Transformateur et courant continu

Programmes : GCSE, Sek I/II

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Objectif

Vérifier si un transformateur fonctionne en courant continu, et constater qu’une tension n’apparaît dans l’enroulement secondaire que lorsque le courant dans le primaire varie.

Le montage

Une source de tension continue de 6 V est reliée par un interrupteur et un ampèremètre à l’enroulement primaire du transformateur (2000 spires, résistance 40 Ω). Une ampoule de 3,5 V / 0,5 W et un voltmètre en mode DC sont branchés sur l’enroulement secondaire (1400 spires). L’interrupteur est ouvert.

Protocole

1. Fermez l’interrupteur. Observez l’ampoule et l’ampèremètre.
2. Attendez quelques secondes. Notez les indications de l’ampèremètre et du voltmètre.
3. Ouvrez l’interrupteur. Observez l’ampoule.
4. Recommencez l’expérience avec une vitesse de simulation plus faible pour mieux voir les éclairs.

Résultat attendu

À la fermeture de l’interrupteur, l’intensité du courant dans l’enroulement primaire augmente progressivement, en une fraction de seconde, et se stabilise à environ 0,15 A : elle est limitée par la résistance de l’enroulement. Le flux varie lentement, la tension induite est faible, et l’ampoule s’allume à peine — le filament rougit tout juste, ce qui ne se remarque que dans l’obscurité. Tant que le courant est constant, le voltmètre sur l’enroulement secondaire indique 0 et l’ampoule est éteinte. À l’ouverture de l’interrupteur, le courant s’interrompt brusquement et l’ampoule émet un éclair vif — deux fois plus lumineux qu’en régime nominal — et s’éteint en un quart de seconde : l’intensité du courant induit est d’environ 0,2 A, 1,4 fois le courant nominal de l’ampoule. Une tension n’est induite dans l’enroulement secondaire que par un flux magnétique variable, donc un transformateur ne fonctionne pas en courant continu.

Le courant dans l’enroulement primaire n’est pas limité par hasard. Le noyau d’un vrai transformateur peut saturer en courant continu, et un fort courant à l’ouverture passerait dans le circuit secondaire dans le rapport des nombres de spires et ferait griller l’ampoule.

Questions

1. Pourquoi l’ampoule émet-elle un éclair plus vif à l’ouverture de l’interrupteur qu’à sa fermeture ?
2. Pourquoi le courant dans l’enroulement primaire n’augmente-t-il pas immédiatement après la fermeture ?
3. Pourquoi n’utilise-t-on les transformateurs que dans les circuits en courant alternatif ?

Réponses

1. À la fermeture de l’interrupteur, le courant et le flux magnétique augmentent progressivement, et une variation lente du flux n’induit qu’une faible tension. À l’ouverture, le courant primaire de 0,15 A s’arrête presque instantanément, et l’énergie stockée dans le champ magnétique du noyau passe dans le circuit secondaire : le flux entretient dans l’ampoule un courant d’environ 0,15 A · 2000 / 1400 ≈ 0,2 A, 1,4 fois son courant nominal.
2. L’enroulement compte 2000 spires sur un noyau d’acier et a donc une grande inductance. Le courant croissant crée un flux magnétique croissant, et ce flux induit dans l’enroulement une tension qui s’oppose à la croissance du courant (auto-induction), donc l’intensité s’approche progressivement de 6 V / 40 Ω ≈ 0,15 A.
3. Un transformateur ne transmet l’énergie que par un flux magnétique variable ; un courant continu crée un flux constant, et l’enroulement secondaire ne fournit aucune tension. En courant continu, le courant primaire n’est en outre limité que par la résistance de l’enroulement : avec le primaire par défaut de 500 spires (2,5 Ω), la source de 6 V y ferait passer environ 1,9 A, et un vrai enroulement surchaufferait.