Physique du primaire et du collège · Grades 1–9

69De la centrale à la maison : l’alternateur

Une année entière de kilowattheures a traversé tes audits — mais d’où venaient-ils ? Suis le câble hors de la maison, sous la rue, le long des pylônes, et il s’achève sur une machine qui tourne dans une grande halle : l’alternateur. Son secret est la plus jolie surprise de l’électricité de ce livre : la découverte de l’an dernier, le courant qui fabrique du magnétisme, prise à l’envers.

69.1 L’induction : l’effet retourné

Proposition 69.1 (Induction électromagnétique)

Déplace un aimant près d’un circuit fermé — ou déplace le circuit près de l’aimant — et, tant que dure le mouvement, une tension apparaît et entraîne un courant : de l’électricité induite par un magnétisme qui change. Les règles, tirées de l’établi :

seul le changement induit : aimant au repos à côté de la bobine, rien — si puissant que soit l’aimant ;
mouvement plus rapide, aimant plus fort, plus de spires à la bobine : tension induite plus grande ;
inverse le mouvement, tu inverses le courant induit — l’approche et le retrait entraînent des marches opposées.

L’an dernier, un courant fabriquait du magnétisme ; cette année, un magnétisme en mouvement fabrique un courant. Les deux effets sont une seule pièce, lue sur ses deux faces — et la seconde face alimente la civilisation.

Méthode 69.2 (L’induction sur l’établi)

Une bobine à nombreuses spires, un aimant droit, un appareil sensible à zéro central :

brancher l’appareil aux bornes de la bobine ; tenir l’aimant immobile à l’intérieur : l’aiguille dort à zéro — la force seule n’induit rien ;
enfoncer l’aimant : l’aiguille bondit d’un côté — et revient à zéro à l’instant où le mouvement cesse ;
le retirer : un bond égal, de l’autre côté ;
l’enfoncer plus vite : un bond plus grand. Fais aller et venir l’aimant en cadence, et l’aiguille oscille à gauche, à droite, à gauche — tu fabriques à la main un courant alternatif.

L’induction sur l’établi : seul un aimant en mouvement réveille la bobine — et le bond de l’aiguille s’inverse avec le mouvement. — L’induction sur l’établi : seul un aimant *en mouvement* réveille la bobine — et le bond de l’aiguille s’inverse avec le mouvement.

69.2 L’alternateur

Définition 69.3 (Alternateur)

Un alternateur est l’induction rendue infatigable : un aimant tourné régulièrement à côté d’une bobine fixe (ou une bobine tournée dans un champ magnétique). Chaque demi-tour amène un pôle vers la bobine, puis l’emporte — du changement, sans cesse renouvelé — si bien que la tension induite oscille positive, négative, positive : alternative, par construction, traçant exactement la douce sinusoïde du chapitre de l’oscilloscope. Tourne à cinquante tours par seconde et la sortie alterne à $50\,\mathrm{Hz}$ : la fréquence du réseau est une vitesse de rotation, tenue au pas par chaque centrale du réseau.

Exemple 69.4 (La dynamo de ta roue)

La dynamo de bicyclette est un alternateur de poche : la roue fait tourner un petit aimant dans une bobine fixe, et la lampe s’allume — plus brillante et à plus haute fréquence à mesure que tu pédales plus fort, exactement comme le promettent les règles de l’établi (et papillotante au pas, comme l’observait le chapitre de l’alternatif). Son prix est honnête aussi : la dynamo freine — allumer la lampe coûte à tes jambes un effort bien réel. L’induction ne donne aucune énergie ; elle convertit du mouvement en électricité, joule pour joule, moins l’impôt du frottement.

Une centrale hydroélectrique : l’eau élevée dévale, fait tourner les turbines, et les alternateurs expédient l’énergie au loin le long des fils.

