Bobine cuivre TPE 1ere S

[inviteefe380e2]

Bonsoir à tou(te)s.

Je suis en 1ere et j'ai donc dû préparer un projet de TPE durant les nombreuses dernières semaines. Le TPE de notre groupe consiste à transmettre de l'électricité par champ magnétique, via deux bobines de cuivre. L'expérience fonctionne et je dois finaliser le dossier durant les vacances. J'ai les équations nécessaires à l'explication du phénomène, cependant quelques points me sont obscurs, et j'aimerais que l'on m'éclaire si l'on peut.
Le circuit est composé de deux bobines au milieu desquelles on place un noyau de fer doux, et d'un transistor (et de DELs pour témoigner du bon fonctionnement), le tout alimenté par un courant continu et un courant alternatif. Le courant alternatif est envoyé à la base du transistor.

Tout d'abord ce que je ne comprends pas, c'est pourquoi on envoie du courant alternatif dans le transistor. Notre professeur d'électronique nous aide et nous a dit qu'il fallait le faire, sans explication, et mes recherches là-dessus sont infructueuses. Quelqu'un aurait-il une idée ? Quel intérêt ?

Autre question : nous essayons de déterminer l'inductance L de la bobine émettrice selon l'équation suivante : L = ((mu0)*(mur)*N²*S) / l
avec
mu0 constante magnétique
mur perméabilité relative effective du noyau de fer doux.
N nombre de spires
S section de la bobine
l épaisseur de la bobine

Le problème est que nos bobines disposent d'un large diamètre (10 cm) par rapport au noyau de fer doux que nous faisons tenir au milieu (1 cm de diamètre). On remarque une nette amélioration dans la portée de la transmission de l'énergie mais on ignore totalement la valeur de mur, ce qui est embêtant pour calculer L. Je ne pense pas que l'on puisse utiliser des "valeurs maximales" trouvées dans des tableaux sur internet car le diamètre du noyau est différent de celui de la bobine.
Comment donc trouver mur ?

Merci à ceux et celles qui auront pris le temps de me lire et de me répondre.
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[calculair]

Bonjour

Pourquoi ne pas mesurer la valeur de L directement ??

Sans être certain, je pense que le µ vous pouvez faire une moyenne au prorata des surfaces quand le noyau de fer doux est enfoncé et si il est suffisament long.

Si non le calcul me parait compliqué.

[LPFR]

Bonjour.
Ce dont vous parlez est bien connu. Surtout sous le nom de "transformateur électrique".
Mais les transformateurs utilisés on une meilleure géométrique que celle de vos deux bobines avec une barre qui les traverse.
La plupart des fois il s'agit d'un circuit magnétique fermé et non d'une barre.
Dans votre cas, seule une partie du flux magnétique d'une bobine traverse l'autre. Vous vous retrouvez plutôt avec deux inductances mutuelles qu'avec un bon transformateur.

Comme l'a dit Calculair, il vaut mieux que vous mesuriez l'inductance qu'essayer de la calculer. Votre géométrie n'est pas nette (votre barre n'est pas infinie ni fermée sur elle même) et vous ne connaissez même pas les caractéristiques magnétiques de la barre.
La formule que vous avez n'est valable que pour des solénoïdes infiniment longs (ou, du moins, très longs) et dont tout le noyau est uniforme.
Au revoir.

[phuphus]

Bonjour Leviathan555,

pour cette histoire de transistor, le mieux serait de mettre un schéma de ton circuit, histoire de voir. Par contre, ce n'est pas moi qui te répondrai là-dessus, je n'y connais rien en électronique


Concernant ton problème d'inductance, tu as plusieurs solutions :

- débobiner tes bobines et les rebobiner directement sur le noyau, comme cela tu seras dans les conditions d'application de ta formule... Il te faudra alors en effet connaître la perméabilité relative de la matière de ton noyau, et là ça se complique. Du fer pur possède un mur d'environ 10 000. Ajoutes-y seulement 0.06% de carbone et tu tombes à 4 000. Passe à 0.1% de carbone et tu tombes à 2 000. Rien qu'avec une petite incertitude quant à la matière utilisée, tu peux déjà avoir un facteur 5 sur le résultat ! Mon prof d'électrotech à l'école nous disait tout le temps de prendre 1000 et de ne pas s'embêter, tu peux aussi essayer.
- utiliser un logiciel de calcul par éléments finis, par exemple FEMM (gratuit et très simple d'utilisation). La géométrie sera très facile à programmer, pour le calcul de l'inductance cela demande un peu plus de réflexion et de savoir-faire (ceci dit, je peux t'aider...)
- pour la mesure, je suppose que justement le calcul est fait pour comparer le résultat à celui d'une mesure, non ?

