Comment fonctionne l’induction dans un générateur électrique ?
La loi de Faraday ne précise pas si la bobine où l’aimant doit se déplacer pour induire un courant, et en fait, peu importe. L’un d’eux doit cependant être en mouvement, car le flux magnétique, qui est la partie du champ magnétique passant perpendiculairement à travers le conducteur, doit changer. Aucun courant n’est généré dans un champ magnétique statique.
Un générateur à induction possède généralement un aimant permanent en rotation ou une bobine conductrice magnétisée par une source d’énergie externe, appelée le rotor. Il tourne librement sur un arbre à faible frottement (induit) à l’intérieur d’une bobine, appelée le stator, et quand il tourne, il génère une tension dans la bobine du stator.
La tension induite change de direction cycliquement à chaque rotation du rotor, de sorte que le courant résultant change également de direction. C’est ce qu’on appelle le courant alternatif (CA).
Dans un moulin à eau, l’énergie nécessaire pour faire tourner le rotor est fournie par l’eau en mouvement, et pour les plus simples, il est possible d’utiliser l’électricité produite directement pour alimenter les lampes et les appareils. Le plus souvent, cependant, la génératrice est raccordée au réseau électrique et fournit de l’électricité au réseau. Dans ce scénario, l’aimant permanent du rotor est souvent remplacé par un électro-aimant, et la grille fournit le courant alternatif pour le magnétiser. Pour obtenir une puissance nette du générateur dans ce scénario, le rotor doit tourner à une fréquence supérieure à celle de l’énergie entrante.
L’énergie dans l’eau
Lorsque vous utilisez l’eau pour faire du travail, vous vous fiez essentiellement à la force de gravité, qui est à l’origine de l’écoulement de l’eau. La quantité d’énergie que vous pouvez tirer de la chute de l’eau dépend de la quantité d’eau qui tombe et à quelle vitesse. Vous obtiendrez plus d’énergie par unité d’eau d’une chute d’eau que d’un cours d’eau qui coule (même principe pour l’éolien), et vous obtiendrez évidemment plus d’énergie d’un grand cours d’eau ou d’une chute que d’une petite.
En général, l’énergie disponible pour faire tourner la roue hydraulique est donnée par mgh, ou « m » qui est la masse de l’eau, « h » la hauteur à laquelle elle tombe et « g » l’accélération due à la gravité. Pour maximiser l’énergie disponible, la roue hydraulique doit se trouver au bas de la pente ou de la chute d’eau, ce qui maximise la distance à laquelle l’eau doit tomber. Vous n’avez pas à mesurer la masse de l’eau qui coule dans le cours d’eau. Tout ce que vous avez à faire est d’estimer le volume. Parce que la densité de l’eau est une quantité connue, et la densité est égale à la masse divisée par le volume, il est facile de faire la conversion.
La conversion de l’énergie hydraulique en électricité
Une roue hydraulique convertit l’énergie potentielle d’un cours d’eau ou d’une chute d’eau (mgh) en énergie cinétique tangentielle au point où l’eau entre en contact avec la roue. Ceci génère de l’énergie cinétique de rotation, donnée par
I 2/2
, où est la vitesse angulaire de la roue et I est le moment d’inertie. Le moment d’inertie d’un point tournant autour d’un axe central est proportionnel au carré du rayon de rotation r 🙁
I = mr2
), où m est la masse du point.
Pour optimiser la conversion de l’énergie, vous voulez maximiser la vitesse angulaire, , mais pour ce faire, vous devez minimiser I, ce qui signifie minimiser le rayon de rotation, r. Une roue hydraulique doit avoir un petit rayon pour s’assurer qu’elle tourne assez vite pour générer un courant net. Cela exclut les anciens moulins à vent qui ont fait la renommée des Pays-Bas. Ils sont bons pour effectuer des travaux mécaniques, mais pas pour produire de l’électricité.