on Coils B1 and B2 along with other factors such as the type of iron used in the steel rod and the orientation of the 2 coils. This information is for reference only. The principle of Mutual Inductance is used with all transformers and the automotive ignition coil. AUTOMOTIVE IGNITION SYSTEM Figure 18 Points and Condenser Type Automotive Ignition System The automotive ignition system (Figure 18 works on the principles of electro-magnetic with the ignition coil, which is a step-up transformer operating on the principle of Mutual Inductance. consulab.com info@consulab.com 22 CL-1902_053242-98 Système d’allumage automobile Système d’allumage automobile Le système d’allumage automobile conventionnel (Figure 17) repose sur les principes de l’électro-magnétisme appliqués à la bobine d’allumage, qui est en fait un transformateur élévateur fonctionnant selon l’inductance mutuelle. Le système comprend les composants et le filage nécessaires pour créer et distribuer une tension pouvant atteindre 40 000 volts ou plus. Il applique la tension de batterie au côté positif de la bobine d’allumage et relie le côté négatif à la masse. Lorsque le fil négatif de la bobine est mis à la masse, le circuit primaire de la bobine (à basse tension) est bouclé et un champ magnétique est créé par les enroulements de la bobine. Lorsque le circuit est ouvert, le champ magnétique s’effond et induit une haute tension dans l’enroulement secondaire de la bobine d’allumage, qui est utilisée pour générer une ten- sion suffisamment grande pour connecter les électrodes de la bougie afin de créer une étincelle. Les systèmes d’allum- age conventionnels utilisaient un rupteur mobile (points d’allumage) pour établir et interrompre la connexion électrique à la masse. Aujourd’hui, le système d’allumage électronique est muni d’un capteur tel qu’une bobine de détection ou d’un commutateur à effet Hall pour signaler au module de commande du véhicule de créer et de couper la masse primaire de la bobine d’allumage. Lorsque le contact d’allumage est mis, la tension 12 V doit être présente à la borne positive et également à la borne négative de la bobine. Les signes positif (+) et négatif (−) de la bobine indique que sa borne positive est plus proche de la borne positive de la batterie que sa borne négative. C’est ce que l’on appelle la polarité de bobine. La polarité est déterminée par le sens du courant de la bobine, soit vers la gauche ou vers la droite. La polarité d’une bobine d’allum- age est surtout déterminée par le sens de rotation des enroulements. La polarité correcte est indiquée sur ses bornes primaires. Si les fils primaires de la bobine sont inversés, la tension nécessaire pour allumer les bougies d’allumage aug- mente de 40 %. La tension de sortie de la bobine est directement proportionnelle au rapport entre le nombre de spires primaires et de spires secondaires utilisées dans la bobine. Bobine d’allumage La bobine d’allumage crée une étincelle à haute tension par induction électromagnétique (I.E.M.). Le principe de l’induc- tion électromagnétique ou de l’I.E.M. stipule que, lorsqu’un champ magnétique traverse un conducteur, une tension y est induite. Dans certains véhicules, les bobines d’allumage sont de véritables transformateurs élévateurs dans lesquels les enroulements primaire et secondaire ne sont pas connectés électriquement. Bougie d’allumage Rupteur d’allumage Bobine d’allumage Figure 17 Rupteur et condensateur d’un système d’allumage automobile conventionnel 12V consulab.com info@consulab.com 23 CL-1902_053242-98 Règle de la main droite Règle de la main droite Un conducteur linéaire, comme les tiges en cuivre du module D, comporte des lignes de force qui gravitent de façon circulaire. Vous pouvez déterminer la polarité des lignes de force autour du conducteur en utilisant la règle de la main droite (Figures 18 et 19) pour connaître la direction du flux. Pour ce faire, il faut enrouler la main droite autour d’un fil conducteur porteur de courant avec votre pouce pointant dans la direction du débit de courant (du positif au négatif), avec les doigts repliés pointant dans la direction des lignes de force ou du flux magnétique. Pour tout ce qui touche l’électricité et le magnétisme dans le domaine automobile, il est important de noter qu’on utilise souvent la théorie con- ventionnelle du courant positif au négatif ou à la masse (+ à −). Le champ magnétique ou le flux autour d’un conducteur peut être assez fort pour effectuer un travail utile comme l’exemple du déplacement de la tige conductrice sur roues du module D. Pour concentrer le champ magnétique, le fil doit être enroulé dans une bobine. Plus il y a de spires, plus le champ magnétique est fort. Lorsqu’un noyau en fer doux est inséré dans la bobine, il devient un électroaimant puissant qui est capable de déplacer des objets comme le fait un solénoïde. Figure 18 Règle de la main droite pour la direction de champ utilisée avec la théorie conventionnelle du débit Sens de courant Sens du flux magnétique + - Figure 19 Règle de la main droite pour ltrouver la direction du champ magnétique et du courant consulab.com info@consulab.com 24 CL-1902_053242-98 Système de charge d’un générateur CA et Dynamo ou génératrice CC Système de charge d’un générateur CA L’alternateur (Figure 20), ou générateur CA, est entraîné par le vilebrequin par l’entremise d’une courroie afin de conver- tir l’énergie mécanique du moteur en électricité. L’électricité est générée par l’action de la ligne de force magnétique du rotor traversant un conducteur appelé stator qui y induit une tension. Cette énergie maintient l’état de charge de la bat- terie (E.C.B.) et actionne les charges du système électrique. Les caractéristiques d’un système de charge sont décrites ci-dessous. • L’alternateur est associé au courant alternatif (CA) qu’il génère; • Le courant alternatif est redressé ou converti en courant continu (CC) à l’aide d’un pont redresseur à diodes pour alimenter la batterie en CC à pleine charge; • L’alternateur doit produire suffisamment d’électricité pour recharger la batterie et alimenter les charges du véhicule; • Le stator vient du mot stationnaire, parce que le conducteur d’un alternateur ne bouge pas contrairement à l’arma- ture d’une dynamo ou d’une génératrice CC. Dynamo ou génératrice CC Pour mieux comprendre l’alternateur, nous allons examiner les principes élémentaires de la dynamo ou de la génératrice CC. Elle se sert également