Transformateur en charge

Programmes : GCSE, Sek I/II

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Objectif

Comparer les intensités et les puissances dans les circuits primaire et secondaire d’un transformateur et estimer son rendement.

Le montage

Une source de tension alternative (onde sinusoïdale, amplitude 12 V, valeur efficace 8,5 V), 50 Hz, est reliée par un ampèremètre à l’enroulement primaire du transformateur (500 spires). Le circuit secondaire (250 spires) comporte un ampèremètre et une ampoule de 3,5 V / 1 W. Les voltmètres au-dessus du transformateur indiquent la tension aux bornes de l’enroulement primaire et du secondaire ; ils sont tous en mode AC. Le wattmètre au-dessus de l’ampèremètre du circuit primaire indique la puissance consommée par l’enroulement primaire.

Protocole

1. Notez les indications des quatre appareils : \(U_1\), \(I_1\), \(U_2\), \(I_2\).
2. Calculez les rapports \(U_2 / U_1\) et \(I_1 / I_2\) et comparez-les au rapport de transformation \(N_2 / N_1\).
3. Notez la puissance du circuit primaire \(P_1\) sur le wattmètre et calculez la puissance dans le circuit secondaire \(P_2 = U_2 \cdot I_2\) (l’ampoule est une charge résistive). Déterminez le rendement \(\eta = P_2 / P_1\). Comparez \(P_1\) au produit \(U_1 \cdot I_1\).
4. Réglez Spires du secondaire sur 150. Comment la luminosité de l’ampoule et l’intensité \(I_1\) ont-elles changé ?

Résultat attendu

Les indications sont d’environ \(U_1\) = 8,38 V, \(I_1\) = 146 mA, \(U_2\) = 3,55 V, \(I_2\) = 286 mA, \(P_1\) = 1,12 W. L’intensité dans le circuit primaire est plus faible que l’intensité dans le secondaire à peu près dans le même rapport que la tension aux bornes de l’enroulement primaire est plus grande : \(I_1 / I_2\) ≈ 0,51 ≈ \(N_2 / N_1\). La puissance dans le circuit secondaire est d’environ 1,01 W et le rendement d’environ 90 % ; les pertes sont dues à l’échauffement des enroulements. Le produit \(U_1 \cdot I_1\) ≈ 1,23 V·A est supérieur à \(P_1\) : c’est la puissance apparente, et une partie du courant primaire est le courant magnétisant, qui ne consomme pas d’énergie mais ne fait que la faire aller et venir. En charge, \(U_2 / U_1\) = 0,42, nettement moins qu’à vide : une partie de la tension se perd dans la résistance des enroulements et à cause des fuites de flux magnétique. Avec moins de spires au secondaire, l’ampoule brille plus faiblement, et l’intensité dans le circuit primaire diminue aussi.

Questions

1. Pourquoi l’intensité dans l’enroulement primaire est-elle plus faible si le transformateur est abaisseur ?
2. D’où vient la puissance consommée par l’ampoule ?
3. Pourquoi le rendement d’un transformateur est-il inférieur à 100 % ?

Réponses

1. Le transformateur transmet l’énergie du circuit primaire au secondaire avec de faibles pertes, donc la puissance est à peu près la même dans les deux circuits. À puissance égale, le côté de plus haute tension est parcouru par le courant de plus faible intensité : 146 mA au primaire contre 286 mA au secondaire, un rapport d’environ 0,51, proche de \(N_2 / N_1\) = 0,5.
2. De la source alternative. Le courant primaire crée un flux magnétique alternatif dans le noyau, et ce flux induit la tension qui fait circuler le courant dans l’ampoule, donc l’énergie passe au secondaire par le champ magnétique. Sur les 1,12 W que l’enroulement primaire prélève sur la source, l’ampoule reçoit environ 1,01 W.
3. Une partie de l’énergie chauffe les enroulements. Le simulateur leur attribue une résistance de 2,5 Ω (500 spires) et de 0,625 Ω (250 spires) ; \(I^2 \cdot R\) donne environ 0,05 W dans chacun, ce qui explique l’écart de 0,11 W entre \(P_1\) et \(P_2\). Un vrai transformateur perd aussi de l’énergie dans son noyau d’acier par courants de Foucault et par hystérésis ; le noyau du simulateur n’a pas de telles pertes.