Dans tous les cas, si tu veux comparer tes résultats de calcul avec une mesure, ou même si tu veux directement passer par une mesure pour déterminer l'inductance de tes bobines, cela peut s'avérer délicat. Ce que je vais expliquer sort largement du cadre de ton étude, et je pense même que tu n'en as pas du tout besoin, mais cela t'éclairera un peu sur ce que tu as entre les mains avec ton TPE.

Le fer n'est pas seulement ferromagnétique (mur très grand), il est aussi conducteur électrique. Une bobine munie d'un noyau de fer ou d'acier à bas taux de carbone peut se concevoir, en première approximation, comme l'association d'une résistance (la résistance du fil utilisé pour la bobine, qui peut ne pas être négligeable) + une inductance parfaite en série + un ensemble constitué d'une inductance pure et d'une résistance en parallèle, le tout en série avec le reste. Ces deux derniers composants sont appelés respectivement para-inductance et para-résistance : ce circuit équivalent d'une bobine munie d'un noyau de fer est appelé modèle LR-2 (il existe aussi du LR-3, LR-4, etc.).

La para-inductance et la para-résistance viennent justement de la conductivité électrique du fer. Soumis à un champ magnétique variable, ton noyau sera le siège de courants électriques induits (courants de Foucault), qui vont d'une part introduire de l'amortissement dans ton circuit via la résistivité du fer (la fameuse para-résistance du modèle LR-2), et d'autre part être à l'origine d'un champ magnétique généré par le noyau. Il y a donc inductance mutuelle entre la bobine et le noyau, ceci étant représenté par la para-inductance.

Tout ceci a plusieurs conséquences :
- soit ton matériel de mesure considère qu'il a en face de lui une inductance parfaite, et te renvoie une valeur uniquement fonction de l'amplitude du courant et de la tension aux bornes de la bobine (cas des multimètres premier prix, il me semble). C'est le pire cas, et là tu n'as plus qu'à espérer que les erreurs de calcul vont aller dans le même sens que les erreurs de mesure pour avoir une bonne corrélation entre les deux
- soit tu as un matos un peu plus perfectionné, genre pont de mesure ou impédance-mètre, qui va considérer le composant à mesurer comme une charge complexe et la décomposer en une partie résistive, une partie inductive et une partie capacitive. C'est mieux, mais toujours pas exact
- tu as carrément un matériel intégrant un modèle LR-2, qui te mesure les valeurs des 4 composants du circuit équivalent à ta bobine munie de son noyau, et à partir de cela tu en déduits la valeur de l'inductance équivalente à la fréquence qui t'intéresse.

Car c'est bien là qu'est le problème : le modèle LR-2 revient à dire que la valeur de l'inductance de ton circuit varie avec la fréquence. Si tu fais la mesure avec du matériel commun, elle sera forcément faite à 1 kHz, fréquence à laquelle il peut déjà y avoir des différences significatives entre du LR-2 et une inductance pure seule.

Bon, c'est un peu complexe, mais je crois que cela répond à ta question : il est impossible de calculer de manière simple l'inductance de tes bobines, et pour la calculer de manière plus complexe (éléments finis) tu auras besoin d'informations que tu n'as peut-être pas (matière exacte de ton noyau).

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteefe380e2]

Merci de vos réponses.
Je vous poste le schéma (fait sur paint ) :

Alors vous me dites que ce calcul n'est pas valable dans mon cas et qu'il est bien plus compliqué de calculer une inductance ?
En ce qui concerne les noyaux de fer doux (qui n'apparaissent d'ailleurs pas sur le schéma mais qui se trouvent au centre de chaque bobine), le prof nous les a donné comme ça, simplement en nous disant qu'il s'agissait de fer pur.
Et on avait déjà testé les bobines enroulées de manière régulière tout autour des noyaux (donc avec un très petit diamètre), mais la distance que nous atteignions entre les deux bobines était moindre qu'avec leur large diamètre.

[Michel S.]

Bonjour,heureusement G B F est vraissemblablement à la terre par l'alim ...
- je serais curieux de voir (scop) la forme du courant ...
à +

[inviteefe380e2]

Je vous demande pardon ?