69.3 Toutes les centrales sont une seule machine

Proposition 69.5 (Le cœur commun)

La quasi-totalité de l’électricité du monde, quelle que soit sa réclame, se fabrique de la même façon : quelque chose fait tourner une turbine — un robuste moulin à pales — et la turbine fait tourner un alternateur. Les centrales ne diffèrent que par ce qui pousse les pales :

les centrales thermiques font bouillir de l’eau en brûlant du charbon ou du gaz — des jets de vapeur entraînent la turbine ;
les centrales nucléaires font bouillir la même eau avec la chaleur d’atomes que l’on brise — de la vapeur encore ;
les barrages hydroélectriques laissent un lac de montagne tomber au travers des pales — la chaîne du barrage de l’enfance, achevée ;
les éoliennes se passent d’intermédiaire : le vent est la poussée des pales, avec un alternateur dans chaque nacelle.

Une exception confirme la règle : les panneaux solaires fabriquent de l’électricité sans la moindre rotation — par un effet de la lumière qui appartient aux années d’université.

Toutes les centrales, une seule chaîne : quelque chose fait tourner la turbine, la turbine fait tourner l’alternateur, et l’induction fait le reste. Seule la première case change d’une centrale à l’autre.

Exemple 69.6 (Des chaînes, auditées)

Écris chaque centrale comme une chaîne d’énergie de l’enfance, désormais dotée d’un vocabulaire professionnel. Le barrage : réserve de hauteur $\to$ mouvement de l’eau qui tombe $\to$ rotation $\to$ électricité — et c’est le Soleil, rappelle-toi, qui a élevé ce lac par évaporation : l’hydroélectricité est du soleil différé en pluie. La centrale à charbon : réserve chimique $\to$ chaleur $\to$ mouvement de la vapeur $\to$ rotation $\to$ électricité — avec de la chaleur qui fuit à chaque flèche, comme l’avouent les panaches des tours de refroidissement. Le vent : de l’air en mouvement (brassé par le Soleil) directement en rotation. Les sources que la nature remplit à nouveau — l’eau, le vent, la lumière du Soleil — sont dites renouvelables ; les réserves brûlées et brisées sont dépensées pour toujours à l’échelle humaine.

Remarque 69.7 (Pourquoi les pylônes ronronnent à 400000 volts)

La dernière promesse du chapitre de l’alternatif arrive à échéance. Une ville a besoin, mettons, de cent millions de watts. D’après $P = U I$ , cette puissance peut voyager comme un courant énorme sous une tension modeste — ou comme un courant modeste sous une tension énorme. Or les fils s’échauffent avec le courant (le vieil effet thermique), et chaque degré de pylône échauffé est de l’énergie payée puis perdue pour les corbeaux. Le réseau transporte donc sous des tensions à couper le souffle — des centaines de milliers de volts, des courants minuscules, des pertes minimales — puis abaisse la tension, quartier après quartier, jusqu’aux $230\,\mathrm{V}$ apprivoisés de ton mur. La machine qui abaisse, le transformateur, n’est que deux bobines et de l’induction une fois de plus — et elle ne fonctionne que sur un courant qui alterne : tout le réseau parle alternatif parce que le transformateur le parle.

69.4 Exercices

Exercice 69.1 ★

Énonce les trois règles d’établi de l’induction. Qu’induit un aimant puissant au repos ?

Solution

Solution de Exercice 69.1.

Seul le changement induit ; un mouvement plus rapide, un aimant plus fort et plus de spires donnent une tension plus grande ; un mouvement inversé inverse le courant. Un aimant au repos, si puissant soit-il, n’induit exactement rien.

Exercice 69.2 ★

Pourquoi la sortie d’un alternateur est-elle alternative ? Relie les changements de signe à la rotation.

Solution

Solution de Exercice 69.2.

Chaque demi-tour du rotor amène un pôle vers la bobine (induisant dans un sens), puis l’emporte (induisant dans l’autre) : la tension doit changer de signe à chaque demi-rotation — l’alternance est bâtie dans la rotation.

