3 principaux effets dont dépend le génie électrique

Cet article met en lumière les trois principaux effets dont dépend l’ingénierie électrique. Les effets sont les suivants: 1. Effet magnétique 2. Effet de chauffage du courant électrique 3. Effet chimique.

Génie électrique: Effet n ° 1. Effet magnétique:

Nous savons par expérience que chaque fois qu’un courant électrique circule, l’espace situé immédiatement autour de son chemin devient un champ magnétique. La figure 3.1 montre une section transversale d'un fil circulaire sur lequel un courant électrique suit.

La ligne en pointillé représente un champ magnétique cylindrique qui entoure le conducteur sur toute sa longueur. L'intensité de ce champ magnétique et son étendue varient en fonction de l'intensité du courant circulant dans le fil.

En fait, plus le courant est fort, plus le champ est large et intense. Par conséquent, une propriété importante d'un courant électrique est qu'il peut produire un champ magnétique. Cette propriété de l'électricité est utilisée dans la pratique dans les moteurs, transformateurs, relais, téléphones, etc. En fait, grâce à ce champ magnétique, et par induction électromagnétique, la différence de potentiel dans un conducteur est développée en raison de la vitesse de changement du champ magnétique.

e = Blv ……………… (éq. 3.1)

où e-emf en volts.

B - Webers par mètre carré.

I - Longueur du conducteur en mètre.

v - Vitesse (en mouvement) en mètres par seconde.

L'induction électromagnétique ne peut se produire que jusqu'à ce que le changement se poursuive. C'est à ce moment que ce changement cesse l'induction cesse également immédiatement.

En fait, il existe deux méthodes claires dans lesquelles les conditions pour l'induction peuvent être remplies:

(1) Par mouvement relatif entre le conducteur et le champ, le conducteur se déplace dans le champ ou le champ balaye le conducteur; et / ou

(2) En modifiant l'intensité du champ magnétique. Par conséquent, lorsqu'un conducteur, par exemple un morceau de fil, est placé dans un champ magnétique changeant, une force électromotrice, emf y est induite, et ceux-ci développent une différence de potentiel entre ses extrémités, comme expliqué dans la formule 3.1.

Si un fil est connecté à un circuit, la force électromotrice induite crée un courant autour du circuit tant que le champ magnétique continue à changer. Le conducteur dans lequel emf est induit est maintenant la source d'énergie du circuit auquel il est connecté, de sorte que le courant circule de négatif à positif le long du conducteur tout en passant de positif à négatif autour du reste du circuit.

La force de la force électromotrice induite dans le fil dépend de la vitesse à laquelle elle est déplacée dans le champ magnétique et de l'intensité de ce dernier. Ceci est également expliqué par la formule de base 3.1.

Et cela signifie que seule une petite force électromotrice serait induite par un mouvement lent dans un champ faible, de même qu'une force électromotrice plus forte serait induite par un mouvement rapide dans un champ faible ou un mouvement lent dans un champ plus intense. Et aussi une force électromotrice encore plus forte serait induite par un mouvement rapide dans un champ intense. En fait, ce principe de base est le principe fondamental du génie électrique.

Examinons maintenant de manière très simple les deux principes importants:

a) Principe du générateur et

b) Principe moteur.

a) Principe du générateur:

Un générateur est constitué de conducteurs en cuivre enroulés sur une armature qui tourne dans un champ magnétique, soit par une turbine à vapeur ou à eau, soit par un moteur à combustion interne, ou par un moteur électrique.

Lorsque l'armature tourne en permanence, les fils qui y sont enroulés se déplacent continuellement dans le champ magnétique et une force électromotrice est continuellement induite. Par conséquent, chaque conducteur qui se déplace dans le champ possède une force électromotrice induite proportionnellement à la vitesse de rotation et à l'intensité du champ.

Les conducteurs dans l'armature sont connectés en série. Si de nombreux conducteurs sont utilisés, la différence de potentiel développée dans l'induit est plusieurs fois supérieure à la différence de potentiel entre les extrémités d'un seul conducteur. Par conséquent, la vitesse, l'intensité du champ et le nombre de conducteurs en série dans l'armature sont les principaux facteurs qui déterminent la tension délivrée par un générateur.

Maintenant, lorsque l'armature tourne, chaque enroulement passe alternativement sur un pôle nord et un pôle sud. En appliquant la règle de la main droite de Fleming illustrée à la Fig. 3.2, on peut voir que la direction du courant induit dans un enroulement est inversée chaque fois qu'il passe à travers un pôle de polarité opposée.

Si les enroulements étaient connectés directement à un circuit, un courant alternatif circulerait dans ce circuit, comme illustré à la Fig. 3.3. Un générateur de courant alternatif est appelé un alternateur.

Sur cette figure, nous pouvons voir qu'un générateur génère naturellement une force électromotrice alternée et que chaque borne est alternativement positive et négative. La fréquence dépend de la vitesse de rotation; avec le simple champ bipolaire montré, la fréquence est égale au nombre de tours accomplis par la boucle de conducteur par seconde.

La fréquence de la tension générée dépend de la vitesse à laquelle les conducteurs passent des pôles de polarité opposée. La Fig. 3.3 montre un champ à deux pôles, mais le champ du générateur pourrait avoir plus de pôles.

Un champ générateur peut avoir un nombre pair de pôles; généralement, quatre et six et huit pôles sont communs. Quelle que soit la vitesse de rotation, les conducteurs d'induit passent plus fréquemment de pôles de polarité opposée, proportionnellement au nombre de pôles.

Dans une machine à deux pôles, par exemple, chaque conducteur passe par un pôle nord et un pôle sud par tour, tandis que dans une machine à quatre pôles, chaque conducteur passe par deux pôles nord et deux pôles sud par tour.

Par conséquent, pour une vitesse donnée, le courant alternatif généré par une machine à quatre pôles a deux fois la fréquence de celle générée par une machine à deux pôles; une machine à huit pôles a deux fois la fréquence d'une machine à quatre pôles, et ainsi de suite. La fréquence est donc déterminée par la vitesse à laquelle le générateur est entraîné et le nombre de pôles dans le champ. Cela doit toujours être rappelé.