de l’induction électromagnétique pour produire du courant continu, comme illustré à la figure 21. Lorsque les lignes de force magnétique traversent un conducteur (boucle filaire), une tension est induite dans ce même conducteur. La génératrice CC utilise un noyau feuilleté ou des feuilles de fer pour créer un élec- troaimant. Lorsque le courant traverse la bobine, un champ ou flux magnétique est alors créé entre ses axes polaires. On pourrait aussi se servir d’aimants permanents. Figure 20 Alternateur entraîné par courroie Figure 21 Dynamo ou génératrice CC Noyau feuilleté ChampLigne de force Boucle filaire Balai en carbone Bague Collecteur N S consulab.com info@consulab.com 25 CL-1902_053242-98 Dynamo ou génératrice CC La figure 22 illustre une seule boucle de fil métallique entre les pôles nord et sud. Lorsque cette boucle tourne dans des champs magnétiques, elle traverse les lignes de force et induit une tension. Quand le circuit de la boucle de fil est complété, le courant circule. Rotor La boucle filaire du rotor est connectée à une double bague appelée collecteur à bague rotatif et des balais en carbone captent l’énergie électrique lorsque les bagues tournent. Les conducteurs des balais transfèrent l’énergie vers le circuit de charge illustré sous la forme d’une résistance à la figure 21. Durant la rotation complète de la boucle filaire, la ten- sion induite s’inverse et le courant circule alors dans la direction opposée (courant CA) après le premier demi-tour. Pour produire une énergie de sortie dans une direction ou une polarité (courant continu), on se sert du collecteur à bague ro- tatif. Au cours du second demi-tour, les balais en carbone s’énergisent à partir des segments de commutation opposés à ceux sur lesquels ils glissent pendant le premier demi-tour en conservant le même sens de rotation. La forme d’onde de sortie n’est pas un courant continu de niveau constant, mais augmente et diminue pour créer un modèle appelé courant continu pulsé. Ainsi, pour un tour complet de boucle filaire (360°), deux formes d’onde (onde sinusoïdale) sont produites. L’enroulement inducteur (Figure 23) génère un champ magnétique et remplace les enroulements de champ magnétique à noyau feuilleté utilisés dans une génératrice CC. Les pôles du rotor peuvent conserver un certain magnétisme lorsqu’ils ne sont pas sollicités. Toutefois, le magnétisme résiduel n’est pas assez fort pour induire une tension entre les conduc- teurs. Ainsi, l’enroulement inducteur ou l’enroulement de champ fait varier le courant inducteur à travers l’enroulement du rotor pour gérer la force du champ magnétique et ce courant inducteur est contrôlé par un régulateur de tension en ajoutant une résistance en série au circuit. Un noyau en fer souple est monté à l’intérieur de l’enroulement du rotor qui est magnétisé lorsque le courant inducteur circule dans l’enroulement. Les pôles prennent la polarité magnétique du noyau auquel ils sont fixés et le courant est acheminé à l’enroulement inducteur par des bagues collectrices et des balais dans un alternateur à balais. En combinant le fer doux du noyau à l’acier des moitiés du rotor, cela améliore la perméabilité du champ magnétique. Figure 22 DC generator Rotor Stator Figure 23 Alternator Rotor (Field Winding) consulab.com info@consulab.com 26 CL-1902_053242-98 Dynamo ou génératrice CC Stator La figure 24 est une représentation graphique d’un alternateur, dont l’induit ou le stator remplace la carcasse de la génératrice CC. Les enroulements du stator sont stratifiés pour empêcher la formation de courants de Foucault indé- sirables dans le noyau ferreux. Trois conducteurs de l’alternateur sont enroulés autour du noyau cylindrique feuilleté pour former une seule pièce appelée le stator. Le stator ne tourne pas, tout comme le collecteur de la génératrice CC. Les enroulements du stator comprennent chacun un certain nombre de spires et sont espacées uniformément autour du noyau. Il y a autant d’enroulements statoriques que de paires de pôles N-S dans le rotor. L’alternateur à balais utilise des balais en carbone qui se glissent sur deux bagues collectrices (figure 24). Ces balais sont alimentés par le courant de la batterie qui entre et qui sort du circuit du stator. Ils sont installés dans des porte-balais. Le courant inducteur est d’environ 1,5 à 3,0 ampères. Figure 24 Vue éclatée de l’alternateur et de son stator Contre-écrou Poulie Poulie D.E. Roulement Stator Plaque mise à la terre Pont redresseur triphasé Borne pos. vers batterie Connecteur à deux broches Pôle neg. de batterie Couvercle d’extrémité Roulement Vis Régulateur de tensionBobine d’excitation du rotor Balais en carbone Bague collectrice Aérateurs Vis de montage consulab.com info@consulab.com 27 CL-1902_053242-98 Circuit de charge de l’alternateur Circuit de charge de l’alternateur Le circuit de charge de l’alternateur (Figure 25) est constitué d’un aimant rotatif à l’intérieur d’un stator ou conducteur à boucle fixe. Le courant alternatif produit dans le conducteur est redressé par une seule diode comme dans le redresse- ment à simple alternance ou par plusieurs diodes pour le redressement à double alternance. Les activités d’apprentis- sage du présent manuel ne traite pas de la régulation de tension. Cependant, dans un alternateur automobile, le régu- lateur de tension limite le courant d’excitation et la tension de sortie de l’alternateur en fonction des spécifications du système électrique. Le courant CA induit une tension dans le stator en faisant tourner le champ magnétique à l’intérieur du conducteur à boucle fixe. La sortie de courant CA la plus élevée est produite chaque fois que le rotor est parallèle au stator et à ses champs magnétiques positionnés à angle droit. Le rotor fait un quart de tour et se place en parallèle à 90 degrés de la position du stator et des champs magnétiques, faisant passer la tension en crête positive, puis en crête négative, pour produire une tension d’onde sinusoïdale. La forme d’onde est contrôlée par l’angle entre l’aimant et le conducteur. Le régulateur de tension (Figure 26) installé dans un véhicule ajoute une résistance en série au circuit de champ par l’intermédiaire d’un dispositif mécanique ou électronique ou par la gestion contrôlée du moteur. Conducteur du stator Charge Magnétique Champ Figure 25 Fonctionnement basé sur la rotation du champ magnétique à l’intérieur d’un conducteur à boucle fixe Régulateur de tension