La production et le transport de l`électricité - Hachette

ACTIVITÉS
77
Comment produire simplement une tension alternative ?
Réaliser et observer
■Connecter les deux bornes d’une bobine à un oscilloscope.
■À l’aide d’un moteur, faire tourner un aimant devant la bobine
(
doc. 2 ).
■Observer sur l’oscillogramme la forme, la période et l’am-
plitude de la tension lorsque :
– l’aimant est immobile ;
– la vitesse de rotation de l’aimant augmente ;
– un noyau de fer doux est introduit dans la bobine.
Interpréter et exploiter
■Quelle est la forme de la tension obtenue ?
■Peut-on la visualiser lorsque l’aimant est immobile ?
■Citer deux facteurs influant sur l’amplitude de la tension.
■Quel facteur modifie la fréquence de la tension ?
2
1
Doc. 2 Un aimant, entraîné par un moteur, tourne
devant une bobine reliée à un oscilloscope.
La production et le transport
de l’électricité
N
S
Y1MY
2M
76
Objectifs :
■Identifier
les modes
de production
de l’énergie
électrique.
■Connaître
les fonctions
des différents
éléments
d’un réseau
de distribution
électrique.
■Justifier
le rôle du
transformateur
dans la
distribution
électrique.
11
Le rôle des transformateurs dans le transport de l’électricité
Les câbles des lignes électriques ont une résistance de l’ordre de un ohm par kilomètre.
Utilisons deux fils pour simuler ceux d’une ligne électrique.
EXPÉRIENCE 1. Quelle est l’influence de la résistance d’une ligne ?
Réaliser et observer
■Réaliser le circuit (
doc. 3 ).
■Observer l’éclat de la lampe.
■Mesurer les tensions
U
1aux bornes du générateur et
U
2
aux bornes de la lampe.
Interpréter et exploiter
■À quoi correspond la baisse de tension ?
■Pourquoi la lampe ne brille-t-elle pas ?
EXPÉRIENCE 2. Peut-on réduire l’influence de la résistance d’une ligne ?
Réaliser et observer
■Dans le circuit de l’
expérience 1 , intercaler deux transforma-
teurs (
doc. 4 ) :
– un élévateur de tension 6 V / 24 V à la sortie du générateur ;
– un abaisseur de tension 24 V / 6 V à l’entrée de la lampe.
■Observer l’éclat de la lampe.
■Mesurer les tensions efficaces
U
1aux bornes du générateur
et
U
2aux bornes de la lampe.
Interpréter et exploiter
■Quelle est l’utilité des deux transformateurs ?
2
1
2
1
Ni Cr
ACTIVITÉ 1
ACTIVITÉ 2
Comment s’organisent le transport et la distribution de l’électricité ?
Réaliser et observer
■Observer le schéma (
doc. 5 ).
Interpréter et exploiter
■Entre la centrale et le particulier,
sous quelles tensions l’électricité
est-elle transportée ? distribuée ?
■Pourquoi, à côté de la centrale,
une station élève-t-elle la tension ?
■Sur ce schéma, combien de trans-
formateurs abaissent la tension ?
2
1
ACTIVITÉ 3
Doc. 3 Au laboratoire, simulation d’une ligne
électrique.
Production
Centrale SNCF - Usine Particulier
Transport Distribution
G
T.H.T
225 ou 400 kV H.T 90, 63, 20 kV B.T 400 ou 230 V
20 kV
Doc. 5 Schématisation de la production, du transport et de la distribution
de l’électricité.
Ni Cr
Doc. 4 Deux transformateurs sont intercalés
dans le circuit.
Doc. 1 Pour transporter l’électricité, le réseau français à très haute tension (T.H.T.) a une longueur
de câble équivalente à deux fois le tour de la Terre.

78
COURS
Doc. 6 Schéma d’un alternateur à
deux paires de pôles (tétrapolaire)
A
B
D
CN
N
SS
Induit
(stator)
Inducteur
(rotor)
Doc. 7 Les lignes (T.H.T.) sont
formées de plusieurs faisceaux de
câbles pesant jusqu’à 48 tonnes
par kilomètre.