Générateur de courant continu:

Lorsque le générateur est tenu de fournir du courant continu, un dispositif doit être utilisé pour inverser la connexion entre l'enroulement et le reste du circuit chaque fois que la direction de la force électromotrice induite dans l'enroulement change. Un tel dispositif s'appelle un commutateur.

Un commutateur est un tambour monté sur l'arbre des enroulements d'induit. La surface du tambour est divisée en segments métalliques isolés les uns des autres. Des contacts fixes appelés brosses, connectés directement au circuit externe, s'appuient sur la surface cylindrique du commutateur, de sorte que chacun entre en contact avec les segments métalliques, lors de la rotation du tambour.

Le bobinage d'induit connecté aux segments du commutateur est tel que, quelle que soit la polarité de la différence de potentiel induite dans le bobinage d'induit, le courant circule dans le même sens autour du circuit externe. Dans la Fig. 3.4, nous voyons un commutateur très simple.

Sur la figure 3.4 (a), le conducteur A se déplace sur le pôle nord et le conducteur B se déplace sur le pôle sud; le courant circule donc du segment B au segment A du commutateur, c'est-à-dire du balai négatif au balai positif à l'intérieur de l'induit. Lorsque l'armature a tourné de 180 °, comme illustré à la Fig. 3.4 (b), le conducteur A dépasse du pôle sud et le conducteur B dépasse du pôle nord.

Champ générateur:

Un générateur peut fonctionner avec un champ magnétique constant, de sorte que des aimants permanents ou des enroulements de champ (dans lesquels un courant constant alimentant produit un champ magnétique constant) puissent être utilisés.

La plupart des générateurs utilisent des enroulements de champ, mais des champs magnétiques permanents sont utilisés pour certains petits générateurs destinés à ne donner qu'une faible sortie, par exemple ceux utilisés dans les circuits téléphoniques. Les générateurs utilisant un champ magnétique permanent sont généralement appelés magnétos.

Alternateur de champ tournant:

Dans certains alternateurs et aimants alternatifs, les rôles des pièces rotatives et fixes sont inversés, l’aimant activé étant dans l’induit (ou rotor, comme on appelle la partie tournante d’une machine à courant alternatif). Lorsque le rotor est entraîné en rotation, le champ magnétique balaie tous les conducteurs de la partie fixe du stator de la machine.

L'effet est exactement le même que si les bobines de fil étaient tournées dans le champ magnétique, comme illustré à la Fig. 3.5.

b) Principe moteur:

Notre expérience et nos connaissances théoriques nous ont appris que le lien étroit entre le courant électrique, le champ magnétique et le mouvement ne se limitait pas à la génération de courant électrique. Cette connexion étroite donne également naissance au principe moteur, principe sur lequel travaillent tous les moteurs électriques, c’est-à-dire qui permet de convertir en continu l’énergie électrique en mouvement.

En fait, le principe du moteur est l'inverse du principe du générateur. Si un conducteur est placé dans un champ magnétique, comme indiqué sur la fig. 3.6 et le courant le traverse, le conducteur aura tendance à se déplacer à travers le champ magnétique.

Si le fil est monté sur une armature libre de tourner, la force agissant sur le conducteur a tendance à faire tourner le rotor. Et comme cette action magnétique se répète, le rotor continue de bouger, on parle alors d’action motrice.

Cependant, un moteur est construit de manière presque similaire à un générateur, avec des conducteurs enroulés sur une armature et placés dans un champ magnétique. Le courant circule dans l'enroulement de l'armature et l'armature tourne. Lorsque chaque conducteur traverse le champ magnétique, le courant qui y circule maintient la force qui fait tourner l'induit de sorte qu'un couple continu (appelé force de rotation) soit maintenu.

La règle de la main gauche de Fleming permet d'indiquer la direction du mouvement d'un conducteur sous tension dans un champ magnétique, comme illustré à la Fig. 3.7. De la même manière que les générateurs peuvent fournir du courant alternatif ou continu, les moteurs peuvent être conçus pour fonctionner à partir d'un courant alternatif ou continu.

c) Induction par changement d'intensité de champ:

Lorsqu'un conducteur est maintenu immobile dans un champ magnétique qui devient plus fort ou plus faible, une force électromotrice est induite dans ce conducteur. Si le conducteur est alors connecté à un circuit électrique, le courant circule.

L'intensité du champ d'un aimant permanent est invariable, de sorte qu'aucune emf ne peut être induite dans un conducteur stationnaire dans un tel champ. Mais l'intensité du champ magnétique produit par une bobine peut cependant être augmentée ou diminuée en modifiant l'intensité du courant qui la traverse.

Une force électromotrice peut donc être induite dans un conducteur placé dans un champ électromagnétique en modifiant l'intensité du courant circulant dans la bobine produisant le champ. La force électromotrice n’est donc induite que lorsque l’intensité du courant change réellement.

Induction mutuelle:

Si le conducteur dans lequel emf est induit est connecté à un circuit électriquement indépendant du circuit bobiné, un courant circule. Le courant passe de négatif à positif dans le reste du circuit. Le processus par lequel le courant peut circuler dans un circuit en modifiant l'intensité du courant dans un autre circuit est appelé induction mutuelle.

La force de la force électromotrice induite dépend de la vitesse à laquelle le courant produisant le champ change. Plus le taux de variation est élevé, plus la force électromotrice induite est grande. Le taux de variation le plus élevé possible dans un circuit à courant continu se produit lorsque l'alimentation d'une bobine est activée ou désactivée, car, à ces moments, le flux de courant change presque instantanément rien à son maximum, ou du maximum à rien.