Figure 26 Régulation de la tension consulab.com info@consulab.com 28 CL-1902_053242-98 Circuit de charge de l’alternateur Redressement à simple alternance Un redresseur à simple alternance transforme la tension CA en tension CC (Figure 27). Le circuit redresseur à simple alternance utilisé dans l’ensemble CL-1902 ne content qu’une seule diode pour cette transformation. Il est défini comme un type de redresseur qui permet de ne passer qu’un demi-cycle d’une forme d’onde de tension CA tout en bloquant l’autre. Pont redresseur à diodes à double alternance Le courant du groupe de diodes à double alternance (Figure 28) circule d’abord dans un sens, puis dans l’autre, de sorte qu’il est qualifié d’alternatif. Tant que le rotor tourne, le courant inverse son débit à chaque demi-tour. Les systèmes automobiles nécessitent du courant continu (CC) pour fonctionner. Le courant alternatif ou CA doit être redressé pour diriger le courant visant à recharger la batterie et à alimenter les systèmes du véhicule. Cela s’effectue grâce à des di- odes. Des diodes supplémentaires sont nécessaires dans le circuit pour compléter le redressement à double alternance (Figure 28). Figure 27 One Module E diode used as a half-wave rectifier Figure 28 Four Module E diodes used in a full-wave rectifier consulab.com info@consulab.com 29 CL-1902_053242-98 Circuit de charge de l’alternateur Une diode agit comme un interrupteur unidirectionnel ou une soupape électrique. La diode bloque la moitié de la ten- sion CA (Figure 29). Elle permet au courant de circuler de X à Y, comme illustré dans la section A du schéma ci-dessous. Dans la section B, le courant ne peut pas circuler de Y à X, car la diode bloque le chemin. La première moitié du débit (de X à Y) peut traverser la diode, tel qu’indiqué dans le graphique (semi-onde sinusoïdale XY). La seconde moitié (de Y à X) n’a pas pu passer par la diode et elle n’est pas représentée dans la forme d’onde du graphique, car le courant n’a ja- mais traversé le circuit. Lorsque la tension s’inverse au début du cycle de rotor suivant, le débit de courant peut circuler via la diode XY. Lorsque vous ajoutez des diodes supplémentaires au circuit, cela permet de redresser plus de tension CA en tension CC. Dans la section A, le courant passe de X à Y. Il part de X, traverse la diode n° 2, puis la charge, puis la diode n° 3 et retourne à Y. Dans la section B, le courant passe de Y à X. Il part de Y, traverse la diode n° 4, puis la charge, ensuite la diode n° 1 et retourne à X. Le courant circule dans la charge dans le même sens, car le CA a été redressé en CC. La forme d’onde du graphique de la figure 29 montre la sortie de courant d’un alternateur avec un conducteur et 4 diodes. Il y a plus de courant car toute la tension a été redressée. C’est ce que l’on appelle le redressement à pleine alternance. Temps Te ns io n C ou ra nt Se ns d u co ur an t Graphique Se ns d u co ur an t Figure 29 Pont redresseur à diodes à double alternance consulab.com info@consulab.com 30 CL-1902_053242-98 Fonctionnement du moteur électrique Fonctionnement du moteur électrique L’électroaimant (Figure 30) se forme dans une boucle de fil métallique qui est placée entre deux pôles électromag- nétiques. Les moteurs travaillent sur le principe de la répulsion magnétique. Cette répulsion se produit lorsqu’une simple boucle de fil conducteur, composée d’une armature, d’un collecteur et de balais, se trouve dans un champ magnétique et que du courant la traverse. Deux champs magnétiques distincts sont alors créés. L’un de ces champs est produit par l’aimant (pôles de l’enroulement du champ magnétique) et l’autre par le courant circulant à travers le groupe conducteur (armature, collecteur et balais). La figure 30 montre le champ magnétique de l’aimant qui se déplace du pôle S au pôle N et le champ magnétique du conducteur qui rayonne autour. Les lignes de force magnétique agissent comme une bande en caoutchouc. Le flux magnétique s’étire et tente de se rac- courcir. Il y a un champ magnétique plus fort d’un côté de la boucle filaire et un très faible de l’autre côté. Par surcroît l’armature, qui est le conducteur, est répulsée par un champ magnétique fort et tourne vers le champ magnétique plus faible. À mesure qu’augmentent le courant dans le conducteur ou dans l’armature du moteur et la résistance des enrou- lements de champ magnétique, les conditions suivantes se produisent : • Le nombre de lignes de magnétisme s’accroît du côté fort; • Une force de répulsion plus significative est appliquée au conducteur (armature); • Le conducteur tente de plus en plus de se déplacer vers le côté faible afin d’atteindre un état neutre équilibré; • Une plus grande quantité de chaleur électrique est générée; • La présence du pôle N et du pôle S d’un aimant est déterminante; • La bague collectrice est séparée en deux sections en cuivre (collecteur); • Le conducteur est plié en forme de U dont les deux extrémités sont connectées aux demi-bagues; • Les balais fixes sont raccordés à une batterie; • La combinaison de la boucle de conducteur en U et de la bague collectrice en cuivre est appelée le collecteur, car ils tournent ensemble et deviennent l’armature. Figure 30 Schéma de fonctionnement du moteur électrique consulab.com info@consulab.com 31 Explication du fonctionnement du moteur électrique Un redresseur à simple alternance transforme la tension CA en tension CC (Figure 30). Le circuit redresseur utilisé dans l’ensemble pour effectuer un redressement de la tension à simple alternance ne contient qu’une seule diode. Ce type de redresseur permet de passer seulement un demi-cycle d’une forme d’onde de tension CA tout en bloquant l’autre demi-cycle. 1. Le courant passe de la borne négative (−) de la batterie (Figure 30) vers le balai et l’anneau en cuivre les plus près du pôle S, traverse le conducteur (armature) et se rend à la bague et au balai les plus rapprochés du pôle N, et retourne enfin à la batterie par la borne positive (+). Ce débit électrique se déplace vers le bas la partie de la boucle qui est près du pôle N et vers le haut celle près du pôle S. Lorsqu’il y a un champ fort d’un des côtés du conducteur et un champ faible de l’autre, le conducteur en soi passe du champ fort au champ faible. Un champ magnétique plus faible entre les pôles N et S d’un côté du conducteur est repoussé par le champ magnétique plus fort de l’autre côté du conducteur. L’armature du moteur se met ensuite à tourner. 