TPE Les trains à sustentations magnétiques Comment s`utilise l

TPE
Les trains à sustentations magnétiques
Comment s’utilise l’électromagnétisme dans ce type de
train à sustentation?
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Introduction :
Le train à sustentations ne se trouvent jamais en contact avec les rails.
Pour cela l’intervention du magnétisme est nécessaire à plusieurs
étapes de son fonctionnement.
Ce train utilise donc l’électricité et la transforme en énergie
magnétique.
Nous définirons ce qu’est l’électromagnétisme et comment s’utilise ce
phénomène dans ce type de train puis nous établirons la liste des
avantages de cette technologie dite de non contact.
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I- Principes de magnétisme et d’électromagnétisme
1) Le magnétisme et l’electromagnétisme
Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifeste des forces
attractives ou répulsives d'un objet sur un autre
Un champ magnétique peut être crée par un aimant.
Expérience:
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Mais aussi par un courant électrique.
Expérience:
C’est Christian Oersted qui le premier, en 1819, a observé que le courant avait sa place dans le
magnétisme. En plaçant une boussole à côté d’un fil électrique soumis à du courant, il s’est aperçu
que la boussole déviait
Un fil traversé par un courant produit un champ magnétique.
L’induction magnétique (en telsa) est telle que:
Où :
µ0 est la perméabilité du vide = 4pi.10-7
I : intensité du courant en ampère
d : distance entre le point considéré et le conducteur.
1 gauss = 1 maxwell / cm² = 10-4 teslas
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L'électroaimant fonctionne selon le même principe : il comprend un nombre " n "
d'enroulements de fil de cuivre appelés spires.
Plus il y a de spires, plus l'électroaimant est puissant.
De plus, plus le courant qui traverse la bobine est intense, plus le champ magnétique créé
est puissant.
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II- L’UTILISATION DE L’ELECTROMAGNETISME DANS LE
FONCTIONNEMENT DU TRANSRAPIDE
1) La propulsion
Le moteur linéaire synchrone à stator long
est un moteur sans contact
La propulsion est assurée par un jeu
d'attraction et de répulsion.
-
+
+
-
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La vitesse du train varie en fonction du courant alternatif qui est envoyé dans les
bobinages de la voie, mais aussi grâce à l'ajustement de la fréquence (en courant
alternatif, la variation des pôles nord et sud est dépendante de la fréquence du courant).
Au lieu d'un champ magnétique rotatif, le courant génère une onde magnétique qui se
déplace parallèlement à la voie, attirant ainsi le train.
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L’alimentation des bobines de la voie se fait par des générateurs répartis en
sections.
Cette alimentation est transmise par des câbles. Elle est de 20k volts.
Ensuite le train n'est pas alimenté pour le déplacement (propulsion + lévitation +
guidage).
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2) La lévitation
•
Expérience sur répulsion de deux bobines : Ceci explique le principe de lévitation et de
guidage du train.
On calcule la force portante de la bobine par la formule:
Avec:
F : force portante en (N)
B : induction en teslas (T)
S : surface d’un disque
formé par des spires
.
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•
Mais la répulsion magnétique est un phénomène assez peu stable qui demande d’être contrôlé.
C’est pour cette raison que des électroaimants sont aussi disposés sur les côtés de rails de
guidage. De cette façon, le train est forcé de rester au centre de son rail. La somme des
vecteurs force de droite et de gauche est bien évidemment égale au vecteur nul, sans quoi le
train ne resterait pas au centre. On est donc amené à construire des rails qui maintiennent la
rame au centre, c’est le cas de l’image ci-dessous.
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3) Le freinage
Une fois le train lancé, il faut pouvoir l'arrêter efficacement, étant donnée sa très grande
vitesse. Ce freinage se fait encore sans contact.
Dans le cas du système de sustentation, le freinage se fait par ralentissement des ondes
magnétiques qui tirent le train.
Dans le cas du système de lévitation, le freinage s'effectue par des aérofreins (en jaune)
situés sur le train.
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III- AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS
Avantages :
- Vitesses plus élevées
- Meilleures
accélérations.
Franchissement de
pentes plus fortes.
- Risque presque nul de déraillement dans des constructions
telles que le Transrapid
- À vitesse égale, ils produisent moins de bruit
- Meilleur rendement énergétique (consommations
proportionnellement plus faibles).
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Inconvénients:
-Prix de construction des voies très important.
-En effet le maglev lévite grâce à des aimants contenus sur les wagons et à
des bobines conductrices dans les rails. Ces aimants sont fait de niobium
et de titane et sont refroidis à -269°C (4,5 K) par de l'hélium liquide pour
pouvoir conserver leur supraconductivité.