A tous ces moments, une force électromotrice mesurable est induite dans un conducteur placé près de la bobine. Or, si une bobine est placée dans un champ magnétique changeant et que la force électromotrice est induite séparément à chaque tour, la force électromotrice totale induite dans la bobine est supérieure à celle induite dans un tour, car toutes les tours dans la bobine sont en série. Suivant ce principe, une bobine avec un grand nombre de tours peut être utilisée pour l’induction d’une haute tension.

Bobine d'induction:

L'induction mutuelle est le principe de la bobine d'induction, qui est un dispositif permettant de produire des impulsions à très haute tension à partir d'une alimentation basse tension, comme illustré à la Fig. 3.8. La bobine d'induction est composée d'une bobine primaire, enroulée sur un noyau en fer doux et connectée à une source d'alimentation basse tension via un commutateur.

Lorsque l'alimentation est connectée à l'enroulement primaire en fermant l'interrupteur, celui-ci est alimenté et une très haute tension est momentanément induite dans l'enroulement secondaire. De même, lorsque le circuit de l'enroulement primaire est interrompu, une très haute tension est également induite momentanément dans le secondaire, mais cette fois dans le sens contraire.

On peut donc faire en sorte que l'enroulement secondaire de la bobine d'induction développe une succession d'impulsions à très fort potentiel. En fait, selon ce principe très simple, les étincelles d'allumage des moteurs de voiture sont produites par une bobine d'induction fonctionnant à partir de la batterie de la voiture. Le circuit primaire est fait et cassé, au rythme de la rotation du moteur.

Induction mutuelle par courant alternatif:

La force réelle d'un courant alternatif change continuellement d'un moment à l'autre en raison de ses caractéristiques. Le champ magnétique produit par un courant alternatif est donc changeant continuellement. Si un conducteur est placé dans le champ, une force électromotrice y sera induite en permanence.

Si le conducteur est connecté à un circuit électrique, le courant circulera continuellement dans ce circuit. Le courant induit est lié au courant appliqué de manière très précise.

Au cours du premier trimestre d'un cycle, la force du courant appliqué augmente de zéro au maximum. L'intensité du champ augmente donc de zéro à maximum et l'extrémité 'A' de la bobine a la polarité nord. Une force électromotrice est donc induite dans le conducteur et tend à entraîner le courant de gauche à droite.

Le taux de changement d'intensité de champ (représenté par la pente de la courbe) est maximal au tout début d'un cycle et revient à zéro au point où l'intensité maximale du courant est atteinte. La force électromotrice induite, qui dépend du taux de changement, est donc maximale au début du cycle et tombe à zéro à la fin du premier trimestre du cycle.

Au cours du deuxième trimestre d'un cycle, la force du courant appliqué décroît de maximum à zéro. Comme au premier trimestre, la polarité de l'extrémité A de la bobine est nord. Une force électromotrice est donc à nouveau induite dans le conducteur, mais cette fois-ci tend à conduire le courant de droite à gauche.

Au cours de ce quart de cycle, le taux de changement d'intensité de champ commence à zéro lorsque le champ est le plus intense et augmente progressivement à mesure que l'intensité diminue. La force électromotrice dans le conducteur passe donc de zéro au début du cycle du deuxième trimestre à un maximum à la fin du cycle du deuxième trimestre.

La seconde moitié du cycle suit un schéma similaire à celui de la première moitié, mais toutes les directions sont inversées. Au troisième trimestre, le champ monte au maximum, l'extrémité A de la bobine ayant la polarité sud. La force électromotrice induite tombe de son maximum à zéro, ce qui tend à entraîner le courant de droite à gauche.

Au cours du quatrième trimestre, l'intensité du champ passe du maximum à l'extrémité 'A' de la bobine ayant la polarité sud, et la force électromotrice induite augmente de zéro à un maximum, le courant circulant de gauche à droite.

La force électromotrice induite dans le conducteur est donc une force électromotrice alternée de même fréquence que le courant appliqué. Si le courant appliqué a une forme d'onde sinusoïdale, la force électromotrice induite a exactement la même forme d'onde.

Les pics de la force électromotrice induite se produisent exactement un quart de cycle après les pics du courant appliqué, c'est-à-dire avec un retard de 90 ° sur le courant appliqué. La capacité d'un courant alternatif à induire une force électromotrice alternée dans un circuit électriquement indépendant à travers un champ magnétique donne naissance au principe du transformateur.

Il est important de noter que l’onde sinusoïdale est la seule forme d’onde reproduite exactement par induction mutuelle. Si un courant alternatif ayant une autre forme d'onde était appliqué à la bobine, une induction mutuelle aurait lieu comme un processus continu, mais la forme d'onde de la force électromotrice induite ne ressemblerait pas à celle du courant appliqué.

Auto-induction:

Toute bobine dans laquelle un courant produit un champ électromagnétique se trouve elle-même dans ce champ. Par conséquent, chaque fois que l'intensité du courant circulant dans la bobine change et entraîne une modification de l'intensité du champ, une force électromotrice est induite dans la bobine elle-même. Une force électromotrice est induite dans la bobine uniquement lorsque l'intensité du courant change.

En fait, la force électromotrice induite s'oppose et retarde toujours le changement d'intensité de courant qui l'induit. Si et quand le courant augmente, la force électromotrice induite tend à empêcher l'augmentation, il s'oppose à la force électromotrice appliquée à la bobine, et est donc un contre courant électromoteur. perpétuer le flux de courant, s'exerçant dans la même direction que la force électromotrice appliquée

Lorsque le circuit est interrompu, la diminution soudaine du courant jusqu'à zéro induit une grande force électromotrice qui a tendance à maintenir le courant qui coule après la rupture. En fait, c'est la raison de l'étincelle que nous voyons lorsque le courant traverse momentanément toutes les lacunes.

Énergie dans un circuit d'induction:

Le champ magnétique créé par une bobine est une réserve d'énergie fournie par le circuit électrique; lorsque le courant circulant dans la bobine augmente, l'intensité du champ magnétique augmente également.

Une partie de l'énergie fournie par la batterie ou le générateur est utilisée pour vaincre la force électromagnétique de retour induite, et cette énergie passe dans le champ magnétique. Tandis qu'un courant d'intensité constante circule dans la bobine, le champ magnétique est maintenu et il conserve l'énergie fournie.