2. En tournant, les deux côtés du conducteur en boucle inversent les positions et les deux moitiés de la bague collec- trice entrent alternativement en contact avec les balais fixes du côté opposé. 3. Ceci provoque l’inversion de la direction du débit de courant électrique (courant alternatif) dans les bagues collec- trices, qui continuent à tourner dans la même direction. Vitesse du moteur Les facteurs suivants peuvent faire varier la vitesse d’un moteur : • Tension d’alimentation; • Flux magnétique et débit de courant dans l’enroulement inducteur; • Tension et résistance d’armature. Applications automobiles Les moteurs électriques sont utilisés dans un véhicule, notamment pour lancer le moteur et pour actionner les vitres ou glaces à commande électrique, les sièges, le rétroviseur et l’accélérateur. CL-1902_053242-98 Fonctionnement du moteur électrique consulab.com info@consulab.com 32 CL-1902_053242-98 Réponses aux activités d’apprentissage Réponses aux activités d’apprentissage NOTE : Dans plusieurs activités nous faisons référence à l’utilisation d’un multimètre numérique pour la mesure du courant en microampères (µA). Si votre établissement ne dispose pas d’un instrument capable de mesurer des microampères, vous pouvez utiliser une échelle en milliampères en sachant que ces mesures seront moins précises que celles des microampères. Par exemple : 500 µA s’afficherait comme 5 mA, etc. De plus, l’ensemble CL-1902 est équipé d’un galvanomètre qui est en soi un microampèremètre, mais sans mesure quantifiée. consulab.com info@consulab.com 33 CL-1902_053242-98 Module A-1 — Activité d’apprentissage SA-1 NIVEAU 1 — Réponses Activité d’apprentissage SA-1 NIVEAU 1 Réponses 7. Savez-vous maintenant ce qu’est le magnétisme ? OUI ou NON 8. Savez-vous maintenant qu’il existe des lignes de force magnétique ? OUI ou NON 9. Si vous avez répondu oui, qu’est-ce qui vous a amené à cette conclusion ? Cette activité démontre le mouvement complet du champ magnétique autour d’un aimant permanent. Les lignes du flux sont directionnelles, sortent du pôle nord et entrent par le pôle sud de la tige aimantée. consulab.com info@consulab.com 34 CL-1902_053242-98 Module A-1 — Activité d’apprentissage SA-2 NIVEAU 2 — Réponses Activité d’apprentissage SA-2 NIVEAU 2 Réponses 7. Savez-vous ce qui différencie un électroaimant d’un aimant ? Un aimant est un matériau capable d’attirer le fer grâce à la production d’un champ magnétique qui va s’étendre à l’extérieur de ses limites. Un électroaimant est un type d’aimant dans lequel le champ magnétique est produit par la circulation d’un courant électrique. 8. Savez-vous maintenant pourquoi on utilise la règle de la main droite ? OUI ou NON 9. Si vous avez répondu oui, qu’est-ce qui vous a amené à cette conclusion ? Les conducteurs porteurs de courant sont entourés d’un champ magnétique. Le courant qui circule dans un conducteur tel qu’un fil de cuivre crée un champ magnétique autour de lui. Ce phénomène a été démontré en passant une boussole au-dessus de la bobine de fil, comme dans l’activité SA-1 avec la tige aimantée. L’aiguille de la boussole a pivoté vers le nord, ce qui montre la présence d’un champ magnétique. consulab.com info@consulab.com 35 CL-1902_053242-98 Module A-1 — Activité d’apprentissage SA-3 NIVEAU 3 — Réponses Activité d’apprentissage SA-3 NIVEAU 3 Réponses 6. Savez-vous maintenant à quoi sert l’induction électromagnétique et à quoi sert-elle dans une voiture ou un camion ? OUI ou NON 7. Si vous avez répondu oui, qu’est-ce qui vous a amené à cette conclusion ? Les courants sont produits par les variations du champ magnétique. consulab.com info@consulab.com 36 CL-1902_053242-98 Module A-2 — Activité d’apprentissage SA-6 NIVEAU 3 — Réponses Activité d’apprentissage SA-6 NIVEAU 3 Réponses 7. Savez-vous maintenant comment l’induction électromagnétique fait fonctionner les actionneurs à solénoïde dans les voitures et les camions d’aujourd’hui ? OUI ou NON 8. Si vous avez répondu oui, qu’est-ce qui vous a amené à cette conclusion ? Vous pouvez utiliser un solénoïde électromagnétique pour déplacer des objets ou des dispositifs pour une action mécanique ciblée. Vous pouvez aussi changer la polarité du circuit pour des déplacements en sens opposé. consulab.com info@consulab.com 37 CL-1902_053242-98 Test sur le module A-1 et le module A-2 — Réponses Test sur le module A-1 et le module A-2 Réponses 1. B (Voir l’activité SA-4 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 2. A (Voir l’activité SA-1 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 3. B (Voir Règle de la main droite dans la section théorique) 4. C (Voir l’activité SA-3 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 5. D (See Règle de la main droite dans la section théorique) 6. A (Voir l’activité SA-3 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 7. A (Voir l’activité SA-1 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 8. B (Voir l’activité SA-4 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 9. A (Voir l’activité SA-5 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 10. B (Voir Solénoïde électromagnétique dans la section théorique) consulab.com info@consulab.com 38 CL-1902_053242-98 Module B-1 et module B-2 — Activité d’apprentissage SA-7 NIVEAU 1 — Réponses Activité d’apprentissage SA-7 NIVEAU 1 Réponses 9. Savez-vous maintenant ce qu’est l’auto-inductance ? OUI ou NON 10. Savez-vous maintenant à quoi sert l’auto-inductance dans le fonctionnement d’une automobile ? OUI ou NON 11. Si vous avez répondu oui, qu’est-ce qui vous a amené à cette conclusion ? L’auto-inductance est l’induction d’une force électromotrice (F.E.M.) dans un circuit lorsque l’on fait varier le courant dans ce circuit. Elle résiste ou s’oppose à la variation du courant qui la traverse. Cela se produit en rai- son de la force électromagnétique auto-induite produite dans la bobine. L’auto-inductance est l’induction d’une tension dans un fil conducteur de courant. La loi de Lenz stipule que cette tension auto-induite tend à s’opposer au courant qui la produit. Si le courant continue à augmenter, la seconde tension ou contre-tension s’oppose à cette augmentation. Lorsque le courant se stabilise, la contre-tension n’est plus induite car il n’y a plus de lignes de flux en expansion (aucun mouvement relatif). Lorsque le courant est coupé dans la bobine, les lignes de flux magnétique qui s’ef- fondrent induisent