Exercice 69.3 ★

À quelle vitesse de rotation un alternateur alimente-t-il un réseau à $50\,\mathrm{Hz}$ ? Sur quoi toutes les centrales du réseau doivent-elles donc s’accorder ?

Solution

Solution de Exercice 69.3.

Cinquante tours par seconde (pour la machine à deux pôles, la plus simple). Toutes les centrales doivent tenir exactement la même cadence de rotation — le réseau entier tourne au pas, en partageant une seule fréquence.

Exercice 69.4 ★

Nomme les deux cases universelles de toute centrale, et la case qui change entre le charbon, l’atome, le barrage et le vent.

Solution

Solution de Exercice 69.4.

La turbine et l’alternateur. Seul change ce qui pousse les pales : la vapeur de la flamme, la vapeur de l’atome, le lac qui tombe, ou le vent.

Exercice 69.5 ★

Écris la chaîne hydroélectrique du lac de montagne jusqu’à ta lampe — et nomme la machine céleste qui a rempli le lac.

Solution

Solution de Exercice 69.5.

Réserve de hauteur du lac $\to$ mouvement de l’eau qui tombe $\to$ rotation de la turbine $\to$ électricité de l’alternateur $\to$ transformateur et réseau $\to$ lampe. C’est le Soleil qui a rempli le lac : l’évaporation a soulevé la mer, la pluie l’a livrée aux montagnes.

Exercice 69.6 ★

Pourquoi pédaler devient-il plus dur à l’instant où la lampe de la dynamo s’allume ? Quel principe interdit qu’il en soit autrement ?

Solution

Solution de Exercice 69.6.

L’énergie de la lampe doit venir de quelque part, et la seule réserve d’une bicyclette est le cycliste : la dynamo convertit le travail des jambes en lumière, si bien que les joules de la lampe apparaissent comme un freinage supplémentaire. L’énergie se convertit, elle ne s’invoque jamais — la plus ancienne loi du cours.

Exercice 69.7 ★

Trie en renouvelable et non renouvelable : le vent ; le charbon ; le lac du barrage ; l’uranium ; la lumière du Soleil. Qu’est-ce qui définit ce tri ?

Solution

Solution de Exercice 69.7.

Renouvelables : le vent, le lac (la pluie le remplit à nouveau), la lumière du Soleil. Non renouvelables : le charbon, l’uranium — dépensés pour toujours à l’échelle humaine. Le tri pose la question : la nature remplit-elle la réserve au rythme où nous la vidons ?

Exercice 69.8 ★

Pourquoi le réseau expédie-t-il sa puissance sous des centaines de milliers de volts ? Nomme la formule qui offre le choix et l’effet qui le tranche.

Solution

Solution de Exercice 69.8.

$P = U I$ permet à une même puissance de voyager sous haute tension avec un faible courant ; l’effet thermique fait croître les pertes des fils avec le courant. Courant faible, fils froids, énergie économisée — le réseau expédie donc haut et abaisse au pas de la porte.

Exercice 69.9 ★★

Un alternateur de démonstration actionné lentement à la manivelle allume sa lampe faiblement, avec un papillotement visible ; actionné vite, il l’allume vivement et régulièrement. Rends compte des deux changements avec les règles de l’établi et le chapitre des fréquences.

Solution

Solution de Exercice 69.9.

Manivelle lente : petite tension induite (deuxième règle) — lampe faible — à quelques cycles par seconde : papillotement visible, sous le taux de fusion de l’œil. Manivelle rapide : tension plus grande — lampe vive — et une fréquence que l’œil fond en une lueur lisse. Deux réglages, une seule manivelle.

Exercice 69.10 ★★

Une centrale délivre $1 \times 10^{8}\,\mathrm{W}$ . Compare les courants nécessaires sous $230\,\mathrm{V}$ et sous $400\,000\,\mathrm{V}$ (en notation scientifique). Lequel de vrais câbles pourraient-ils porter ?

Solution

Solution de Exercice 69.10.