Lorsque le courant circulant dans la bobine est réduit, le champ magnétique perd de l'intensité et libère de l'énergie. Cette énergie est renvoyée dans le circuit car la force électromotrice induite tend à perpétuer le flux de courant. L'effet de cette énergie renvoyée peut être de provoquer une étincelle si le circuit est cassé.

Une étincelle provoquée par la libération d'énergie d'un circuit inductif constitue un danger potentiel sous terre dans une mine. Si de telles étincelles se produisent quand une concentration explosive d'humidité d'incendie ou de poussière de charbon est présente dans l'atmosphère, la concentration risque de s'enflammer et une explosion peut très facilement se produire.

Pour cette raison, chaque équipement électrique utilisé sous terre doit être conçu de manière à éviter que les étincelles ne s'enflamment de s'enflammer, ainsi que de la poussière de charbon. Ce sont deux méthodes pour surmonter le danger des étincelles. Elles sont décrites dans les chapitres traitant des équipements antidéflagrants et des circuits à sécurité intrinsèque.

Inductance:

Le processus d’auto-induction se produit dans chaque bobine, qu’il s’agisse d’un solénoïde, d’un enroulement mineur ou d’un transformateur, chaque fois que la force du courant qui y circule change. Dans tous les cas, la force électromotrice induite retarde le changement d'intensité du courant qui l'induit. L'effet d'une bobine sur le circuit dans lequel elle est connectée est un peu comme l'effet d'un volant d'inertie sur un système mécanique.

Cette propriété qu'une bobine a de retarder les changements dans son circuit s'appelle son inductance. Chaque circuit a une légère inductance, mais, dans la plupart des cas, seule l’inductance des bobines doit être prise en compte. Un circuit contenant des bobines est appelé un circuit inductif.

L'inductance d'une bobine dépend principalement du nombre de tours dont elle dispose. Une bobine avec un grand nombre de tours crée un champ magnétique puissant, de sorte qu'un facteur de force électromagnétique relativement puissant est induit à chaque tour. Puisque tous les tours de la bobine sont en série, le facteur de force électromagnétique total induit dans la bobine est considérable.

Une bobine de seulement quelques tours ne peut produire qu'un faible champ magnétique et le facteur de force arrière total est seulement quelques fois supérieur à celui d'un seul tour, de sorte que son inductance est très faible. L'inductance est également affectée par d'autres facteurs tels que la proximité et la taille des spires, ainsi que les propriétés de tout noyau que peut avoir la bobine. En général, cependant, toute bobine conçue pour produire un fort champ magnétique présente une inductance élevée.

(d) Circuit à courant alternatif et inductance propre:

Un courant alternatif change continuellement, de sorte que, dans toute bobine dans laquelle un courant alternatif circule, une force électromotrice inverse est continuellement induite. La force électromotrice auto-induite (comme une force électromotrice induite mutuellement) est une force électromotrice alternante qui se trouve à 90 ° exactement derrière les courbes inductives A et B de la Fig. 3.9 (a).

Au début du premier quart de cycle, le courant augmente plus rapidement dans le sens positif, de sorte qu'un facteur emf maximal dans le sens négatif est induit.

Lorsque le courant atteint un maximum, son taux de changement diminue et la force électromotrice induite tombe à zéro. Au cours du deuxième trimestre d'un cycle, alors que le courant dans le sens positif diminue, le facteur de force inverse agit également dans le sens positif (s'opposant au changement de courant, c'est-à-dire en ayant tendance à maintenir le courant). Au fur et à mesure que le taux de changement augmente, la force électromotrice induite augmente également, atteignant un maximum au moment où le courant est réellement nul.

La seconde moitié du cycle est similaire à la première moitié, mais toutes les directions sont inversées. Au troisième trimestre, les augmentations de courant dans les directions négative et rétro-active sont induites dans le sens positif. Lorsque le taux de variation du courant diminue, la force électromotrice induite tombe à zéro.

Au quatrième trimestre, le courant dans le sens négatif tombe à zéro et la force électromotrice est induite dans le sens négatif. À mesure que le taux de variation du courant augmente, la force électromotrice induite augmente au maximum.

Comportement de courant alternatif:

Lorsqu'une tension alternative est appliquée à un circuit inductif et qu'un courant alternatif circule, deux fm alternatifs fonctionnent simultanément dans le même circuit, c'est-à-dire la fm d'alimentation et la fm auto-induite

À tout moment dans le temps où les deux fm fonctionnent dans des directions opposées, le fm résultant qui tend à faire passer le courant autour du circuit est la différence entre les deux fm à cet instant. Encore une fois, à tout moment où les deux emf fonctionnent dans la même direction, l'eff qui tend à entraîner le courant autour du circuit est la somme des deux emf à cet instant.

Ainsi, lorsque deux emf alternatifs ayant une forme d'onde sinusoïdale fonctionnent ensemble dans un circuit, l'EMF résultante est toujours un emf alternatif, également de forme sinusoïdale. Cependant, la seule exception est lorsque les deux fm alternantes sont égales et parfaitement en opposition de phase.

Ensuite, il n'y a aucune résultante emf. Sauf si les deux fm alternantes sont exactement en phase ou en opposition de phase, la fmf résultante est déphasée à la fois avec la fm d'alimentation et avec la fm auto-induite.

Dans n'importe quel circuit selon la loi d'Ohm, le courant réel circulant à tout moment est proportionnel à la tension qui tend à entraîner le courant autour du circuit à cet instant. Dans la mesure où la tension résultante a tendance à créer un courant alternatif dans un circuit inductif, le courant alternatif dans un circuit inductif doit être en phase avec une force électromotrice résultante.

Il a été démontré que la force électromotrice auto-induite retarde le courant inducteur d’exactement 90 °, de sorte que la force électromotrice résultante mène à la force électromotrice induite de 90 °. De plus, la force électromotrice résultante ne peut être en phase avec la force émettrice que si la force électromotrice auto-induite est exactement en phase ou en opposition de phase.