elles-mêmes une tension dans cette bobine qui tente de maintenir le courant initial. La ten- sion auto-induite s’oppose et ralentit la diminution du courant d’origine. Cette tension auto-induite s’opposant à la tension de la source est appelée force contre-électromotrice (F.C.E.M.). La F.C.E.M. réagit à toute modification du courant dans un circuit. L’auto-inductance possèdent les mêmes propriétés que celles d’une inertie. Ainsi, un travail doit être effectué contre la F.C.E.M. pour établir le courant et stocké sous forme d’énergie potentielle magnétique pour faire bouger l’armature d’un solénoïde automobile. consulab.com info@consulab.com 39 CL-1902_053242-98 Module C — Activité d’apprentissage SA-12 NIVEAU 3 — Réponses Activité d’apprentissage SA-12 NIVEAU 3 Réponses 17. Savez-vous maintenant ce qu’est l’inductance mutuelle ? OUI ou NON 18. Connaissez-vous maintenant l’effet de l’inductance mutuelle dans les circuits d’une automobile ? OUI ou NON 19. Si vous avez répondu oui, qu’est-ce qui vous a amené à cette conclusion ? Cette activité démontre comment l’effondrement du champ magnétique de la bobine secondaire du module C entraîne une augmentation du courant secondaire, comme l’indiquent le galvanomètre et le multimètre. Vous pouvez observer le même phénomène dans une bobine d’allumage automobile. consulab.com info@consulab.com 40 CL-1902_053242-98 Test sur le module B-1, module B-2 et module C — Réponses Test sur le module B-1, module B-2 et module C Réponses 1. A (Voir Auto-inductance dans la section théorique) 2. A (Voir Auto-inductance dans la section théorique) 3. C (Voir l’activité SA-7 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 4. A (Voir l’étape 3 de l’activité SA-7 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 5. B (Voir l’étape 9 de l’activité SA-8 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 6. A (Voir l’étape 10 de l’activité SA-8 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 7. B (Voir l’étape 6 de l’activité SA-9 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 8. C (Voir l’étape 4 de l’activité SA-7 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 9. B (Voir Induction mutuelle dans la section théorique) 10. A (Voir Système d’allumage automobile dans la section théorique) 11. A (Voir l’activité SA-10 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 12. D (Voir l’activité SA-11 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 13. B (Voir l’activité SA-11 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 14. A (Voir l’activité SA-11 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 15. B (Voir Induction mutuelle dans la section théorique) 16. C (Voir Induction mutuelle dans la section théorique) 17. D (Voir l’activité SA-12 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 18. B (Voir l’activité SA-12 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 19. A (Voir Induction mutuelle dans la section théorique) 20. B (Voir l’activité SA-12 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) consulab.com info@consulab.com 41 CL-1902_053242-98 Module D — Activité d’apprentissage SA-15 NIVEAU 3 — Réponses Activité d’apprentissage SA-15 NIVEAU 3 Réponses 12. Pouvez-vous maintenant expliquer la règle de la droite ? OUI ou NON 13. Savez-vous maintenant que la règle de la droite est applicable dans le fonctionnement des systèmes automobiles ? OUI ou NON 14. Si vous avez répondu oui, qu’est-ce qui vous a amené à cette conclusion ? Cette activité démontre comment la règle de la main droite est utilisée pour déterminer la direction des lignes de flux magnétique. Cette règle stipule que si vous enroulez votre main droite autour d’un conducteur de cou- rant avec votre pouce qui pointe dans la direction du débit de courant (du positif au négatif), vos doigts repliés indiquent la direction des lignes de force. L’activité démontre également comment une augmentation du courant se produit et comment les pôles opposés font bouger la tige mobile sur roues du module D d’avant en arrière de la même manière qu’un moteur électrique ou qu’un solénoïde. consulab.com info@consulab.com 42 CL-1902_053242-98 Test sur le module D — Réponses Test sur le module D Réponses 1. D (Voir l’activité SA-13 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 2. A (Voir l’activité SA-13 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 3. B (Voir l’activité SA-13 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 4. C (Voir l’activité SA-14 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 5. D (Voir l’activité SA-14 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 6. C (Voir l’activité SA-14 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 7. A (Voir l’activité SA-14 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 8. B (Voir l’activité SA-15 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 9. A (Voir l’activité SA-15 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 10. D (Voir l’activité SA-15 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) consulab.com info@consulab.com 43 CL-1902_053242-98 Module E — Activité d’apprentissage SA-18 NIVEAU 3 — Réponses Activité d’apprentissage SA-18 NIVEAU 3 Réponses 13. Savez-vous maintenant comment fonctionne un générateur CA ou un alternateur dans une automobile ? OUI ou NON 14. Connaissez-vous maintenant la différence entre le redresseur à simple alternance et l’autre à double alternance ? OUI ou NON 15. Savez-vous à quoi sert un redresseur dans une automobile ? OUI ou NON 16. Si vous avez répondu oui, qu’est-ce qui vous a amené à cette conclusion ? Le redresseur à diodes du module E est un montage en pont de quatre diodes connectées en boucle. Lorsque la tension alternative est induite dans la boucle, elle devient une tension continue grâce aux diodes du pont. Étant donné que toute la tension CA se transforme en VCC, ce pont redresseur à diodes est appelé redresseur à double alternance. Ce type de redressement convertit les deux moitiés de chaque cycle d’une onde alternative (signal CA) en un signal CC pulsé par l’action de plusieurs diodes. L’ajout de diodes supplémentaires dans un circuit permet ainsi de redresser une plus grande quantité de tension alternative en tension continue. C’est pourquoi le courant que nous avons mesuré dans cet exercice était plus important que le courant généré par le redresseur à simple alternance qui utilise une seule diode. consulab.com info@consulab.com 44 CL-1902_053242-98 Test