Karamö, le prof virtuelLeçon 17 sur 17
Le moteur électrique
Je sais décrire les parties d'un moteur électrique à courant continu, expliquer pourquoi il tourne grâce aux actions entre aimant et bobine, et comment changer son sens et sa vitesse de rotation.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Nommer les parties d'un moteur électrique (stator, rotor, collecteur, balais)
- Expliquer la rotation par les attractions et répulsions entre aimant et bobine
- Expliquer le rôle du collecteur et des balais
- Changer le sens et la vitesse de rotation ; décrire la conversion d'énergie et les applications
Avant de commencer : Les aimants, les bobines, l'analogie aimant–bobine et l'électroaimant ; tension et intensité du courant.
1Je découvre
À Kankan, Ibrahima passe ses vacances dans l'atelier de menuiserie de son oncle. Ce matin, la perceuse électrique ne tourne plus. Son cousin Lansana, apprenti électricien, la démonte. Au centre, une pièce qui tourne, entourée de fil de cuivre enroulé ; autour, une pièce fixe. Sur l'axe, un petit cylindre en cuivre découpé en lamelles, frotté par deux petits blocs de carbone. « Les charbons sont usés, dit Lansana. Le courant n'arrive plus à la partie qui tourne. »
Ibrahima pense à tous les appareils qui tournent grâce à l'électricité : la perceuse, le ventilateur, la pompe du forage du quartier, le petit moteur de sa voiture jouet. Pourtant, il n'y a ni essence, ni main qui pousse.
Comment un courant électrique peut-il faire tourner l'axe d'un moteur ?
2Je comprends
1. Le principe : des aimants qui se poussent et s'attirent
Tu sais que :
- une bobine parcourue par un courant se comporte comme un aimant (face nord et face sud) ;
- deux pôles de même nom se repoussent, deux pôles de noms contraires s'attirent ;
- si on inverse le courant, les faces de la bobine s'inversent.
Un moteur électrique utilise ces trois idées. Une bobine qui peut tourner est placée entre les pôles d'un aimant fixe. Quand le courant passe, les faces de la bobine sont attirées par les pôles de noms contraires de l'aimant et repoussées par ceux de même nom : la bobine tourne.
2. Les parties d'un moteur à courant continu
| Partie | Rôle |
|---|---|
| Stator (partie fixe) | aimant permanent (ou électroaimant) qui crée le champ magnétique ; on l'appelle aussi inducteur |
| Rotor (partie qui tourne) | bobine(s) enroulée(s) sur un noyau de fer, fixée(s) sur l'axe ; on l'appelle aussi induit |
| Collecteur | petit cylindre divisé en lames de cuivre isolées, fixé sur l'axe ; il tourne avec le rotor |
| Balais | deux pièces fixes (en carbone, souvent appelées « charbons ») qui frottent sur le collecteur et amènent le courant au rotor |
| Axe | transmet le mouvement de rotation (aux pales, à la pompe…) |
3. Le rôle du collecteur et des balais
Imagine la bobine sans collecteur : sa face nord est attirée par le pôle sud de l'aimant, elle tourne… puis s'arrête face à ce pôle sud, car l'attraction la retient. Elle pourrait seulement osciller autour de cette position.
Pour que la rotation continue, il faut inverser le courant dans la bobine juste au moment où elle arrive face au pôle : sa face nord devient alors une face sud, elle est repoussée par ce pôle sud et attirée par le pôle nord suivant. Elle continue donc à tourner.
C'est le travail du collecteur : à chaque demi-tour, les balais passent d'une lame du collecteur à l'autre, ce qui inverse automatiquement le sens du courant dans la bobine.
4. Changer le sens de rotation
Le sens de rotation dépend du sens du courant et de la position des pôles de l'aimant. Pour inverser le sens de rotation, il suffit :
- d'inverser les bornes du générateur (le courant change de sens dans la bobine) ;
- ou de retourner l'aimant (inverser ses pôles).
Si on fait les deux à la fois, le moteur tourne dans le même sens qu'au départ.