Puisque la force électromotrice résultante est déphasée de 90 ° par rapport à la force électromotrice auto-induite, il en résulte que la force électromotrice résultante est nécessairement déphasée par rapport à la force emf Le courant alternatif circulant dans le circuit est donc également déphasé par rapport à la force em

En figue. 3.9 (b) les points ci-dessus sont illustrés. La force électromotrice résultante (courbe) est dessinée en phase avec le courant (courbe A). La force électromotrice auto-induite (courbe B) est représentée en retard de 90 ° par rapport au courant. Comme on peut le voir sur le diagramme, les pics du cycle de courant se produisent après les pics du cycle de force d’émission.

Par conséquent, dans tout circuit inductif, le courant alternatif est en retard par rapport à la tension alternative de l'alimentation. La relation entre le courant et la tension d'alimentation dans le circuit peut être illustrée en traçant les courbes des deux, en utilisant le même axe que sur la Fig. 3.10. L'ampleur du retard du courant dépend de l'inductance et de la résistance du circuit.

Dans n'importe quel circuit, l'augmentation de l'inductance ou la diminution de la résistance augmente le retard du courant. Inversement, la diminution de l’inductance ou l’augmentation de la résistance diminue le retard du courant. Dans le cas théorique extrême d'un circuit contenant une inductance pure et aucune résistance, le courant serait en retard d'un quart de cycle à 90 ° derrière la tension d'alimentation, comme le montre la Fig. 30.10 (b).

Cependant, dans tout circuit pratique, il y a toujours une certaine résistance (au moins la résistance des conducteurs) de sorte que le courant est toujours en retard de moins de 90 °, comme expliqué à la Fig. 3.10 (c).

Réactance:

Lorsqu'une alimentation en courant alternatif est connectée à un circuit inductif, la valeur efficace du courant qui circule est limitée, indépendamment de toute résistance, par le processus d'auto-induction qui se produit. Il est théoriquement possible de supposer qu’un circuit, ne possédant aucune résistance mais seulement une inductance, puisse exister.

Si une différence de potentiel en courant continu était appliquée à un tel circuit, il n'y aurait aucune limite à l'intensité du courant continu qui circulerait. Du premier principe de l'électricité, nous savons que,

Courant = tension / résistance,

mais puisque la résistance = 0 Ohms,

Courant = Tension / 0 Ou à l'infini.

Si une alimentation en courant alternatif était connectée, le courant serait limité par la force auto-induite. Le courant est décalé de 90 ° par rapport à la tension appliquée, et la force électromotrice induite est exactement en opposition de phase avec la tension appliquée.

La force électromotrice induite ne peut jamais être supérieure à la tension appliquée, sinon le courant inducteur ne pourrait pas circuler. La taille de la force électromotrice induite à chaque moment du cycle dépend de la vitesse de changement du courant à ce moment. Puisque la force électromotrice induite est limitée, le taux de variation du courant est limité, de sorte que les valeurs maximales et efficaces du courant sont également limitées.

Maintenant, jamais, la force réelle du courant circulant dans le circuit dépend,

a) l'inductance du circuit; et nous savons que plus l'inductance est grande, plus la force électromotrice induite est grande pour tout taux de changement de courant donné, et

b) fréquence; et nous savons aussi que plus la fréquence est élevée, plus le taux de changement requis dans le cycle est élevé pour une valeur efficace donnée.

La Fig. 3.11 illustre les déclarations ci-dessus. La propriété qu'une bobine (ou un circuit d'inductance dans son ensemble) a de limiter la force d'un courant alternatif qui la traverse s'appelle sa réactance.

Impédance:

Tout circuit pratique contenant une bobine a une résistance et une réactance, et la valeur d'un courant alternatif circulant dans le circuit est déterminée par l'effet combiné des deux propriétés. Cet effet combiné est appelé impédance.

Une bobine, par exemple, peut être construite de manière à présenter une inductance élevée mais une résistance très faible. Si ensuite, un potentiel continu de, disons, 100 volts est appliqué sur celui-ci, un fort courant continu circulera.

Si, par contre, une tension alternative de 100 volts efficaces est appliquée, la réactance de la bobine limitera le courant alternatif à une valeur très basse. Le circuit a donc une haute impédance. Un circuit contenant une résistance élevée et une faible inductance ne permettra également qu’à un faible courant alternatif de circuler et aura également une haute impédance.

Bien que l'impédance d'un circuit tel que la réactance seule varie avec la fréquence de l'alimentation alternative, pour une fréquence donnée, l'impédance est liée au courant et à la différence de potentiel exactement de la même manière que la résistance seule, c'est-à-dire

Puisque ces formules sont exactement comme celles énoncées par la loi Ohms, l'impédance est mesurée en ohms. En fait, ce sont les principes de base qui seront toujours essentiels pour résoudre tout problème d’application en génie électrique.

Capacitance:

Un condensateur ou un condensateur est un composant électrique conçu pour conserver une charge électrique spécifique. Les condensateurs sont utilisés dans les circuits électriques à de nombreuses fins. Dans les mines et les industries, ils sont le plus souvent utilisés pour la correction du facteur de puissance et la sécurité intrinsèque.

En fait, un simple condensateur est constitué de deux plaques métalliques maintenues l'une à côté de l'autre mais isolées l'une de l'autre, comme illustré à la Fig. 3.12 (a). Le matériau isolant qui sépare les plaques est appelé diélectrique.

Si une batterie devait être connectée entre les deux plaques, comme indiqué à la Fig. 3.12 (b), la plaque connectée au positif de la batterie accepterait une charge positive, tandis que la plaque connectée au négatif de la batterie accepterait une charge négative.

Lorsque chaque plaque est chargée, une différence de potentiel est créée entre les deux plaques, qui ne peut pas être réduite en raison de l'isolation qui les sépare. Mais lorsque la charge est complète, la différence de potentiel entre les deux plaques est égale à la différence de potentiel aux bornes de la batterie.