Sous $230\,\mathrm{V}$ : $I = 1 \times 10^{8} \div 230 \approx 4.3 \times 10^{5}\,\mathrm{A}$ — quatre cent mille ampères : aucun câble sur Terre. Sous $400\,000\,\mathrm{V}$ : $I = 1 \times 10^{8} \div 4 \times 10^{5} = 250\,\mathrm{A}$ — un câble de transport ordinaire. L’affaire du transformateur est close.

Exercice 69.11 ★★

Les centrales thermiques et nucléaires sont, au fond, des bouilloires élaborées. Défends ce slogan par leurs chaînes — et situe l’unique maillon par lequel les deux diffèrent.

Solution

Solution de Exercice 69.11.

Les deux chaînes se lisent : réserve $\to$ chaleur $\to$ eau qui bout $\to$ mouvement de la vapeur $\to$ rotation $\to$ électricité — des bouilloires élaborées qui nourrissent des turbines. Les chaînes ne diffèrent qu’à un seul maillon : ce qui fabrique la chaleur — la chimie du charbon qui brûle, ou les noyaux d’uranium que l’on brise.

Exercice 69.12 ★★★

Le grand tour, parcouru à l’envers : ce soir, ta lampe brille sous $230\,\mathrm{V}$ . Remonte son énergie à travers chaque case — transformateur, pylônes, alternateur, turbine, et une réserve primaire de ton choix — en nommant la forme d’énergie à chaque étape et les fuites en chemin. Puis réponds à la question de l’enfance par une phrase de dernière année : d’où vient, en dernier ressort, la lumière de ta chambre ?

Solution

Solution de Exercice 69.12.

En remontant : les $230\,\mathrm{V}$ du mur sont passés par le transformateur de quartier (tension abaissée), le long des pylônes à des centaines de kilovolts (forme de transport : de l’alternatif à haute tension, qui laisse fuir un peu de chaleur), depuis un alternateur (rotation convertie en électricité, par induction), mis en rotation par une turbine (mouvement de la vapeur ou de l’eau), nourrie par une réserve — disons le lac élevé du barrage, élevé par l’évaporation du Soleil. D’où la phrase de dernière année : la lumière de ta chambre est du soleil — stocké, tombé, mis en rotation et expédié.

69.5 Problème : garde de nuit à la centrale

Problème 69.1

Problème du week-end — garde de nuit à la centrale hydroélectrique ; induction, marche au pas et tempête ; le journal de l’ingénieure

Tu accompagnes l’ingénieure de nuit au barrage de la vallée — le lac au-dessus, la ville en dessous, les alternateurs ronronnant entre les deux.

Partie I — la halle des machines.

L’ingénieure ouvre une vanne : l’eau tonne à travers la turbine trois, et les appareils de son alternateur se réveillent. Écris la chaîne d’énergie du lac au jeu de barres.
À l’intérieur de l’alternateur, qu’est-ce qui bouge et qu’est-ce qui reste immobile — et pourquoi faut-il que quelque chose bouge ?
Le réseau tourne à $50\,\mathrm{Hz}$ . L’ingénieure surveille un cadran qui maintient la turbine trois exactement à la rotation correspondante. Qu’est-ce qui se gâte à la mauvaise vitesse ? (Que ferait la fréquence de sa tension ?)
Un apprenti demande si un aimant plus puissant dans le rotor donnerait de la puissance « gratuite » en plus. Corrige ce rêve avec le prix honnête de la dynamo.

Partie II — la demande de la ville.

À 03:00, la ville appelle $2 \times 10^{7}\,\mathrm{W}$ . Sous les $200\,000\,\mathrm{V}$ de la ligne de transport, quel courant quitte la centrale ?
La même puissance sous $230\,\mathrm{V}$ demanderait quel courant — et que dit cette comparaison sur le métier du transformateur ?
À 07:00, les bouilloires et les radiateurs se réveillent : la demande double. Que l’ingénieure doit-elle donner en plus aux turbines, et qu’arriverait-il à la fréquence du réseau si elle en donnait trop peu ? (Les machines ralentissent sous la charge, comme un cycliste dans une côte.)
La centrale sœur — un parc éolien sur la crête — se déconnecte quand le vent tombe. Quelle case de sa chaîne a failli, et quelles cases se portaient parfaitement bien ?