Doc. 8 Dans les centres
de contrôle, les agents adaptent
la production à la consommation
d’énergie électrique.
Production de l’énergie électrique
Principe de l’alternateur monophasé
■Le déplacement d’un aimant devant une bobine fait apparaître une
tension aux bornes de celle-ci. Cette tension est due au phénomène
d’induction magnétique (
chap. 6 ).
Sa forme est alternative. Elle s’annule lorsque la rotation cesse.
Son amplitude et sa fréquence augmentent avec la vitesse de rotation
de l’aimant.
Seule l’amplitude augmente lorsqu’on introduit dans la bobine un
noyau de fer doux.
■Un alternateur industriel est constitué (
doc. 6 ) :
– d’un rotor comportant des électroaimants. Il est entraîné par une
turbine ;
– d’un stator constitué par des bobines fixes délivrant la tension
alternative.
Transport de l’énergie électrique
Des lignes, souvent aériennes, constituées de câbles métalliques,
transportent l’énergie électrique.
À cause de leur résistance, elles sont le siège de pertes par effet
Joule. On limite ces pertes par un transport de l’énergie électrique
dans des lignes sous très hautes tensions (T.H.T.) (
doc. 7 ).
Ainsi, à la sortie des centrales, des transformateurs élèvent les ten-
sions de 20 kV jusqu’à 225 ou 400 kV. Un centre national surveille
ce transport. De plus, sept centres régionaux assurent la distribution
(
doc. 8 ).
Distribution de l’énergie électrique
La très haute tension est abaissée progressivement à partir de sous-
stations régionales par des transformateurs. Un réseau (90 et 63 kV)
de hautes tensions (H.T.) dessert certaines entreprises, grandes
consommatrices d’énergie électrique (SNCF, usines).
Pour les particuliers, elle est abaissée par des postes de quartier qui
délivrent de la basse tension (B.T.) sous 400 V et 230 V.
3
2
1
11
79
INFO DOC.
De la centrale à l’utilisateur
11
Les centrales électriques
Les centrales électriques fournissent de l’énergie
mécanique aux turbines des alternateurs.
En France, les centrales nucléaires assurent
80 % de la production d’énergie.
Il existe aussi des centrales thermiques et
hydrauliques.
Parmi celles-ci, on distingue les centrales :
■de haute chute (supérieure à 200 m), placées
au pied des barrages;
■de moyenne chute (de 30 à 200 m) à la
sortie des réservoirs;
■au fil de l’eau (chute inférieure à 30 m).
1
Les turbines
Les turbines entraînent les rotors des alter-
nateurs. Elles sont mises en mouvement par
la force de l’eau (centrales hydrauliques) ou
par la vapeur d’eau sous pression (centrales
thermiques et nucléaires).
2
Doc. 1 Centrale nucléaire.
Doc. 2 Centrale hydraulique.
Doc. 3 Turbine Pelton en cours de réparation. En fonctionnement,
la turbine, placée dans un carter, n’est pas visible.

JE SAIS
1. Recopier et compléter
Pour produire une tension variable dans une bobine, il suffit
de ……… un aimant dans son voisinage.
Pour produire une tension variable dans une bobine, il suffit
de ……… cette bobine au voisinage d’un aimant fixe.
La tension efficace délivrée par un alternateur ………
quand la vitesse de rotation du rotor diminue.
2. Oscillogrammes et alternateur
Quelles tensions peut-on obtenir aux bornes du stator d’un
alternateur ? Justifier la réponse.
3. Identifier les éléments d’une ligne
Dans le schéma de la ligne électrique ci-dessous, indiquer
les fonctions des divers éléments
G , T
1et
T
2.
G
T1T2
Ligne électrique
c d
a b
Faire le point avec un QCM
Pour chaque ligne, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).