Unité de capacité:

La capacité peut être mesurée et l'unité de base est le farad. Un objet a une capacité d’un farad s’il a besoin d’un flux de courant d’un ampère pendant une seconde pour modifier son potentiel d’un volt.

L'unité de base de la capacité est toutefois beaucoup trop grande pour les mesures pratiques, car personne n'a jamais construit d'objet ayant une capacité supérieure à une petite fraction de farad. En effet, il a été calculé que si une sphère métallique était réalisée avec une capacité d’un farad, elle serait bien plus grande que la Terre elle-même.

Les unités de capacité utilisées à des fins pratiques sont le microfarad, qui équivaut à un millionième de farad; et le Pico farad (ou microfarad), qui équivaut à un millionième de microfarad. Cependant, nous savons que lorsqu'un conducteur reçoit une charge d'une source d'alimentation, le flux de courant indique que de l'énergie a été transférée lors de la production de la charge.

Tant que le conducteur conserve la charge statique, il peut être considéré comme une forte énergie électrique. L'énergie est dissipée lorsque le conducteur se décharge. La propriété de pouvoir accepter et conserver une charge statique est appelée capacité.

Capacité d'un condensateur:

La capacité d'un condensateur est plusieurs fois supérieure à la capacité des plaques isolées. Cette forte augmentation de capacité est provoquée par l'effet que les deux plaques chargées ont l'une sur l'autre. Voyons maintenant ce qui se passe lorsque le condensateur commence à se charger, une plaque acquérant une charge négative, tandis que l’autre acquérant une charge positive.

La plaque chargée positivement a tendance à attirer une charge négative supplémentaire sur la surface opposée de la plaque négative et, de la même manière, la plaque chargée négativement tend à attirer une charge positive supplémentaire sur la plaque positive. L'effet est que le courant continue de circuler alors que les charges se concentrent ou se condensent (en fait, le nom du condenseur est venu en raison de la condensation de la charge) en opposition sur les surfaces des plaques.

La concentration de charges qui se font face est appelée induction électrostatique. Son effet est de s'opposer à la création d'une différence de potentiel entre les plaques, car les charges tirées sur les plaques ont tendance à se neutraliser.

Par conséquent, lorsqu'un condensateur est chargé, la majeure partie de la charge fournie aux plaques est attirée sur les faces opposées où elle est neutralisée, et seule une très petite proportion est disponible pour créer la différence de potentiel entre les plaques.

Ainsi, une grande quantité de charge doit être fournie aux plaques du condenseur pour produire une faible différence de potentiel entre les plaques, c'est-à-dire que la capacité du condenseur est grande.

Il est facile de construire un condenseur ayant une capacité de 10 microfarads, dont les plaques, lorsqu'elles sont séparées, ont une capacité extrêmement petite. En fait, la capacité réelle d'un condensateur dépend d'un certain nombre de facteurs.

Les facteurs les plus importants sont:

i) Surface totale des plaques:

Puisque les charges neutralisées dans le condenseur se concentrent sur les faces opposées des plaques, la quantité de charge pouvant être absorbée et neutralisée dépend de la surface de la surface qui est directement opposée.

Plus cette zone est grande, plus la capacité du condensateur est grande. En pratique, on obtient de grandes surfaces de plaques en les enroulant en rouleaux, en construisant des rangées de plaques alternativement positives et négatives.

ii) Distance entre les plaques:

La force d'induction électrostatique exercée entre les plaques augmente au fur et à mesure que celles-ci se rapprochent. Donc, plus les plaques sont proches, plus la charge qui peut être concentrée sur leurs surfaces et neutralisée est grande, plus la capacité du condensateur est grande.

Le diélectrique entre les plaques doit être suffisamment épais et électriquement résistant pour résister à la tension appliquée sur celui-ci, faute de quoi le processus échouera beaucoup, beaucoup plus tôt.

(iii) Propriété du diélectrique:

Un simple condenseur, tel que celui illustré à la Fig. 3.12 (a), peut avoir de l'air comme diélectrique. Certains diélectriques solides, tels que le mica, le papier ciré ou l’huile isolante, confèrent à un condensateur de dimensions similaires une plus grande capacité. La raison en est que la charge sur les plaques tend à induire des charges à la surface du diélectrique avec lequel elles sont en contact.

La surface du diélectrique en contact avec la plaque positive acquiert une charge négative et inversement. Les charges sur les surfaces du diélectrique agissent donc comme une force de neutralisation supplémentaire contre les charges sur les surfaces des plaques, de sorte que le condensateur doit absorber davantage de charge pour établir une différence de potentiel donnée entre les plaques.

e) Condensateurs dans un circuit à courant continu:

Comme il n'y a pas de connexion électrique entre les plaques d'un condenseur, un circuit de courant continu ne peut pas être complété à travers celui-ci. Si un condensateur est connecté à une batterie en série avec une lampe, aucun circuit n'est terminé et la lampe ne fonctionnera pas. Cependant, si le condensateur n'est pas chargé lors des connexions, un courant circule dans les conducteurs jusqu'à ce que le condensateur soit chargé.

Si le courant de charge était suffisamment fort, la lampe clignoterait momentanément. Bien qu'aucun courant ne circule dans le diélectrique du condensateur, le courant circule pendant la brève période de charge du condensateur, comme si un circuit avait été réalisé à travers celui-ci. La force du courant est maximale au moment de la première connexion de la batterie, mais elle diminue rapidement à mesure que la charge sur le condensateur augmente.

Lorsque la différence de potentiel totale entre les plaques est atteinte, le flux de courant cesse. Le flux de courant indique que la batterie a fourni de l'énergie électrique au condenseur. Cette énergie est maintenant stockée dans la charge. Si la batterie est déconnectée, le condensateur reste chargé et conserve son réserve d'énergie électrique.