Partie III — la tempête.

La foudre coupe une ligne de transport ; les disjoncteurs s’ouvrent. L’ingénieure réachemine la puissance par les lignes voisines. Quelle propriété du réseau — un seul grand maillage en dérivation — rend ce réacheminement possible ?
Pendant la manœuvre, l’éclairage d’un entrepôt vire au brun pendant une minute. Interprète : qu’est-ce qui a fléchi, et de quoi les moteurs et les lampes de l’entrepôt ont-ils été brièvement sous-alimentés ?
L’aube : le journal doit expliquer aux apprentis pourquoi toute l’électricité de la nuit était, à l’origine, de la lumière du Soleil. Rédige l’explication en deux lignes (lac, évaporation, pluie).
Dernière ligne du journal, par tradition : la physique de la nuit en une phrase — avec le mouvement, le magnétisme et la bouilloire matinale de la ville dedans.

Solution

Solution de Problème 69.1.

1. Hauteur du lac $\to$ mouvement impétueux de l’eau $\to$ rotation de la turbine $\to$ tension alternative induite de l’alternateur $\to$ jeu de barres de la centrale. 2. L’aimant du rotor tourne ; les bobines restent fixes. Sans mouvement, pas de changement du magnétisme à travers les bobines — et sans changement, l’induction ne donne strictement rien. 3. La fréquence de la tension recopie la rotation : mauvaise vitesse, mauvaise fréquence — et une machine désaccordée des $50\,\mathrm{Hz}$ du réseau combat tous les autres alternateurs du réseau au lieu de les aider. 4. Un aimant de rotor plus puissant induit bel et bien davantage — et la turbine peine aussitôt davantage pour le maintenir en rotation contre le freinage magnétique renforcé : plus d’électricité en sortie exige plus d’eau au travers, joule pour joule. C’est le lac qui paie, non l’aimant. 5. $I = 2 \times 10^{7} \div 2 \times 10^{5} = 100\,\mathrm{A}$ . 6. $I = 2 \times 10^{7} \div 230 \approx 8.7 \times 10^{4}\,\mathrm{A}$ — quatre-vingt-sept mille ampères : un câble impossible. Le métier du transformateur est exactement cet échange — tension en hausse, courant en baisse, puissance inchangée. 7. Plus d’eau au travers des vannes. Sous-alimentées, les machines en charge ralentissent comme un cycliste dans une côte — et la fréquence du réseau fléchit sous cinquante : les horloges et les machines du réseau sentent toutes un réseau affamé. 8. La première case seulement — le vent, la poussée des pales. La turbine, l’alternateur et le transformateur se portaient parfaitement bien, encalminés. 9. Le réseau est un seul grand maillage en dérivation : de nombreuses routes joignent chaque centrale à chaque ville, si bien que la part d’une ligne coupée peut passer par les branches survivantes — l’indépendance des branches en dérivation, à l’échelle d’un pays. 10. Les lignes réacheminées et surchargées laissent la tension livrée fléchir sous sa valeur nominale pendant une minute : les lampes de l’entrepôt ont baissé et ses moteurs ont tourné paresseusement — sous-alimentés, comme doit l’être tout appareil en dessous de sa tension nominale. 11. « Chaque watt de cette nuit est venu de l’eau du lac qui tombe ; le Soleil a évaporé la mer et la pluie l’a portée jusqu’à nos montagnes. Nous faisons tourner du soleil, ici — stocké dans un lac, par la voie du ciel. » 12. Par exemple : « Du mouvement devant des aimants a fabriqué chaque volt de la nuit — et à sept heures, dix mille bouilloires ont demandé au lac de tomber un peu plus vite. »

Termes définis dans ce chapitre

Alternateur

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