A B C
EXERCICES
81
1. Un transformateur convertit… de l’énergie électrique
en énergie électrique de l’énergie mécanique en énergie électrique de l’énergie électrique en énergie mécanique
2. Un alternateur convertit… de l’énergie électrique
en énergie mécanique de l’énergie mécanique en énergie électrique de l’énergie électrique en énergie électrique
3. T.H.T. signifie… très haute transformation très haute tension haute tension
4. Un alternateur délivre… une tension continue une tension efficace une tension alternative
5. Les transformateurs se trouvant
à la sortie des centrales… élèvent la puissance
électrique élèvent la tension élèvent l’intensité du courant
6. Le transformateur de votre
quartier… abaisse la puissance
électrique abaisse la tension abaisse l’intensité
7. La fréquence de la tension d’un
alternateur augmente quand… la période de la tension
diminue la vitesse de rotation de l’alternateur augmente la vitesse de rotation de l’alternateur diminue
8. Dans un alternateur de centrale, le
champ magnétique est produit par… des aimants des électro-aimants des turbines
9. Entre deux transformateurs,
les lignes électriques les plus longues
et les plus lourdes sont celles de…
très haute tension
T.H.T. haute tension H.T. basse tension B.T.
10. Les pertes en ligne sont dues… à la résistance
des fils de ligne à l’effet Joule à l’intensité du courant qui traverse les câbles
80
INFO DOC.
11
Les transformateurs
De puissants transformateurs élèvent la tension
(200 kV à 400 kV) vers les lignes à très haute
tension (T.H.T.).
D’autres transformateurs abaissent progressivement
la tension dans les lignes moyenne tension (M.T.) :
63 kV, puis 10 à 15 kV, enfin à 400 V / 230 V dans
les lignes basse tension (B.T.) qui desservent les
utilisateurs.
4
Les alternateurs
Le passage du rotor devant les bobines du stator de
l’alternateur crée des tensions induites sinusoïdales.
Leur valeur efficace est de 15 à 20 kV.
Leur fréquence est de 50 Hz.
Leur puissance peut atteindre quelques centaines
de millions de voltampère (VA).
3
Doc. 4 Salle d’alternateurs.
Doc. 6 La basse tension (230 V) dessert les habitations.
Doc. 5 Transformateur élevant la très haute tension de 225 kV
à 400 kV.

83
a) Sur quel principe commun fonctionnent ces deux alter-
nateurs ?
b)Quel élément produit le champ magnétique ?
c) Quel élément délivre la tension alternative ?
d)Quelle est la différence principale entre les deux types
d’aimants de ces deux rotors ?
e) Quelle est la différence principale entre les deux types
de tensions délivrées par les bobines de ces deux stators ?
JE MAÎTRISE
10. Simulation d’une ligne électrique
Un générateur de 6 V alternatif alimente une ligne élec-
trique. La résistance de la ligne est matérialisée par un
conducteur ohmique de 56 ⍀. Un autre conducteur
ohmique de 10 ⍀symbolise un appareil branché entre
C
et D . La loi d’Ohm est applicable pour ce circuit alimenté
en alternatif.
a) Quelle est l’intensité efficace I du courant parcourant
le circuit ?
b)Calculer la tension efficace aux bornes de R .
c) Calculer la tension efficace disponible entre C et D pour
alimenter l’appareil.
d)La valeur nominale de la tension de l’appareil symbolisé
par le conducteur ohmique de résistance
r est 6 V. Cet
appareil peut-il fonctionner convenablement ?
11. Pertes de puissance en ligne
La puissance perdue par effet Joule dans une ligne est
donnée par la relation
P ⫽ R ⭈ I
2;
R est la résistance de la
ligne et
I l’intensité efficace du courant qui la parcourt.
a) Un fil de ligne de 15 km a une résistance de 0,9 ⍀
par kilomètre. Il est parcouru par un courant d’intensité
efficace 1 000 A. Calculer la puissance perdue par effet
Joule dans ce fil.
b)Au départ de la ligne, on installe un transformateur
industriel, élévateur de tension, dont le rapport de trans-
formation est 100. Calculer la nouvelle intensité efficace
du courant. En déduire la puissance perdue par effet Joule
dans le fil de ligne.
c) Faire le rapport de l’intensité de la question a) avec
celle de la question b). Comparer ce rapport à celui des
deux puissances perdues par effet Joule.
d)Pouvait-on prévoir le résultat de la question c) ?
