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Vélo Énergie Depuis le 19ème siècle et la révolution que l’électricité a provoquée dans le domaine des sciences et des technologies, les ingénieurs ont cherché les solutions les plus performantes pour générer cette électricité. A l’aube du XXIème siècle, nous nous rendons compte que les solutions que nos prédécesseurs utilisaient, celles qui faisaient la part belle aux énergies fossiles, posaient de gros problèmes pour l’environnement. De nombreuses recherches, mettant en oeuvre des moyens énormes, sont depuis mises en place pour trouver des sources d’énergie dites « propres », c’est-à-dire ne rejetant pas de CO2 ou d’autres gaz nocifs pour notre atmosphère, et ne produisant pas de déchets. En partant d’un phénomène relativement simple et des fondements de l’électromagnétisme, nous avons tenté de perfectionner notre système pour obtenir un maximum de puissance électrique à partir de la puissance mécanique fournie par les jambes d’un cycliste sur sa machine. Force de Lorentz Champ magnétique À l’instant initial, on déplace une barre conductrice dans un champ magnétique homogène B. Tout aimant possède un champ magnétique. Il peut être représenté par des lignes de champ. Ce champ est tangent à celles-ci en tout point de l’espace. Plus les lignes de champ sont proches et plus le champ est intense. Le champ magnétique en un point définit la force magnétique que subirait une charge en mouvement en ce point. S - fM fE Celle-ci va subir une force magnétique fM, appelée force de Lorentz, due au champ B qui va attirer les charges positives vers le bas. fM v Une force électrique fE va apparaître à cause d’un défaut de charges positives dans le haut de la barre. N Lignes de champ d’un aimant fE = qE V E E B Finalement, les forces magnétique et électrique vont s’équilibrer, et on aura une difference de potentiel aux bornes de la barre. fM = q v x B v - + + Barre à l’instant initial Barre après un temps t Barre à l’équilibre Principe de fonctionnement D’après le principe de relativité galiléene qui dit que les lois physiques de la mécanique sont identiques dans tout repère inertiel, on peut démontrer qu’une barre se déplaçant à une vitesse w dans un champ magnétique est équivalent à une barre immobile dans un champ qui varie dans le temps malgré que la vitesse des charges soit nulle dans ce cas. Quand le champ B varie, il y a une différence de potentiel (appelée force électromotrice E) aux bornes de la spire. La polarité est différente selon que l’on approche ou que l’on éloigne l’aimant. w S N + Nos Améliorations E L’aimant avance vers la spire w S B N Loi de Faraday dΦM E=dt B - + E L’aimant s’éloigne de la spire Noyau ferromagnétique S Normalement, les lignes de champ divergent très vite lorsque l’on s’éloigne un peu de l’aimant, c’est-à-dire que le champ magnétique diminue très vite en intensité. Pour palier ce problème, on utilise un noyau ferromagnétique qui permet de concentrer les lignes de champ. N Bobine sans noyau ferromagnétique S N Bobine avec noyau ferromagnétique Adaptation d’impédance Intensité (en A) Tension (en V) Bien que le terme semble compliqué, l’adaptation d’impédance correspond simplement au choix des éléments dans le circuit électrique. temps (s) D’abord, il faut choisir la valeur de la résistance. Après une analyse théorique, on en déduit que la résistance chauffante doit avoir la même valeur que la résistance de la source (circuit + bobine). La puissance à un instant donné est le produit de la tension et de l’intensité à cet instant. Pour fournir la plus grande puissance, on voit qu’il est important que les maximums de ces deux grandeurs coïncident. Comme la bobine induit un retard du courant sur la tension, il faut en théorie mettre un condensateur (qui quant-à lui retarde la tension) pour remettre corriger le retard du courant. Le fait d’ajouter un condensateur dans notre circuit implique l’apparition d’un phénomène qui s’appelle la résonance. En effet, il existe une fréquence particulière de pédalement, nommée la fréquence propre du circuit, pour laquelle on observe un pic de puissance. Tension et intensité en fonction du temps sans déphasage Intensité (en A) Tension (en V) temps (s) Tension et intensité en fonction du temps avec déphasage À vous de jouer ! Qui saura générer le plus de puissance ?