sur le module E — Réponses Test sur le module E Réponses 1. B (Voir l’activité SA-16 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 2. A (Voir l’activité SA-16 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 3. A (Voir l’activité SA-18 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 4. D (Voir Dynamo ou génératrice CC dans la section théorique) 5. B (Voir Stator dans la section théorique) 6. A (Voir l’activité SA-17 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 7. D (Voir l’activité SA-16 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 8. A (Voir Rotor dans la section théorique) 9. A (Voir l’activité SA-16 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 10. B (Voir Rotor dans la section théorique) 11. A (Voir Rotor dans la section théorique) 12. B (Voir l’activité SA-18 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 13. A (Voir l’étape 6 de l’activité SA-18 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 14. D (Voir l’étape 8 de l’activité SA-18 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 15. C (Voir Dynamo ou génératrice CC dans la section théorique) 16. A (Voir Système de charge d’un alternateur dans la section théorique) 17. B (Voir l’activité SA-18 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 18. B (Voir l’activité SA-18 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 19. A (Voir l’activité SA-18 de niveau 3 dans le manuel CL-1902-97) 20. D (Voir Système de charge d’un alternateur dans la section théorique) consulab.com info@consulab.com 45 CL-1902_053242-98 Module F-1 et module F-2 — Activité d’apprentissage SA-21 NIVEAU 3 — Réponses Activité d’apprentissage SA-21 NIVEAU 3 Réponses 27. Savez-vous maintenant comment fonctionne un moteur électrique ? OUI ou NON 28. Savez-vous maintenant ce qui fait accélèrer le régime d’un moteur ? OUI ou NON 29. Savez-vous à quoi sert le moteur électrique dans une automobile ? OUI ou NON 30. Si vous avez répondu oui, qu’est-ce qui vous a amené à cette conclusion ? Un moteur CC peut se transformer en générateur de courant car il fonctionne selon les mêmes règles mag- nétiques que pour une génératrice CC. La vitesse d’un moteur CC s’accroît en raison de l’inertie, tandis que la tension et l’ampérage augmentent avec la vitesse. La vitesse était dans cette activité le seul paramètre modifi- able pour augmenter le régime du moteur. Plus le moteur tourne vite, plus la tension et le courant augmentent. Name : Group : Date : Instructor : Grade : consulab.com info@consulab.com 46 CL-1902_053242-98 Test sur le module F-1 et le module F-2 — Réponses Test sur le module F-1 et le module F-2 Réponses 1. A (Voir Fonctionnement du moteur électrique dans la section théorique) 2. D (Voir Fonctionnement du moteur électrique dans la section théorique) 3. C (Voir Fonctionnement du moteur électrique dans la section théorique) 4. A (Voir Fonctionnement du moteur électrique dans la section théorique) 5. A (Voir l’étape 1 de l’activité SA-19 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 6. C (Voir l’étape 6 de l’activité SA-19 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 7. B (Voir l’étape 7 de l’activité SA-19 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 8. A (Voir l’activité de l’activité SA-19 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 9. C (Voir l’activité de l’activité SA-19 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 10. B (Voir l’activité de l’activité SA-19 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) 11. C (Voir l’activité de l’activité SA-20 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 12. A (Voir l’activité de l’activité SA-20 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 13. D (Voir l’activité de l’activité SA-20 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 14. A (Voir Fonctionnement du moteur électrique dans la section théorique) 15. B (Voir l’étape 3 de l’activité SA-21 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 16. C (Voir l’activité SA-21 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 17. C (Voir l’activité SA-21 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 18. D (Voir l’activité SA-21 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 19. A (Voir l’activité SA-21 de niveau 2 dans le manuel CL-1902-97) 20. C (Voir l’activité SA-19 de niveau 1 dans le manuel CL-1902-97) consulab.com info@consulab.com 47 CL-1902_053242-98 Utilisation d’un oscilloscope numérique avec l’ensemble CL-1902 Utilisation d’un oscilloscope numérique avec l’ensemble CL-1902 L’ensemble CL-1902 sur l’électromagnétisme ne requiert pas obligatoirement l’utilisation d’un oscilloscope pour réaliser les activités d’apprentissage suggérées dans le manuel de l’étudiant ou pour l’enseignant qui doit planifier ses tâches de démonstration en classe. Le voltmètre, l’ampèremètre et le galvanomètre intégrés à la source d’alimentation de l’ensem- ble offrent à l’utilisateur un excellent rendement et sont munis de témoins et d’afficheurs reliés au fonctionnement et à la mesure des composants. En outre, la boussole et l’indicateur de champ magnétique fournissent aux étudiants des aides visuelles supplémentaires pour faciliter leur compréhension des exercices. L’oscilloscope numérique permet d’afficher la tension des signaux en temps réel pour une période donnée. Le multi- mètre numérique convertit une mesure de tension en données numériques et l’affiche à l’écran avec des chiffres selon une échelle de valeur spécifique. L’oscilloscope montre les tensions sous forme de lignes traçables qui changent en fonction du temps. L’utilisateur peut configurer lui-même les paramètres de tension et de temps pour ses besoins de visualisation à l’écran. Cet appareil peut facilement et rapidement afficher des voltages extrêmement bas peu importe la durée. Les multimètres numériques sont cependant limités quant à la précision des mesures de tension et à la vitesse élevée des signaux. Le produit CL-1902 est assemblé avec des composants qui génèrent des signaux de tension très basse. L’oscilloscope offre plusieurs fonctions pour bien voir ces signaux, ce qui assure à l’étudiant plus de clarté à l’explication et à la com- préhension des concepts traités lors des travaux pratiques. Les captures suivantes vous sont présentées à titre de référence et de démonstration si vous choisissez d’utiliser un oscilloscope numérique pour analyser les signaux de tension générés ou modifiés dans les