12. Un scrabble
Compléter la grille avec les mots correspondant aux infor-
mations suivantes :
Verticalement :
3) Unité des tensions.
Valeur écrite sur la plaque signalétique des appareils.
8) En alternatif sinusoïdal, valeur maximale divisée par 冪
苶
2.
10) Associé à un disjoncteur différentiel, ce fil protège les
personnes.
Fait tourner le rotor de l’alternateur.
Produit des tensions alternatives.
Horizontalement :
1) Fil qui n’est pas neutre.
Tensions ayant des centaines de kilovolts.
25 volts en est une.
Il est élévateur ou abaisseur.
6) Enroulement à l’entrée d’un transformateur.
8) Lorsque cet enroulement n’est pas primaire.
Lorsqu’elle est apparente, elle s’exprime en VA.
13. Influence de la vitesse du rotor
On a relevé les oscillogrammes de la tension délivrée par un
alternateur de bicyclette lorsque son galet tourne à deux
vitesses différentes. La sensibilité verticale commune est
de 1 V/div et la durée du balayage est de 100 ms/div.
G6 V
R ⫽ 56 ⍀ (ligne) C
appareil
r ⫽ 10 ⍀
D
82
EXERCICES
4. Dans les centrales, sous quelle tension
produit-on l’électricité ?
a) Sous quelle tension transporte-t-on l’électricité sur de
longues distances ?
b)Pour un particulier, sous quelle(s) tension(s) la livraison
de l’énergie électrique se fait-elle ?
5. Alternateur ou transformateur
a) Quel est le phénomène physique commun au principe
d’un transformateur et d’un alternateur ?
b)Quelle est la principale différence mécanique entre un
transformateur et un alternateur ?
c) Quelle est la forme de la tension délivrée par un alter-
nateur et un transformateur ?
d)En France, la fréquence des tensions du réseau EDF est
50 Hz. Cette grandeur physique est-elle déterminée par les
alternateurs ou par les transformateurs ?
J’APPLIQUE
6. Une scierie
Un générateur alternatif de puissance apparente S ⫽15 kVA
alimente le moteur d’une scierie par l’intermédiaire d’une
ligne de résistance 0,5 ⍀.
On rappelle que la puissance apparente est
S ⫽ U ⭈ I (VA)
et la puissance dissipée par effet Joule est
P
J⫽
R ⭈ I
2(W).
a) Calculer l’intensité du courant dans la ligne et la puis-
sance perdue par effet Joule :
■si la tension efficace au départ de la ligne vaut 230 V ;
■si la tension efficace au départ de la ligne vaut 400 V.
b)À partir de ces résultats, sous quelle tension est-il plus
économique de distribuer l’énergie électrique du générateur ?
7. Vitesse de rotation et fréquence
La fréquence de la tension délivrée par un alternateur est
proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor.
Un alternateur délivre une tension de fréquence 50 Hz
lorsqu’il tourne à 3 000 tr/min.
À quelle vitesse doit-il tourner pour fournir une tension de
fréquence 60 Hz ? (Cette fréquence est utilisée dans la
Marine Nationale.)
8. Étude expérimentale
Un aimant est en rotation devant la face d’une bobine dont
les deux bornes sont reliées à celle d’un oscilloscope. On
envisage les trois montages ci-après :
La vitesse de rotation n
2est supérieure à
n
1.
Associer ces trois montages aux oscillogrammes corres-
pondants, réalisés avec les mêmes calibres. Justifier les choix.
