Définition d'un transformateur
Lestransformateurs sont des appareils électriques qui transfèrent l'énergie électrique entre des circuits de courant alternatif et peuvent être utilisés pour augmenter ou diminuer la tension d'un circuit à l'autre. Ils sont basés sur le fait qu'un courant alternatif dans un circuit génère un champ magnétique, qui peut induire une tension dans un second circuit.
Schéma d'un transformateur
Fig. 1. La ligne verte en pointillés autour du noyau de fer montre comment le champ magnétique alternatif est transporté de la bobine primaire à la bobine secondaire. Wikimedia, CC-BY-SA 3.0
Tous les transformateurs sont constitués de trois parties principales :
- Labobine primaire - elle est connectée au premier circuit de courant alternatif (CA) et la tension qui la traverse est égale à la tension entrante du circuit. Cette tension est appelée \(V_p\), l'indice faisant référence au "primaire".
- La bobine secondaire - elle est connectée au deuxième circuit CA et fournit la tension au deuxième circuit. Cette tension est appelée \ (V_s\), l'indice se rapportant au "secondaire".
- Le noyau de fer - il relie les deux bobines, qui sont enroulées autour des côtés opposés. Il n'y a pas de connexion électrique entre les deux bobines, elles sont seulement reliées par le noyau de fer.
Comment fonctionne un transformateur ?
Le circuit doit être traversé par un courant alternatif. On peut en comprendre la raison en considérant le fonctionnement d'un transformateur par étapes :
- La bobine primaire est parcourue par le courant alternatif du circuit d'origine. La bobine étant un métal, elle devient un électro-aimant et produit un champ magnétique alternatif. Un champ magnétique alternatif change constamment de direction.
- Le champ magnétique changeant est transporté autour du noyau de fer jusqu'à la bobine secondaire, comme on peut le voir sur la figure ci-dessus.
- Lorsque le champ magnétique alternatif atteint la bobine secondaire, un courant y est induit car la bobine agit comme un conducteur.
Les points ci-dessus montrent pourquoi le courant continu ne peut pas être utilisé dans le premier circuit. Il produira un champ magnétique qui n'est pas alternatif. Comme le champ magnétique ne change pas, aucun courant et donc aucune tension n'est induite dans la bobine secondaire.
Les lignes vertes en pointillé dans le schéma ci-dessus représentent les lignes de champ magnétique qui traversent le noyau de fer.
L'énergie de la bobine primaire est transférée à la bobine secondaire par le champ magnétique - il n'y a pas de connexions électriques. Cela signifie que le champ magnétique doit pouvoir être transféré très efficacement à travers le noyau.
Pour cela, il faut utiliser un matériau magnétiquement "mou", comme un alliage de fer et de silicium. Cependant, une partie de l'énergie initiale est toujours perdue dans les situations réelles en raison de la résistance des fils et du noyau de fer qui résiste au changement du champ magnétique.
L'énergie perdue est un gros problème lorsqu'on travaille avec des transformateurs. Dans les centrales électriques, on utilise des transformateurs massifs qui sont souvent contenus dans des réservoirs géants, de sorte que le noyau et les bobines sont complètement enfermés. Une petite quantité d'énergie est perdue sous forme de chaleur, et un liquide de refroidissement est continuellement pompé autour des réservoirs pour éliminer la chaleur.
Formule du transformateur
La tension qui sort de la bobine secondaire vers le circuit externe est liée au rapport du nombre de tours sur les bobines du transformateur. En utilisant les symboles de la tension entrante et de la tension sortante, comme indiqué dans le diagramme précédent, une formule simple relie le nombre de tours sur les deux bobines à la tension de sortie :
$$\frac{N_p}{N_s}=\frac{V_p}{V_s}$$
\(N_p\) représente le nombre de tours de la bobine primaire et \ (N_s\) le même nombre de tours pour la bobine secondaire. L'équation est très simple et dit simplement que le rapport entre le nombre de tours de la bobine secondaire et le nombre de tours de la bobine primaire est égal au rapport entre la tension de sortie et la tension d'entrée.
La tension de l'électricité (V_p\) qui traverse un pylône est de (100\, \mathrm{kV}\). La tension doit être abaissée à 250 \N, \Nmathrm{V}\Npour qu'elle soit adaptée à l'alimentation électrique d'une maison. Cela peut se faire en utilisant un gros transformateur. Le transformateur utilisé dans ce cas précis comporte \(N_p = 10\N000\N) tours sur la bobine primaire. Combien de tours doit-il avoir sur la bobine secondaire ?