- on inverse le courant
- on retourne l'aimant
- on inverse le courant et on retourne l'aimant
- inversé
- inversé
- inchangé
5. Changer la vitesse de rotation
La vitesse de rotation augmente quand :
- la tension appliquée augmente (dans les limites de la tension nominale indiquée sur le moteur) : l'intensité du courant augmente et les forces entre bobine et aimant sont plus fortes ;
- le champ de l'aimant est plus fort.
Elle diminue quand le moteur doit entraîner une charge plus lourde. Si le moteur est bloqué (axe empêché de tourner), l'intensité devient grande et le moteur chauffe : il peut brûler. C'est pourquoi il faut couper un ventilateur dont les pales sont coincées.
Exemple
Kadiatou alimente un petit moteur (tension nominale 6 V) avec une pile de 4,5 V : il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Qu'observe-t-elle a) si elle retourne la pile ? b) si elle la remplace par une batterie de 6 V bien orientée ? c) si elle retourne la pile ET l'aimant ?
a) Le courant change de sens : le moteur tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
b) La tension est plus grande (et égale à la tension nominale) : le moteur tourne plus vite, dans le même sens qu'au départ.
c) Deux inversions s'annulent : le moteur tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, comme au départ.
Exemple
La perceuse de l'oncle d'Ibrahima ne tourne plus. On mesure bien 220 V à l'entrée du moteur, mais aucun courant ne passe dans le rotor. Les balais sont très usés. Explique la panne.
La tension arrive bien au moteur, mais les balais usés ne touchent plus le collecteur : le courant ne peut pas atteindre la bobine du rotor.
Sans courant dans le rotor, il n'y a pas de champ magnétique, donc pas d'attraction ni de répulsion : le moteur ne tourne pas. Il faut remplacer les balais.
6. Conversion d'énergie
Un moteur électrique reçoit de l'énergie électrique et fournit de l'énergie mécanique (mouvement de rotation). Une partie de l'énergie reçue est perdue sous forme de chaleur : c'est pourquoi un moteur tiède après fonctionnement est normal.
- 1Énergie électrique fournie par le générateur (pile, batterie, réseau).
- 2Le moteur transforme cette énergie grâce aux actions entre aimant et bobine.
- 3Énergie mécanique utile : rotation de l'axe (pales, pompe, roues).
- 4Énergie perdue : un peu de chaleur (frottements, échauffement des fils).
Méthode
Pour expliquer le fonctionnement d'un moteur électrique :
- Je nomme le stator (aimant fixe) et le rotor (bobine qui tourne).
- J'explique que la bobine parcourue par un courant devient un aimant, attiré et repoussé par les pôles du stator.
- J'explique que le collecteur et les balais inversent le courant à chaque demi-tour pour que la rotation continue.
- Je précise comment on change le sens (inverser le courant ou l'aimant) et la vitesse (tension).
- Je conclus par la conversion : énergie électrique → énergie mécanique (+ chaleur).
7. Les applications
Les moteurs électriques sont partout : ventilateurs, pompes des forages et des châteaux d'eau, perceuses et scies des menuisiers, moulins électriques à céréales, machines à coudre électriques, compresseurs des réfrigérateurs et des climatiseurs, essuie-glaces et démarreurs des voitures, jouets, tricycles et motos électriques. Leurs avantages : ils sont silencieux, ne rejettent pas de fumée là où ils fonctionnent et démarrent instantanément.
Les moteurs branchés sur le secteur, qui utilise un courant alternatif, n'ont pas toujours de collecteur (c'est le cas de beaucoup de ventilateurs), mais ils reposent sur le même principe : des bobines parcourues par un courant et des actions magnétiques qui font tourner le rotor. Un moteur à courant continu peut aussi fonctionner « à l'envers » : si on fait tourner son axe à la main, il produit une tension. Tu étudieras ce phénomène en 9e avec l'aimant qui se déplace devant une bobine.