9. Alternateurs
L’alternateur d’une automobile
Le rotor à griffes comprend 6 paires de pôles. Ce ne sont
plus des aimants permanents mais des électroaimants ; ils
sont alimentés par une partie du courant créé par l’alter-
nateur.
Le stator est constitué de bobines dont les enroulements
assurent à leurs bornes des tensions triphasées.
L’alternateur d’un cyclomoteur (appelé aussi volant
magnétique).
Le volant magnétique est constitué :
■d’un rotor mobile solidaire de l’arbre moteur ; ce rotor
comprend 4 à 6 aimants permanents ;
■d’un stator comprenant 3 à 5 bobines. Chacune d’entre
elles délivre une tension
monophasée qui ali-
mente un des circuits
du cyclomoteur.
Clignotant
Clignotant
B3
Allumage
B2
Éclairage
B1
Avertisseur
et stop
Dispositif
d’allumage
S
S
SN
N
a b c
NS
Noyau de
fer doux
n2
NS
Noyau de
fer doux
n1
NS
n1
1 2 3
Vers l’oscilloscope
EXERCICES
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12345678910 11 12 13 14 15 16

84
Compléter le tableau ci-dessous :
a) Quelle est l’influence de la vitesse de rotation du galet
de l’alternateur sur la fréquence et sur la valeur maximale
de la tension délivrée par l’alternateur ?
b)Les deux vitesses de rotation du galet sont de 2,5 tr/s
et 5 tr/s.
À quelle vitesse de rotation du galet correspond l’oscillo-
gramme 1 ? Justifier votre réponse.
14. D’après BEP
(académie de Paris – Créteil – Versailles)
Afin d’étudier le rôle du transformateur dans le transport
d’énergie, un élève réalise le montage électrique suivant où
l’on considère que les conducteurs ohmiques
R
1et
R
2se
comportent comme des fils électriques de grande longueur.
a) Donner le nom des appareils 1 et 2 utilisés dans le mon-
tage du
document 1 .
b)Le générateur utilisé délivre-t-il une tension continue ou
une tension sinusoïdale ? Justifier la réponse.
c) L’appareil utilisé pour mesurer la tension aux bornes de
la lampe comporte plusieurs calibres : 200 mV, 2 V, 20 V
et 200 V. Sachant que le générateur délivre une tension de
6 V, quel calibre l’élève doit-il choisir ?
d)La tension relevée aux bornes de la lampe est de 3,30 V.
Calculer, arrondie au centième, la tension aux bornes de
chacun des conducteurs ohmiques
R
1et
R
2.
e) On rappelle : U ⫽ R ⭈ I ; P ⫽ U ⭈ I ; P ⫽ R ⭈ I
2pour un
conducteur ohmique. La valeur de l’intensité du courant
circulant dans chacun des conducteurs ohmiques
R
1et
R
2
est I ⫽0,90 A.
Calculer, en watt, la puissance consommée par chacun des
conducteurs ohmiques
R
1et
R
2.
f) Dans le montage du document 1 , on introduit deux
transformateurs
T
1et
T
2comme le montre le
document 2 .
T
1est un transformateur élévateur de tension,
T
2est un
transformateur abaisseur de tension. L’intensité du courant
traversant les résistances
R
1et
R
2est alors
I ⫽170 mA.
■Calculer la puissance consommée par chacun des
conducteurs ohmiques dans ce cas.
■Comparer cette puissance à celle consommée par les
conducteurs ohmiques dans le premier montage.
■En déduire l’intérêt d’utiliser des transformateurs dans le
transport de l’énergie électrique.
G
T1
R1
T2
R2
G
R1 ⫽ 1,5 ⍀
R2 ⫽ 1,5 ⍀
Lampe
6 V
appareil de
mesure 2
appareil de
mesure 1
Observation : la lampe brille normalement.
Observation : la lampe brille peu.
1
2
EXERCICES
Période (s)
Fréquence (Hz)
Valeur
maximale de
la tension (V)
Oscillogramme 1 Oscillogramme 2
oscillogramme 1
oscillogramme 2