Pour cette question, nous pouvons utiliser l'équation du transformateur ci-dessus :
$$\frac{N_p}{N_s}=\frac{V_p}{V_s}$$
On peut la réarranger pour obtenir :
$$N_s=N_p\frac{V_s}{V_p}$$
Les valeurs données dans la question peuvent alors être branchées pour trouver le nombre de tours de la bobine secondaire :
$$N_s=10\;000\frac{250\;\mathrm V}{100\;000\;\mathrm V}=25\;\mathrm{turns}$$
Il y a donc 25 tours sur la bobine secondaire.
Types de transformateurs
Il existe deux types de transformateurs : les transformateurs élévateurs et les transformateurs abaisseurs. Leur nom te donne un indice sur leur fonction : les transformateurs élévateurs augmentent la tension d'un circuit alternatif à l'autre, tandis que les transformateurs abaisseurs diminuent la tension.
Fig. 2 : Un transformateur élévateur trouvé à l'intérieur d'un micro-ondes, Wikimedia CC SA 4.0.
Pour qu'un transformateur augmente (step-up) la tension du premier circuit au suivant, le nombre de tours de la bobine secondaire doit être supérieur à celui de la bobine primaire. Inversement, pour diminuer (abaisser) la tension d'un circuit à l'autre, le nombre de tours de la bobine secondaire doit être inférieur à celui de la bobine primaire.
Exemples de transformateurs
Les transformateurs ont de nombreuses applications utiles. Les transformateurs élévateurs et abaisseurs sont utilisés dans différentes situations.
Le réseau national
L'énergie électrique est fournie dans tout le Royaume-Uni par des centrales électriques qui envoient l'électricité par des câbles à haute tension.
Le réseau national est le réseau de câbles qui relie tous les endroits du Royaume-Uni qui ont besoin d'électricité.
La raison pour laquelle les hautes tensions sont utilisées pour transmettre l'énergie électrique est qu'elles permettent de transmettre la même quantité d'énergie avec un flux de courant plus faible à travers les câbles, ce qui signifie que l 'énergie perdue sous forme de chaleur sera moindre. L'énergie est perdue parce que la résistance des câbles lutte contre le courant et qu'ils deviennent chauds, ce qui entraîne une perte d'énergie thermique dans l'environnement.
Schéma montrant les transformateurs élévateurs et abaisseurs de tension utilisés dans le réseau de transport d'électricité en Amérique du Nord. Le système britannique est très similaire, mais il fonctionne à des tensions légèrement différentes.
Les hautes tensions sont très dangereuses et c'est pourquoi les câbles qui transportent l'énergie électrique sont placés en hauteur sur des pylônes, comme le montre le schéma ci-dessus.
Les centrales électriques produisent généralement de l'électricité à \ (25\, \mathrm{kV}\). Cette tension est augmentée par des transformateurs élévateurs jusqu'à 400 \Npour être transmise le long des pylônes, et cette tension est ensuite réduite à environ 240 \N une fois que les câbles à haute tension atteignent notre sous-station locale.
Appareils ménagers
Les radios et autres appareils électroniques fonctionnent souvent sur le secteur. Cependant, leur tension de fonctionnement est normalement beaucoup plus basse que \ (240\, \mathrm{V}\)! Des transformateurs abaisseurs sont intégrés aux appareils pour réduire la tension à un niveau approprié. D'un autre côté, la tension de fonctionnement des fours à micro-ondes est plus élevée que la tension du secteur pour un ménage, ils ont donc également un transformateur élévateur à l'intérieur pour augmenter la tension.
Transformateur - Points clés
- Les transformateurs sont utilisés pour augmenter ou diminuer une tension d'entrée d'une certaine quantité.
- Le rapport du nombre de tours sur les bobines primaire et secondaire est égal au rapport de leurs tensions.
- Il n'y a pas de connexions électriques entre la bobine primaire et la bobine secondaire. Elles ne sont reliées que par le noyau de fer et l'énergie est transférée entre elles par l'intermédiaire de champs magnétiques alternatifs.
- Les transformateurs élévateurs augmentent la tension et les transformateurs abaisseurs la diminuent.
- Les transformateurs sont utilisés dans le réseau national pour élever la tension et améliorer l'efficacité du transfert de l'électricité depuis les centrales électriques du pays.
Références
- Fig. 1 : Transformer3d (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg) par BillC (https://en.wikipedia.org/wiki/User:BillC) est sous licence CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).
- Fig. 2 : Caso SMG20 - MD Microwave Oven Manufacturing MD-801EMR-1-0190 (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Caso_SMG20_-_MD_Microwave_Oven_Manufacturing_MD-801EMR-1-0190.jpg) par Raimond Spekking (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Raymond) est sous licence CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/).
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