circuits de module d’appren- tissage de l’ensemble CL-1902. Pour les exercices nous nous sommes servis d’un uScopeMC, soit un modèle d’oscillo- scope numérique performant pour les diagnostics et très populaire auprès des techniciens automobiles. Cependant, vous pouvez vous servir d’autres modèles disponibles sur le marché qui sont notamment fabriqués par Snap-onMC, OTCMC, PicoMC, HantekMC, AutolMC ou DitechMC. Les motifs de forme d’onde suivants sont paramétrés selon des tensions et des durées précises qui permettront aux enseignants de mieux comprendre la complémentarité de ce puissant outil de diagnostic avec le CL-1902. Vous pouvez trouver d’autres exercices ou applications qui sont réalisables avec l’ensemble, outre ceux inclus dans le manuel de l’étudiant. Modules A-1 et A-2 USING AN OSCILLOSCOPE WITH THE CL-1902 ELECTRO-MAG TRAINER The CL-1902 Electro-Mag trainer does not absolutely require the use of an oscilloscope to complete any of the student assignment or to use the trainer as a demonstrational teaching aids. The power supply’s built-in voltmeter, ammeter and micro-ammeter (Galvanometer) will provide accuracy and visual confirmation of component operation. In addition, the compass and magnetic field indicator provides additional visual aids for student understanding. An oscilloscope is a visual display voltage device that displays voltage over a given period of time. A digital multimeter converts a voltage measurement into a digital numeric display using numbers for a given value. An oscilloscope displays voltages as traceable lines on a screen that changes with time. Both the voltage and time settings can be adjusted for specific viewing needs. Oscilloscopes can easily display extremely low voltages and over very fast time periods. Digital multimeters have limitations on what voltages they can accurately measure and often struggle measuring with very fast voltage signals. The CL-1902 Electro-Mag trainer includes components that generate very low voltages. The oscilloscope is very well suited to view these signals which can provide additional clarity for student understanding and comprehension of what is going on. The following images are provided for your reference and demonstration of how an oscilloscope was used to capture the voltage signals generated or modified by the modules that are on the trainer. The oscilloscope used for the captures was the uScope which represents a very affordable yet, powerful diagnostic tool that is very popular in the vehicle repair industry. However, any oscilloscope can be used including Snapon, OTC, Pico, Hantek, Autel, Ditech and many other brands. The included waveform captures and the associated voltage and time adjustment settings used will provide additional understanding for those instructors choosing to utilize this powerful diagnostic tool with the trainer. There are countless other experiments and exercises that can be performed with this trainer in addition to those included in the curriculum. OSCILLOSCOPE WAVEFORMS FROM CL-1902 ELECTRO-MAG TRAINER MODULES A-1 & A-2 Module A-1 : Signal tracé lors du déplacement de la tige aimantée à l’intérieur de la bobine A-1, sans que l’ensemble soit alimenté. L’amplitude et la fréquence augmentent avec la vitesse des mouvements. USING AN OSCILLOSCOPE WITH THE CL-1902 ELECTRO-MAG TRAINER The CL-1902 Electro-Mag trainer does not absolutely require the use of an oscilloscope to complete any of the student assignment or to use the trainer as a demonstrational teaching aids. The power supply’s built-in voltmeter, ammeter and micro-ammeter (Galvanometer) will provide accuracy and visual confirmation of component operation. In addition, the compass and magnetic field indicator provides additional visual aids for student understanding. An oscilloscope is a visual display voltage device that displays voltage over a given period of time. A digital multimeter converts a voltage measurement into a digital numeric display using numbers for a given value. An oscilloscope displays voltages as traceable lines on a screen that changes with time. Both the voltage and time settings can be adjusted for specific viewing needs. Oscilloscopes can easily display extremely low voltages and over very fast time periods. Digital multimeters have limitations on what voltages they can accurately measure and often struggle measuring with very fast voltage signals. The CL-1902 Electro-Mag trainer includes components that generate very low voltages. The oscilloscope is very well suited to view these signals which can provide additional clarity for student understanding and comprehension of what is going on. The following images are provided for your reference and demonstration of how an oscilloscope was used to capture the voltage signals generated or modified by the modules that are on the trainer. The oscilloscope used for the captures was the uScope which represents a very affordable yet, powerful diagnostic tool that is very popular in the vehicle repair industry. However, any oscilloscope can be used including Snapon, OTC, Pico, Hantek, Autel, Ditech and many other brands. The included waveform captures and the associated voltage and time adjustment settings used will provide additional understanding for those instructors choosing to utilize this powerful diagnostic tool with the trainer. There are countless other experiments and exercises that can be performed with this trainer in addition to those included in the curriculum. OSCILLOSCOPE WAVEFORMS FROM CL-1902 ELECTRO-MAG TRAINER MODULES A-1 & A-2 Module A-2 : Signal tracé lors du déplacement de la tige aimantée à l’intérieur de la bobine A-2, sans que l’ensemble soit alimenté. consulab.com info@consulab.com 48 CL-1902_053242-98 Utilisation d’un oscilloscope numérique avec l’ensemble CL-1902 Modules A-1 et A-2 (suite) MODULES A-1 & A-2 (CONTINUED) MODULES A-1 & A-2 (CONTINUED) Module A-1 : Signal tracé lors du déplacement de la tige aimantée à l’intérieur de la bobine A-1, sans que l’ensemble soit alimenté. Une extrémité de la bobine est connectée à une diode du Module E et l’autre à l’oscilloscope. Le motif montre une polarité positive avec redressement à simple alternance. Module A-1 : Signal tracé lors du déplacement de la tige aimantée à l’intérieur de la bobine A-1, sans que l’ensemble soit alimenté. Une extrémité de la bobine est connectée à une diode du Module E et l’autre à l’oscilloscope. Le motif montre