[phuphus]

Encore une fois, je n'y connais pas grand chose en électronique, mais je vais essayer de t'aider.

Ton montage ressemble à un amplificateur rudimentaire. Comme ton GBF n'est pas capable de fournir une puissance suffisante à la bobine pour allumer la diode à l'autre bout, on passe par un circuit d'amplification : l'alim 20V fournit la puissance et le GBF fournit le signal. Le transistor est là pour faire le lien entre les deux. Par contre, je suis incapable de dire quelle est la forme exacte du courant parcourant la bobine (à vue de pif, le transistor ne laisse passer que la moitié des alternances du signal issu du GBF, et vu le reste du circuit la distorsion doit être à la fête. Pour ce que tu veux faire, à savoir avoir un courant variable et d'amplitude suffisante qui traverse ta première bobine, c'est amplement suffisant).

Et je confirme : le calcul de l'inductance dans ton cas n'est pas simple, puisque tu n'es ni dans la cas bobine à air ni dans le cas bobine à noyau magnétique. La meilleure approximation que tu puisses faire de manière simple, c'est de considérer l'influence de ton barreau de fer comme négligeable et te ramener à un calcul dans l'air, en ayant bien en tête que le résultat réel pour l'inductance est un peu supérieur à ça.

Si maintenant tu veux t'amuser :
- le plus accessible : FEMM
- si tu as envie d'y passer tes vacances : http://ds44.free.fr/ventilxp/calcul-bobines.pdf

[Ouk A Passi]

Bonjour,

En ce qui me concerne, j'éprouve une réelle incompréhension en lisant d'une part:

Je suis en 1ere et j'ai donc dû préparer un projet de TPE durant les nombreuses dernières semaines. Le TPE de notre groupe consiste à transmettre de l'électricité par champ magnétique, via deux bobines de cuivre.

Ainsi que

Tout d'abord ce que je ne comprends pas, c'est pourquoi on envoie du courant alternatif dans le transistor. Notre professeur d'électronique nous aide et nous a dit qu'il fallait le faire, sans explication, et mes recherches là-dessus sont infructueuses. Quelqu'un aurait-il une idée ? Quel intérêt ?

Mais il s'agit sans doute de nouvelles méthodes pédagogiques

Au travers des explications données précédemment, as-tu compris pourquoi?

LPFR, que je salue, a admirablement résumé:

 Cliquez pour afficher

Ce dont vous parlez est bien connu. Surtout sous le nom de "transformateur électrique".

[LPFR]

Bonjour.
J'avais un peut tiqué sur la phrase "transmettre de l'électricité par champ magnétique", mais j'avais fini par l'attribuer à une mauvaise rédaction, tant l'autre interprétation était absurde.
Plus tard, avec la phrase concernant l'éloignement entre les deux bobines: "mais la distance que nous atteignions entre les deux bobines était moindre qu'avec leur large diamètre", j'ai conclu que ce que Leviathan555 est en train de tester est bien le remplacement des fils de cuivre par une barre en fer. C'est n'est pas un transformateur, comme nous l'avions cru.

Je ne comprends pas l'attitude des enseignants qui laissent les élèves se lancer dans ce type d'absurdités. C'est du mépris pour le travail des autres. Ça doit être frustrant pour un élève de s'apercevoir qu'il a fait beaucoup d'efforts sur une idée idiote. Il y a de quoi le dégouter du sujet et du travail. Le même effort personnel aurait pu être dépensé dans un sujet plus réaliste et plus gratifiant.
Au revoir.

[phuphus]

@ LPFR : Euh... je ne comprends pas tout, là.. N'y-a-t'il pas DEUX noyaux de fer doux ? Un pour chaque bobine ? Pourquoi parles-tu d'un remplacement des fils de cuivre par une barre en fer ??

[LPFR]

@ LPFR : Euh... je ne comprends pas tout, là.. N'y-a-t'il pas DEUX noyaux de fer doux ? Un pour chaque bobine ? Pourquoi parles-tu d'un remplacement des fils de cuivre par une barre en fer ??

Re.
C'est ce que j'ai conclut à partir de textes de Leviathan555.
Une barre de fer avec une bobine à chaque extrémité.
Mais peut-être que votre interprétation est la bonne: deux bobines chacune avec son noyau, car l'interprétation du texte:
"Le circuit est composé de deux bobines au milieu desquelles on place un noyau de fer doux,..." est ambigüe.
A+

[inviteefe380e2]

Oui c'est bien ça, un noyau par bobine, excusez-moi pour l'ambiguïté de la phrase.

