Conversion d'énergie électromécanique

Introduction

Une salle de classe en contient une dizaine sans que personne les remarque : le ventilateur du vidéoprojecteur, la pompe de la chaudière, le haut-parleur, le moteur du store. Dehors, ce sont le tramway, l'ascenseur, l'éolienne, et au bout du réseau l'alternateur de la centrale, qui produit l'électricité que tous les autres consomment. Ces objets n'ont ni la même taille, ni le même usage, ni la même forme ; ils reposent pourtant sur un seul mécanisme physique, le couplage entre un courant, un champ magnétique et un mouvement. C'est lui qui fait passer l'énergie de la forme électrique à la forme mécanique, ou l'inverse.

Le fil de la leçon est de remonter de l'objet au mécanisme, puis de redescendre du mécanisme aux machines. La partie I part d'un treuil de paillasse : chaîne énergétique, puissance, rendement, et l'effet Joule identifié comme la perte principale de tout moteur. La partie II ouvre la boîte : force de Laplace et induction, réunies dans un bilan de puissance qui montre que le couplage lui-même ne perd rien et fonctionne dans les deux sens ; elle en tire l'arbre de puissance d'une machine et l'applique au haut-parleur. La partie III construit sur ce seul bilan les trois familles de machines tournantes, à courant continu, asynchrone et synchrone, chacune adossée à une mesure.

Un point de vocabulaire servira de garde-fou : convertir n'est pas transférer. Un transformateur fait passer de la puissance électrique d'un circuit à un autre sans en changer la forme ; une machine électromécanique change cette forme. On y reviendra en partie III avec un contre-exemple chiffré.

I. Puissance et rendement d'un moteur électrique (Collège et Lycée)

L'objet d'étude de cette partie est un petit treuil de paillasse : un moteur électrique de jouet, suivi d'un réducteur, enroule un fil qui soulève une masse. Il reçoit de l'énergie électrique et fournit un travail mécanique mesurable, avec une règle et un chronomètre. Pour en faire le bilan, il faut d'abord distinguer deux grandeurs que le langage courant confond : l'énergie et la puissance.

L'énergie \(E\) s'exprime en joules (\(\text{J}\)), unité SI d'énergie commune à toutes ses formes : mécanique, thermique, électrique, chimique. Elle mesure la quantité totale échangée pendant un intervalle de temps \(\Delta t\). La puissance \(P\), elle, s'exprime en watts (\(\text{W}\)), avec \(1\ \text{W} = 1\ \text{J}\cdot\text{s}^{-1}\) : c'est un débit d'énergie, et non une quantité. Les deux grandeurs sont liées par \(E = P\,\Delta t\) en régime permanent.