Karamö, le prof virtuelLeçon 20 sur 22
Les transformateurs
Je sais décrire un transformateur, expliquer pourquoi il ne fonctionne qu'en alternatif, et calculer une tension ou un nombre de spires avec U2 / U1 = N2 / N1.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire la constitution d'un transformateur (noyau, primaire, secondaire)
- Expliquer son fonctionnement par l'induction et savoir qu'il ne fonctionne qu'en courant alternatif
- Utiliser la relation U2 / U1 = N2 / N1
- Distinguer transformateur abaisseur et élévateur
- Expliquer le rôle des transformateurs dans les chargeurs et le transport de l'électricité
Avant de commencer : Les leçons « Déplacer un aimant devant une bobine : effets », « Produire une tension alternative » et « Les mesures en courant alternatif » (valeur efficace) ; la proportionnalité.
1Je découvre
Le téléphone de Fanta se charge avec un petit bloc branché sur la prise du salon, à Mamou. Sur ce bloc, elle lit deux lignes : « Entrée : 220 V ~ 50 Hz » et « Sortie : 5 V ». Son téléphone ne supporterait jamais les 220 V du secteur : le bloc a donc « abaissé » la tension.
En allant au champ, Fanta passe sous une grande ligne électrique portée par des pylônes métalliques. Son frère Ousmane lui explique que ces câbles transportent l'électricité du barrage jusqu'aux villes sous une tension de plusieurs dizaines de milliers de volts, et qu'avant d'arriver dans les maisons, la tension est abaissée dans des postes et des cabines électriques du quartier.
Fanta se demande : quel appareil peut élever ou abaisser une tension ? Et pourquoi ne pas tout faire directement en 220 V ?
Comment fonctionne un transformateur, et comment calculer la tension qu'il fournit ?
2Je comprends
1. La constitution d'un transformateur
Un transformateur comprend trois éléments :
- un noyau de fer (ou d'un alliage de fer) en forme de cadre fermé, fait de tôles minces isolées les unes des autres (on dit « feuilleté ») ;
- une première bobine, le primaire, de N1 spires, reliée à la source de tension alternative (par exemple le secteur) ;
- une deuxième bobine, le secondaire, de N2 spires, reliée à l'appareil à alimenter (le « récepteur » ou la « charge »).
Les deux bobines sont enroulées sur le même noyau, mais elles ne sont pas reliées électriquement : aucun fil ne va du primaire au secondaire. Le fil de chaque bobine est recouvert de vernis isolant.
Symbole et vocabulaire :
| Côté | Tension | Nombre de spires | Relié à |
|---|---|---|---|
| primaire | U1 | N1 | la source (entrée) |
| secondaire | U2 | N2 | le récepteur (sortie) |
2. Le fonctionnement : encore l'induction
- 1Le primaire est parcouru par un courant alternatif : il devient un électroaimant dont les pôles s'inversent 50 fois par seconde avec le secteur.
- 2Le noyau de fer canalise cet effet magnétique jusqu'au secondaire.
- 3Le secondaire est donc traversé par un effet magnétique qui varie sans arrêt, comme si un aimant s'approchait et s'éloignait.
- 4Par induction, une tension alternative apparaît aux bornes du secondaire, de même fréquence que celle du primaire.
Tu te souviens que le courant induit n'existe que s'il y a variation (un mouvement relatif de l'aimant et de la bobine). Dans un transformateur, rien ne bouge : c'est le courant alternatif du primaire qui crée un effet magnétique variable, et cette variation suffit à créer la tension induite au secondaire.
Conséquence importante : un transformateur ne fonctionne pas en courant continu. Si l'on branche une pile au primaire, le courant est constant, l'effet magnétique ne varie pas, et le secondaire ne donne aucune tension (sauf un bref instant au moment où l'on ferme ou ouvre l'interrupteur). En plus, le primaire branché sur une tension continue peut chauffer dangereusement.
La fréquence de la tension de sortie est la même que celle de la tension d'entrée : 50 Hz à l'entrée donne 50 Hz à la sortie.