Si une connexion est maintenant établie entre les deux plaques, un courant circule de la plaque chargée positivement vers la plaque chargée négativement jusqu'à ce que le condenseur soit déchargé, et les deux plaques sont au même potentiel. Ce flux de courant est encore plus important lorsque la connexion est établie pour la première fois et diminue rapidement lorsque la différence de potentiel diminue.

Condenseur et circuit alternatif:

L'effet du condensateur sur un circuit à courant alternatif est assez différent de son effet sur un circuit à courant continu. Veuillez regarder dans la Fig. 3.13. La polarité de l'alimentation en courant alternatif est continuellement inversée, de sorte que le condensateur ne peut pas conserver une charge statique, contrairement à ce qui se passe dans un circuit à courant continu.

Lorsque l'alimentation en courant alternatif est connectée pour la première fois, le premier cycle commence par l'ébullition d'une différence de potentiel sur les plaques du condensateur. Comme lors de la première connexion d’une source de courant continu, un courant circule momentanément et diminue rapidement lorsque la tension entre les plaques augmente. Au bout d'un quart de cycle, la tension a atteint un pic et le courant a cessé de circuler.

Au cours du deuxième trimestre du cycle, la tension d'alimentation diminue. Lorsque la tension d'alimentation est tombée à une valeur inférieure à la différence de potentiel entre les plaques du condensateur, le condensateur commence à se décharger.

Lorsque le condenseur se décharge, le courant commence à circuler dans le sens opposé à celui du courant initial. Comme la tension d'alimentation s'oppose toujours au courant de décharge, le courant de décharge est d'abord très faible: il n'atteint une valeur maximale que lorsque la tension d'alimentation est à zéro.

Ensuite, lorsque la seconde moitié commence, le courant continue de circuler dans le même sens et le condensateur commence à se charger avec une polarité inverse. À la fin du troisième trimestre, la tension atteint à nouveau un pic et le courant cesse de circuler. Au cours du quatrième trimestre du cycle, le condensateur commence à se décharger de nouveau, le courant de décharge circulant dans le même sens que le premier courant de charge.

Lorsqu'une alimentation alternative est connectée à un condenseur, un courant alternatif circule réellement dans les conducteurs reliant la source d'alimentation aux plaques du condenseur. Bien qu'aucun courant ne traverse réellement le diélectrique entre les plaques, le circuit se comporte comme s'il était complet et, dans la pratique, un condensateur peut être considéré comme permettant à un courant alternatif de le traverser.

À nouveau, à partir de la figure 3.13, nous pouvons montrer qu’un cycle de courant alternatif se produirait lorsque la tension est à zéro, et inversement. Le cycle de courant entraîne donc le cycle de tension de 90 °.

Cependant, comme nous savons que tout circuit pratique contient nécessairement une résistance et une capacité, le courant ne dépasse jamais la tension de 90 °. La quantité réelle par laquelle le cycle de courant mène le cycle de tension dépend de la résistance et de la capacité du circuit. Le diagramme de vecteur de la figure 3.13 explique les déclarations ci-dessus de manière vectorielle.

Capacité de réaction et impédances:

Lorsqu'une tension alternative est appliquée aux bornes d'un condensateur, l'intensité du courant alternatif qui circule est déterminée par les capacités du condensateur. Pour toute tension donnée, un condensateur de grande capacité absorbe une grande quantité de charge, de sorte qu'un fort courant circule.

Mais un condensateur de faible capacité absorbe une faible quantité de charge, de sorte que seul un faible courant circule. La propriété d’un condensateur de limiter le courant alternatif est appelée réactance capacitive.

La capacité et la résistance d'un circuit offrent ensemble une impédance au passage du courant alternatif. Comme pour l'impédance inductive, pour une fréquence donnée, l'impédance capacitive est liée à la tension et au courant alternatifs exactement de la même manière qu'une résistance pure. L'impédance est donc également mesurée est ohms.

L'impédance d'un circuit capacitif varie avec la fréquence de l'alimentation alternative. Plus la fréquence de l'alimentation est élevée, plus l'impédance du circuit est faible. Lorsque la fréquence de l'alimentation est augmentée, la vitesse à laquelle le condensateur doit être chargé au cours de chaque demi-cycle est également augmentée de sorte qu'un courant plus lourd doit circuler.

Sauf indication contraire, l'impédance du circuit capacitif est toujours mesurée à 50 c / s, les États-Unis (et les pays influencés par le système américain) ayant leur fréquence à 60 cycles par seconde.

Comparaison de la capacité et de l'inductance:

L'effet d'un condensateur sur un circuit à courant alternatif est à bien des égards l'inverse de l'effet d'une bobine.

Les effets de la capacité et de l’inductance sont comparés comme suit:

Capacité du conducteur de circuit:

Chaque circuit électrique a une certaine quantité de capacité, qu'un condenseur y soit connecté ou non. Il n’est généralement pas possible de calculer la capacité d’un circuit. La capacité de nombreux circuits est trop petite pour être mesurée, mais la capacité d’un circuit de puissance peut être suffisamment grande pour présenter un danger si ses effets ne sont pas protégés. contre.

Par conséquent, il est toujours conseillé de décharger les circuits électriques à la terre après leur mise hors tension, avant d'intervenir sur la ligne.

Les conducteurs de câble, les connexions de l'appareillage de commutation et les enroulements de moteur d'un circuit de charbon, par exemple, contiennent une quantité considérable de métal connecté entre eux. Cette masse de métal a, en soi, une certaine capacité à retenir une charge d’électricité.

It is, however, surrounded by the earth screen of the cable and the metal casings of the motor and switchgear. The casing and the conductors together act as a condenser, so that the capacitance of the metal parts of the circuit is greatly increased.

Now when the supply is switched off from the motor after it has been working, the metal parts of the circuit could retain a charge of electricity for a time even though the current is not flowing. The electrical energy contained in the charge would be very little compared with the energy carried by the system when working, but it could be sufficient to give anyone touching a conductor in the circuit a severe shock.