une polarité inverseée avec redressement à simple alternance. MODULES A-1 & A-2 (CONTINUED) MODULES A-1 & A-2 (CONTINUED) Module A-1 : Signal tracé lors du déplacement de la tige aimantée à l’intérieur de la bobine A-1, sans que l’ensemble soit alimenté. La bobine est connectée au pont redresseur à diodes du Module E et l’oscilloscope est relié aux bornes rouge et noire du pont redresseur. Le motif montre une polarité positive avec redressement à double alternance. Module A-1 : Signal tracé lors du déplacement de la tige aimantée à l’intérieur de la bobine A-1, sans que l’ensemble soit alimenté. La bobine est connectée en polarité inversée au pont redresseur à diodes du Module E et l’oscilloscope est relié aux bornes rouge et noiredu pont. Le motif montre une polarité négative avec redressement à double alternance. consulab.com info@consulab.com 49 CL-1902_053242-98 Utilisation d’un oscilloscope numérique avec l’ensemble CL-1902 Modules B-1 et B-2 MODULES B-1 & B-2 MODULES B-1 & B-2 (CONTINUED) MODULES B-1 & B-2 MODULES B-1 & B-2 (CONTINUED) MODULES B-1 & B-2 MODULES B-1 & B-2 (CONTINUED) Module B-1 : Signal tracé lors du déplacement (à vitesse rapide) de la tige aimantée à l’intérieur de la bobine B-1, sans que l’en- semble soit alimenté. L’amplitude et la fréquence augmentent avec la vitesse des mouvements. Modules B-1 et B-2 : Signal tracé avec la tige en fer insérée dans les bobines. Les bornes B+ et de masse de la source sont connectées à la bobine B-1 et l’oscilloscope à la bobine B-2. Il y a permutation de la polarité avec le circuit alimenté à 12 V. L’ induction = 3,8 V. Module B-2 : Signal tracé lors du déplacement (plus lentement) de la tige aimantée à l’intérieur de la bobine B-2, sans que l’en- semble soit alimenté. Modules B-1 et B-2 : Signal tracé avec la tige en fer insérée dans les bobines. Les bornes B+ et de masse de la source sont connectées à la bobine B-2 et l’oscilloscope à la bobine B-1. Il y a permutation de la polarité avec le circuit alimenté à 12 V. L’ induction = 10 V. consulab.com info@consulab.com 50 CL-1902_053242-98 Utilisation d’un oscilloscope numérique avec l’ensemble CL-1902 Module C MODULE C MODULE C (CONTINUED) MODULE C MODULE C (CONTINUED) Module C : Signal tracé avec le déplacement de la plus petite bobine à l’intérieur du module. Les bornes B+ et de masse de la source sont connectées à la grosse bobine et l’oscilloscope à la petite. Le circuit est alimenté à 12 V. L’ induction mutuelle = 0,412 V. Module C : Signal tracé avec les bornes B+ et de masse de la source qui sont connectées à la petite bobine et l’oscilloscope à la grosse. Le circuit est alimenté à 12 V et la polarité est per- mutée avec le commutateur. La poussée inductive = 10 V. Module C : Signal tracé avec le déplacement de la plus petite bobine à l’intérieur du module. Les bornes B+ et de masse de la source sont connectées à la petite bobine et l’oscilloscope à la grosse. Le circuit est alimenté à 12 V. L’ induction mutuelle = 0,688 V. Module C : Signal tracé avec les bornes B+ et de masse de la source qui sont connectées à la grosse bobine et l’oscilloscope à la petite. Le circuit est alimenté à 12 V et la polarité est per- mutée avec le commutateur. La poussée inductive = 15 V. consulab.com info@consulab.com 51 CL-1902_053242-98 Utilisation d’un oscilloscope numérique avec l’ensemble CL-1902 Module E MODULE E MODULE E (CONTINUED) MODULE E MODULE E (CONTINUED) MODULE E MODULE E (CONTINUED) Module E : Signal tracé en tournant lentement la manivelle, sans que l’ensemble soit alimenté. La tension de sortie = 0.680 VCA et il n’y a aucun redressement. L’amplitude et la fréquence fluctu- ent avec la vitesse de rotation. Module E : Signal tracé en tournant rapidement la manivelle, sans que l’ensemble soit alimenté. La tension de sortie = 2.64 VCA et il n’y a aucun redressement. L’amplitude et la fréquence augmentent avec la vitesse de rotation. Module E : Signal tracé en tournant la manivelle à vitesse moy- enne, sans que l’ensemble soit alimenté. La tension de sortie = 1.46 VCA et il n’y a aucun redressement. Module E : Signal tracé lors d’un redressement à simple alter- nance (une seule diode), sans que l’ensemble soit alimenté. consulab.com info@consulab.com 52 CL-1902_053242-98 Utilisation d’un oscilloscope numérique avec l’ensemble CL-1902 Module E (suite) Module F-1 MODULE E (CONTINUED) MODULE F-1 MODULE E (CONTINUED) MODULE F-1 Module E : Signal tracé lors d’un redressement à double alter- nance (pont à 4 diodes), sans que l’ensemble soit alimenté. La tension pulsée = 1,06 VCC et la polarité est directe. Notez les variations de vitesse. Module E : Signal tracé lors d’un redressement à double alter- nance (pont à 4 diodes), sans que l’ensemble soit alimenté. La tension pulsée = 1,06 VCC et la polarité est inversée. Notez les variations de vitesse. Module F-1 : Signal tracé avec les balais positionnés à la limite vers la source d’alimentation, sans que le circuit soit alimenté. La manivelle est tournée dans le sens horaire. Notez la variation de la vitesse rotative. Module F-1 : Signal tracé avec les balais positionnés à la limite vers la source d’alimentation, sans que le circuit soit alimenté. La manivelle est tournée dans le sens antihoraire. Notez la varia- tion de la vitesse rotative. consulab.com info@consulab.com 53 CL-1902_053242-98 Utilisation d’un oscilloscope numérique avec l’ensemble CL-1902 Module F-1 (suite) Module F-1 : Signal tracé lors de la rotation de la manivelle avec les balais positionnés à la limite vers la source (notez la variation de vitesse). L’oscilloscope est connecté aux bornes bleue et jaune du module F-1. La tension de sortie pulsée = ± 0,920 VCC. Son collecteur agit comme un redresseur; il n’a qu’un seul enroulement qui produit moins de pulsations. Module F-2 Module F-2 : Signal tracé lors de la rotation de la manivelle dans les deux directions. L’oscilloscope est connecté aux bornes bleue et jaune du module F-2. Son collecteur possède deux enroulements qui produit plus de pulsations que le module F-1. MODULE F-1 (CONTINUED) MODULE F-2 Polarité avec rotation en sens horaire Polarité avec rotation en sens antihoraire MODULE F-1 (CONTINUED) MODULE F-2 Polarité avec rotation en sens horaire Polarité avec rotation en sens antihoraire consulab.com info@consulab.com 54 CL-1902_053242-98 Notes Notes 400-6330, rue Zéphirin-Paquet Québec QC G2C 0M3 Canada © ConsuLab Educatech Inc, 2023. Tous droits réservés.