3. La relation entre les tensions et les nombres de spires
On réalise des mesures avec un transformateur démontable dont on peut changer les bobines. On mesure U1 et U2 au voltmètre en position AC (valeurs efficaces), le secondaire n'étant relié à aucun appareil (on dit « à vide ») :
| N1 | N2 | U1 (V) | U2 (V) | N2N1 | U2U1 |
|---|---|---|---|---|---|
| 500 | 250 | 12 | 6 | 0,5 | 0,5 |
| 500 | 1 000 | 6 | 12 | 2 | 2 |
| 1 000 | 250 | 12 | 3 | 0,25 | 0,25 |
On constate que le rapport des tensions est égal au rapport des nombres de spires :
U2U1 = N2N1
Ce rapport s'appelle le rapport de transformation, souvent noté m = N2N1. On peut aussi écrire U2 = U1 × N2N1.
Cette relation est exacte pour un transformateur parfait (sans pertes) ; pour un vrai transformateur, les valeurs mesurées en sont très proches.
- N2 plus petit que N1
- m = N2/N1 plus petit que 1
- U2 plus petite que U1
- chargeurs, adaptateurs, postes de quartier
- N2 plus grand que N1
- m = N2/N1 plus grand que 1
- U2 plus grande que U1
- sortie des centrales électriques
Méthode
Pour résoudre un exercice sur le transformateur :
- Je repère ce qui est connu : U1, N1 (primaire, côté source) et U2, N2 (secondaire, côté récepteur).
- J'écris la relation U2 / U1 = N2 / N1.
- J'isole l'inconnue (produit en croix) : U2 = U1 × N2 / N1 ou N2 = N1 × U2 / U1, etc.
- Je calcule et je vérifie la cohérence : si N2 < N1, je dois trouver U2 < U1 (abaisseur).
- J'écris la réponse avec l'unité (V pour une tension ; les spires n'ont pas d'unité).
Exemple
Un transformateur a un primaire de 1 100 spires branché sur le secteur (220 V) et un secondaire de 60 spires. Calculer la tension de sortie. Est-il abaisseur ou élévateur ?
U2 = U1 × N2 / N1 = 220 × 60 / 1 100 = 13 200 / 1 100 = 12 V.
N2 < N1 et U2 < U1 : c'est un transformateur abaisseur.
Rapport de transformation : m = 60 / 1 100 ≈ 0,055.
Exemple
Sékou veut fabriquer un transformateur qui donne 11 V à partir du secteur 220 V. Son primaire compte 500 spires. Combien de spires faut-il au secondaire ?
N2 = N1 × U2 / U1 = 500 × 11 / 220 = 5 500 / 220 = 25 spires.
Exemple
Un transformateur a 200 spires au primaire et 1 000 au secondaire. On applique 12 V au primaire. Calculer U2.
U2 = 12 × 1 000 / 200 = 12 × 5 = 60 V.
C'est un transformateur élévateur (N2 > N1), de rapport m = 5.
En plus (pour aller plus loin). Un transformateur ne crée pas d'énergie. Pour un transformateur parfait, la puissance est la même à l'entrée et à la sortie, ce qui donne U1 × I1 = U2 × I2 : quand la tension est abaissée, l'intensité disponible au secondaire est plus grande, et inversement.
4. Les transformateurs autour de nous
Dans les chargeurs et adaptateurs. Les chargeurs de téléphone, de lampe solaire ou de radio contiennent un transformateur abaisseur (ou un circuit électronique qui joue le même rôle), suivi d'un dispositif qui rend la tension continue : c'est le redressement, étudié dans la leçon suivante.
Dans le transport de l'électricité. L'électricité produite par les alternateurs des centrales (par exemple sur le fleuve Konkouré) doit parcourir des centaines de kilomètres. Or les câbles chauffent au passage du courant, et cette chaleur est de l'énergie perdue. Plus l'intensité est forte, plus les pertes sont grandes. On utilise donc :
- 1Centrale : l'alternateur produit une tension alternative.
- 2Transformateur élévateur : la tension est élevée à une très haute tension (dizaines ou centaines de milliers de volts), l'intensité devient faible.
- 3Lignes à haute tension sur pylônes : transport sur de longues distances avec peu de pertes.
- 4Postes de transformation : la tension est abaissée par étapes.
- 5Transformateur de quartier : la tension est abaissée à 220 V pour les maisons.
C'est le grand avantage du courant alternatif : grâce au transformateur, on peut facilement changer sa tension, ce qui est impossible aussi simplement avec le courant continu.
