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Rapport de transformation

Programmes : GCSE, Sek I/II

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Objectif

Déterminer comment la tension aux bornes de l’enroulement secondaire d’un transformateur dépend du nombre de spires des enroulements.

Le montage

Une source de tension alternative de 6 V, 50 Hz (onde sinusoïdale) est reliée à l’enroulement primaire du transformateur (500 spires, paire de bornes de gauche). L’enroulement secondaire (250 spires, paire de droite) n’est relié à rien. Au-dessus du transformateur se trouvent des voltmètres en mode AC : celui de gauche sur l’enroulement primaire, celui de droite sur le secondaire. Le nombre de spires est inscrit sur les enroulements ; la borne supérieure de chaque paire est le début de l’enroulement.

Protocole

  1. Notez les indications des deux voltmètres et le nombre de spires des deux enroulements.
  2. Calculez le rapport des tensions \(U_2 / U_1\) et le rapport de transformation \(N_2 / N_1\).
  3. Dans le panneau des paramètres du transformateur, réglez Spires du secondaire sur 1000. Notez les indications et comparez de nouveau les rapports.
  4. Réglez Spires du secondaire sur 500, puis Spires du primaire sur 250, puis sur 1000. Comment varie \(U_2\) ?
Résultat attendu

Les voltmètres en mode AC indiquent la valeur efficace : avec une amplitude de 6 V, vous lisez 4,24 V sur l’enroulement primaire. Avec 250 spires au secondaire, vous obtenez 2,08 V, avec 1000 spires environ 8,3 V : le transformateur est abaisseur ou élévateur selon le rapport des nombres de spires. Avec 500 spires au secondaire et 250 au primaire, la tension est aussi d’environ 8,3 V, avec 1000 au primaire environ 2,1 V : ce qui compte, c’est le rapport des nombres de spires, et non leur nombre. Le rapport des tensions est à peu près égal au rapport de transformation, \(U_2 / U_1 \approx N_2 / N_1\). Il est inférieur de 2 % parce qu’une partie du flux magnétique de l’enroulement primaire ne traverse pas le secondaire.

Questions

  1. Combien de spires faut-il au secondaire pour obtenir 12 V à partir de 4,24 V ?
  2. Quel est le rapport de transformation à l’étape 3 ? Le transformateur est-il élévateur ou abaisseur ?
  3. Pourquoi l’enroulement secondaire fournit-il une tension alors qu’il n’est relié au primaire par aucun fil ?
Réponses
  1. \(N_2 = N_1 \cdot U_2 / U_1\) = 500 · 12 / 4,24 ≈ 1415 spires. Le transformateur du montage donne 2 % de moins que le rapport de transformation, donc sur le montage il faut environ 1415 / 0,98 ≈ 1440 spires.
  2. \(N_2 / N_1\) = 1000 / 500 = 2. L’enroulement secondaire a plus de spires que le primaire, donc le transformateur est élévateur : la tension passe de 4,24 V à environ 8,3 V.
  3. Le courant alternatif dans l’enroulement primaire crée un flux magnétique alternatif, et le noyau d’acier conduit ce flux à travers l’enroulement secondaire. Un flux magnétique variable induit une tension dans chaque spire du secondaire (induction électromagnétique), donc l’énergie passe par le champ magnétique sans aucun contact électrique.