Further, the accidental discharge of the conductor when exposed could cause a spark which might ignite any fire damp present in the atmosphere. It is, therefore, possible to receive a severe shock or produce an incendive spark from a conductor even though the conductor is isolated from the source of supply.

In order to eliminate the danger of shock or sparking from a charged conductor, isolator switches are usually provided with an 'earth' position which enables all the conductors isolated by the switch to be connected directly to earth, so that they can be discharged.

It is therefore must, and important when working on any high or medium voltage electrical equipment, to ensure that any conductor to be exposed have been both isolated and discharged before any cover is removed. Conductors should be connected directly to earth for at least one minute in order to ensure that these are fully discharged.

Electrical Engineering: Effect # 2. Heating Effect of Electric Current:

Whenever an electric current flows it meets with resistances. If the current is flowing in a good conductor, such as copper, the resistance is very slight, but some other materials which conduct electricity offer much more resistance. Whenever an electromotive force drives a current round an electric circuit, energy is expended in overcoming the resistance in the circuit.

The electrical energy expended is given out in the form of heat. The amount of heat produced at any point in an electric circuit depends upon the resistance of the material of which the circuit is made at that point, and upon the strength of the current flowing.

Some heat is produced at every point of every circuit in which current is flowing, but throughout most of the circuit, eg the cables, the amount of heat produced is normally very small and is readily dispersed.

Some parts of a circuit have higher resistance than the rest and, in these parts, more heat is- produced. For that reason, electric motors, generators, transformers and other equipment, have to be cooled while in operation.

Similarly, a bad connection in a circuit eg a poorly made plug, offers a higher resistance, and excessive heat may be produced at that point. The heating could be sufficient to damage the equipment and possibly start a fire.

However, the heating of an electric current is used in electric light bulbs and electric fires. In an electric light bulb current passing through a fine wire produces sufficient heat to raise the temperature wire very high so that it glows brilliantly. This useful aspect of electricity is explained and illustrated in the chapter dealing with Electric Lighting.

Electrical Engineering: Effect # 3. Chemical Effect:

Some liquids also conduct electricity, but when they do so, some chemical reactions occurs. Fig. 3.14 illustrates how such liquids conduct electricity.

A potential difference is applied across the liquid by connecting a source of energy to two solid conductors (called electrodes) immersed in the liquid. The positive electrode is called the anode and the negative electrode is called the cathode. The liquid is called the electrolyte, and the process by which a liquid conducts electricity is called electrolysis.

Most conducting liquids consist of a solution of solid (eg washing soda, or copper sulphate) or liquid (eg sulphuric acid) in water. When the substance dissolves it splits chemically into two electrically charged parts, called ions.

One ion consists of positively charged particles whilst the other consists of negatively charged particles. In its normal state, the solution is electrically neutral, because the negatively and positively charged ions completely neutralize one another.

When a potential difference exists between the electrodes, the positively charged ions (cations) are attracted towards the cathode and the negatively charged ions (anions) are attracted towards the anode. In this way, a two way flow of ions is set up in the liquid. This movement of ions constitutes the passage of current through the liquid.

When the ions reach the electrodes they lose their electric charge and are released, either as a gas, or as a coating on the electrode. Some ions, however, are incapable of existing independently as substances, and they therefore combine chemically with the material of the electrode.

L'électrodéposition de cuivre est un exemple d'utilisation de l'effet chimique d'un courant électrique. Une anode en cuivre est immergée dans une solution de sulfate de cuivre. Tout objet métallique immergé dans cette solution lorsque la cathode se recouvre de cuivre lorsqu'un courant traverse la solution. Le sulfate de cuivre est scindé chimiquement en un ion de cuivre (positif) et un sulfion négatif (la partie sulfate du sulfate de cuivre).

Le cuivre est attiré et déposé sur les cathodes, les sulfions sont attirés par l'anode où il se combine avec le cuivre, en recréant du sulfate de cuivre. L’effet général est que le cuivre est transféré de l’anode à la cathode, l’électrolyte demeurant en fait inchangé.

L'effet chimique d'un courant électrique est fréquemment rencontré dans les mines de charbon, où l'électrolyse provoque la corrosion d'appareils électriques, par exemple le blindage de câbles.

L'eau de mine acide de l'électrolyte et, en cas de léger courant vagabond fuyant de l'appareil vers la terre, une action chimique se produit entre l'eau et le métal de l'appareil. Il est également à noter que le processus d'électrolyse peut être inversé.

Une action chimique entre un électrolyte et deux électrodes peut produire un courant électrique. La production d'électricité par action chimique est le principe de la batterie, qui a également été expliqué et illustré dans le chapitre sur les batteries.

Gaz conducteurs:

Les gaz et les vapeurs, comme les liquides, conduisent également l'électricité par un flux d'ions dans les deux sens. Le néon est un exemple de gaz conducteur. Les vapeurs qui conduisent l’électricité comprennent les vapeurs de mercure et de sodium. Le gaz ou la vapeur est généralement contenu dans une enceinte, telle qu'un tube de verre, d'où l'air a été d'abord évacué.

Deux électrodes, une anode et une cathode, sont scellées dans l'enceinte. Lorsqu'une différence de potentiel suffisante est appliquée entre les électrodes, le gaz est ionisé et les ions positifs et négatifs sont attirés respectivement vers la cathode et l'anode, de sorte que le gaz commence à conduire.

Le flux d'ions dans les deux sens fait que certains gaz et vapeurs émettent une lueur brillante lorsqu'ils conduisent. Cependant, pour chaque gaz ou vapeur, il existe une certaine tension minimale qui doit être appliquée aux électrodes avant le début de l'ionisation.

En dessous de cette tension, aucun ion n'est produit et le gaz ne conduit pas du tout. La tension minimale à laquelle un gaz ou une vapeur conduira s'appelle sa tension de frappe. Les gaz et les vapeurs conducteurs sont utilisés dans certains types d’éclairage et comme redresseur. Certaines applications des gaz conducteurs dans l'industrie sont présentées dans le chapitre sur l'éclairage électrique.