Sécurité. Les lignes à haute tension et les transformateurs de quartier sont très dangereux : il ne faut jamais s'en approcher, grimper sur un pylône ou toucher un câble tombé au sol.
3Je retiens
Je retiens
Un transformateur est formé d'un noyau de fer feuilleté et de deux bobines : le primaire (N1 spires, relié à la source) et le secondaire (N2 spires, relié au récepteur).
Il fonctionne par induction et seulement en courant alternatif ; il ne change pas la fréquence.
Relation : U2 / U1 = N2 / N1 (valeurs efficaces) ; rapport de transformation m = N2 / N1.
N2 < N1 : abaisseur (U2 < U1) ; N2 > N1 : élévateur (U2 > U1).
On élève la tension pour transporter l'électricité sur de longues distances avec peu de pertes, puis on l'abaisse pour les utilisateurs.
4Erreurs fréquentes
- Inverser primaire et secondaire : le primaire est toujours du côté de la source (entrée), le secondaire du côté de l'appareil (sortie).
- Écrire U2 / U1 = N1 / N2 : les tensions et les spires sont dans le même ordre, U2 va avec N2.
- Brancher un transformateur sur une pile en pensant obtenir une tension : sans courant alternatif, pas de tension au secondaire.
- Croire qu'un transformateur change la fréquence : 50 Hz à l'entrée donne 50 Hz à la sortie.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Complète : « Un transformateur comprend un … en fer feuilleté et deux bobines : le …, relié à la source, et le …, relié à l'appareil. Il ne fonctionne qu'en courant … . »
Voir le corrigéCacher le corrigé
« Un transformateur comprend un noyau en fer feuilleté et deux bobines : le primaire, relié à la source, et le secondaire, relié à l'appareil. Il ne fonctionne qu'en courant alternatif. »
2Exercice 2
Un transformateur a N1 = 2 200 spires et N2 = 110 spires. Il est branché sur le secteur 220 V.
a) Calcule U2.
b) Est-il abaisseur ou élévateur ?
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a) U2 = U1 × N2N1 = 220 × 1102 200 = 220 × 0,05 = 11 V.
b) Abaisseur : N2 < N1 et U2 < U1.
3Exercice 3
Un transformateur abaisse la tension de 220 V à 9 V. Son secondaire compte 45 spires. Combien de spires a son primaire ?
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U2U1 = N2N1 donc N1 = N2 × U1U2 = 45 × 2209 = 9 9009 = 1 100 spires.
4Exercice 4
Mamadou branche le primaire d'un transformateur sur une batterie de 12 V. Le voltmètre du secondaire indique 0 V. Explique pourquoi.
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Une batterie fournit une tension continue : le courant dans le primaire est constant et l'effet magnétique dans le noyau ne varie pas. Or l'induction n'apparaît que s'il y a variation. Il n'y a donc pas de tension induite au secondaire. Un transformateur ne fonctionne qu'en courant alternatif.
5Exercice 5
(Type examen) Le chargeur d'une lampe solaire contient un transformateur. On lit sur le chargeur : « Entrée 220 V ~ 50 Hz ; sortie 6 V ~ ». Le primaire compte 1 540 spires.
a) Le transformateur est-il abaisseur ou élévateur ? Justifie.
b) Calcule le rapport de transformation.
c) Calcule le nombre de spires du secondaire.
d) Quelle est la fréquence de la tension de sortie ?
e) Calcule la valeur maximale de la tension de sortie (tension sinusoïdale).
f) Explique pourquoi on transporte l'électricité en très haute tension entre les barrages et les villes.
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a) Abaisseur : la tension de sortie (6 V) est plus petite que la tension d'entrée (220 V).
b) m = U2U1 = 6220 ≈ 0,027.
c) N2 = N1 × U2U1 = 1 540 × 6220 = 9 240220 = 42 spires.
d) Le transformateur ne change pas la fréquence : 50 Hz.
e) U2max = U2 × √2 = 6 × 1,414 ≈ 8,5 V.
f) Les câbles chauffent au passage du courant et perdent de l'énergie, d'autant plus que l'intensité est grande. En élevant fortement la tension avec un transformateur élévateur, on transporte la même énergie avec une intensité faible : les pertes sont beaucoup plus petites. On abaisse ensuite la tension près des lieux d'utilisation.
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6Je vérifie
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