3Je retiens
Je retiens
Un moteur électrique transforme l'énergie électrique en énergie mécanique (avec un peu de chaleur perdue).
Stator : aimant fixe (inducteur). Rotor : bobine qui tourne (induit).
La bobine parcourue par un courant est attirée et repoussée par les pôles de l'aimant : elle tourne.
Le collecteur et les balais inversent le courant dans la bobine à chaque demi-tour pour entretenir la rotation.
Pour inverser le sens de rotation : inverser le courant ou retourner l'aimant (pas les deux).
La vitesse augmente avec la tension appliquée (sans dépasser la tension nominale).
Un moteur bloqué chauffe et peut brûler.
4Erreurs fréquentes
- Croire que c'est l'aimant fixe qui tourne dans un moteur à courant continu simple : c'est le rotor (la bobine).
- Oublier le rôle du collecteur : sans inversion du courant, la bobine s'arrêterait face au pôle qui l'attire.
- Penser qu'inverser à la fois le courant et l'aimant inverse le sens : les deux inversions s'annulent.
- Alimenter un moteur avec une tension bien plus grande que sa tension nominale pour qu'il tourne plus vite : il chauffe et risque de brûler.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Associe chaque partie du moteur à son rôle.
Parties : stator ; rotor ; collecteur ; balais.
Rôles : (a) amènent le courant au rotor en frottant ; (b) crée le champ magnétique fixe ; (c) inverse le courant à chaque demi-tour ; (d) bobine qui tourne avec l'axe.
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Stator : (b) ; rotor : (d) ; collecteur : (c) ; balais : (a).
2Exercice 2
Quelle conversion d'énergie un moteur électrique réalise-t-il ? Quelle forme d'énergie est perdue ?
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Le moteur convertit l'énergie électrique en énergie mécanique (rotation). Une partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur (échauffement des fils, frottements).
3Exercice 3
Un moteur tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Dans quel sens tourne-t-il si :
a) on inverse les bornes de la pile ?
b) on retourne l'aimant du stator ?
c) on fait les deux à la fois ?
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a) Le courant change de sens : le moteur tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
b) Les pôles de l'aimant sont inversés : le moteur tourne aussi dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
c) Les deux inversions s'annulent : il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, comme au départ.
4Exercice 4
Explique pourquoi une bobine placée entre les pôles d'un aimant, parcourue par un courant continu mais sans collecteur, ne fait pas des tours complets.
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La bobine parcourue par le courant se comporte comme un aimant. Sa face nord est attirée par le pôle sud de l'aimant : elle tourne jusqu'à se trouver face à ce pôle, puis l'attraction la retient à cet endroit. Sans collecteur, le courant n'est pas inversé : la face reste nord et ne peut pas être repoussée pour continuer. La bobine s'arrête après au plus un demi-tour (elle oscille puis s'immobilise).
5Exercice 5
(Problème) Le ventilateur de la famille d'Ibrahima porte l'indication « 220 V ». Il tourne lentement et chauffe beaucoup. En le démontant, Lansana voit que de la poussière et des cheveux bloquent en partie l'axe.
a) Pourquoi le moteur tourne-t-il lentement ?
b) Pourquoi chauffe-t-il ? Quel risque cela présente-t-il ?
c) Donne deux conseils pour entretenir un ventilateur et deux règles de sécurité avant de l'ouvrir.
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a) La poussière et les cheveux freinent l'axe : le moteur doit vaincre ces frottements, il est en partie bloqué et tourne moins vite.
b) Un moteur freiné ou bloqué est traversé par un courant plus intense et transforme une plus grande part de l'énergie électrique en chaleur. Il risque de brûler, et même de provoquer un incendie.
c) Entretien : nettoyer régulièrement la poussière des pales et de l'axe ; ne pas laisser le ventilateur tourner quand il est bloqué ou fait un bruit anormal (le faire réparer). Sécurité : débrancher la prise avant d'ouvrir l'appareil (220 V est dangereux) ; ne jamais le manipuler avec des mains mouillées.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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