- Incompatibilité avec les réseaux traditionnels
- Peu adapté au fret lourd.
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IV- CONCLUSION
Cette nouvelle technologie est prometteuse car elle permet de gagner de la vitesse de la
consommation d’énergie malheureusement elle reste relativement couteuse.
La technologie du train à sustentation magnétique est assez pointue nous retiendrons
schématiquement qu’elle est divisée en deux parties :
La lévitation et la propulsion possibles grâce à la suspension électromagnétique produite
par les électroaimants et un moteur linéaire synchrone à stator long.
Le train gagne de la vitesse avec un courant alternatif envoyé dans les bobines de la
voie et à l’ajustement des fréquences. Le freinage est assuré par un moteur pour réduire
la vitesse avec des aérofreins situés sur le haut du train permettant d’augmenter le
frottement de l’air.
Le fonctionnement du train se produit par électromagnétisme afin de le faire léviter
propulser et freiner.
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Les Hauts-Parleurs
Introduction:
Le haut-parleur est apparu en 1877.
L’étude d’un haut-parleur permettra de
mettre en évidence la conversion
d’énergie électrique en énergie
mécanique. C’est une sorte de
moteur constitué d’une bobine et
d’un aimant.
Problématique:
Quel rôle joue l’électromagnétisme
dans un haut parleur ?
Le son
•
Le son est une onde dite de
compression. On peut observer des
zones ou l’air est dilatée, la
pression de l’air est minime on peut
aussi observer des zones ou l’air est
compresser, la pression de l’air est
maximum. Le son se propage a
334m/s.
La fréquence et l’intensité du son
•
•
•
•
La fréquence du son s’exprime en
Hertz: la bande de fréquence
audible s’étend de 20Hz a 20000Hz
Les infrasons se trouvent en
dessous de 20Hz, ils sont trop
grave pour être entendu.
Les ultrasons se trouvent au dessus
de 20000Hz, ils sont trop aigu pour
être perçu par l’oreille humaine.
L’intensité du son s’exprime en
Décibel: le seuil d’audibilité est
0dB jusqu’à 130dB.
Le principe du Haut-Parleur
•
Le principe de fonctionnement
d ’un haut-parleur est simple: par le
mouvement de va et vient d’une
membrane, le haut parleur créer des
compressions et des réfractions qui
réalise l’onde sonore.
Le fonctionnement
•
L’origine de la force de
déplacement de la membrane est
illustré par ce dessin: si un
conducteur ( la bobine pour le haut
parleur ) parcouru par un courant
électrique, est placée dans un
champs magnétique alors il est
soumit a une force mécanique
perpendiculaire au champs
magnétique et au conducteur.
Le LHC
Et l’électromagnétisme
Introduction
A la frontière franco-suisse, le
LHC avec ses 27 km de
circonférence, permettra
d’atteindre des énergies de
14 TeV.
Des faisceaux de protons ou
d’ions y circuleront en
sens inverses, se
collisionnant.
L’objectif principal du LHC
est de détecter le Boson de
Higgs pour confirmer le
modèle standard, ou
l’infirmer.
Problématique
Il existe deux types d’accélérateurs à particules : les
linéiques et les circulaires.
Nous nous intéresserons dans cette partie à
l’utilisation de l’électromagnétisme dans la
déviation de la trajectoire des particules
élémentaires dans un accélérateur circulaire.
I°) Pourquoi courber la trajectoire
des protons ?
• Construction sur le
site de l’ancien LEP.
• Forme
approximativement
circulaire
• Composé en réalité de
8 octants.
• Accélérer et projeter
des protons les uns
contre les autres
• Vitesse des protons
approchant de la
vitesse de la Lumière
II°) Force magnétique de Lorentz
• 1°) Expérience
Grâce à un électroaimant (ici une
bobine), nous allons
dévier les protons
situés dans les
cathéters derrière
l’écran.
• 2°) Force de Lorentz
Force magnétique F
Vitesse V
Champ Magnétique B
________________
Rayon du cercle R
Masse de la particule m
Vitesse de la particule v
Charge électrique de la particule q
Intensité du champs magnétique B
III°) Et en pratique
Pour un faisceau de 7 TeV
 Champs magnétique
de 8,3 Tesla
 Dégagement de
chaleur
 Solution :
Supraconductivité
(circulation de courant
sans dissipation de
chaleur)
 température très basses
• 1234 aimants
dipolaires
Courber la trajectoire
des faisceaux
▪ 392 aimants
quadripolaires
 Concentrer les
faisceaux
Conclusion
• LHC en phase de test :
au delà d’une certaine intensité, les aimants
perdent leur propriétés supraconductrices
Les aimants s’échauffent et risquent de
perdre le faisceau ou même de se détruire.