HS : LPFR, nous avions failli abandonner le projet mais notre prof d'élec a essayé de nous persuader que l'idée n'était pas mal quoiqu'un peu compliquée mais qu'il allait nous aider un peu, et que c'était tout à fait réalisable à notre niveau.

[LPFR]

Bonjour.
Les mêmes manips sous le titre "inductance mutuelle" auraient pu avoir un sens. Pas en tant que moyen de transmission de puissance.
Au revoir.

[inviteefe380e2]

Excusez mon absence, problèmes personnels...

Pourtant notre but est, à l'origine, de transmettre la puissance envoyée à la première bobine dans la deuxième, afin d'alimenter électriquement un récepteur relié à la deuxième bobine.
Puisque les deux bobines sont traversées par un même champ magnétique, il s'agit donc ici d'inductance mutuelle ? Quelle formule utiliser ?

Sachant qu'un courant traversant un circuit crée un champ magnétique, est-il possible qu'un circuit "pris" dans un champ magnétique puisse produire spontanément un courant qui le traverse ? Dans le cas contraire, pourquoi arrivons-nous donc à faire traverser du courant et de la tension dans la deuxième bobine ?

[LPFR]

Bonjour.
C'est ça le problème. Les deux bobines ne sont pas traversées par le même champ. Seule une fraction du champ produit par une bobine traverse la seconde, et cette fraction diminue comme le cube de la distance.
Quand on veut transmettre de la puissance entre deux bobines, on se débrouille pour qu'elles soient traversées par le même champ ou presque. On bobine les deux enroulements autour du même noyau ferromagnétique... et on appelle ça un "transformateur électrique".
Tous ce types de dispositifs élémentaires on été déjà inventés et testés. Si on ne s'en sert pas, c'est que ça ne marche pas.

C'est la raison pour laquelle nous avions cru qu'il s'agissait de transformateurs.

La tension aux bornes d'une bobine crée un courant qui crée, lui-même, un champ magnétique. Mais ce champ magnétique croissant induit une tension qui s'oppose à l'augmentation du courant. Le résultat est que, en continu, le courant croit linéairement (jusqu'à ce que quelque chose fume).
En alternatif, le résultat est que le courant est "retardé" par rapport à la tension.
Au revoir.

[inviteefe380e2]

Donc, en résumé, il n'y a aucun moyen de calculer la valeur du flux du champ magnétique traversant la seconde bobine (la réceptrice) ?
Pour la mesure, j'ignore si nous avons le matériel nécessaire.

[LPFR]

Bonjour.
C'est cela. Il n'y a pas des moyens en accord avec le cadre de votre travail.
Pour la mesure, vous trouverez toujours quelque chose de mesurable (un contrôleur, au pire) avec les deux bobines proches. Il suffira de faire les mesures en l'éloignant jusqu'à ce que ce ne soit plus mesurable.
Vous pourrez alors montrer comment cela diminue avec la distance.
Au revoir.

[inviteefe380e2]

Mais avec quoi mesurer le champ, au juste ? Quel appareil de mesure faut-il ?

[LPFR]

Re.
Vous mesurez indirectement le champ en mesurant la tension induite dans la deuxième bobine.
Vous pouvez même calculer le flux magnétique si vous connaissez la fréquence et le nombre de tours.
A+

[inviteefe380e2]

Ok donc si j'ai bien compris, on utilise du courant alternatif pour empêcher le courant de monter trop vite et ainsi les composants de griller ?

Et j'ai la fréquence (1 kHz) et le nombre théorique de tours de la bobine émettrice (132,5) et de la réceptrice (176). Ainsi quelle relation utiliser pour déterminer le flux ? (la littérale me suffira je pense)

[LPFR]

Bonjour.
La loi de Farady nous dit que la tension induite dans un circuit est :

(D'aucuns mettent une signe moins devant pour créer de la confusion).
S'il s'agit d'un flux qui est entourée N fois (comme une bobine) la tension est N fois plus grande:

Attention à la dérivation. Il faut tenir compte de la fréquence. Il est plus simple si le flux est sinusoïdal.
Au revoir.

[inviteefe380e2]

J'ai cru comprendre qu'un courant se crée dans la deuxième bobine si le flux du champ se modifie. Alors est-ce pour cela que l'on utilise du courant alternatif dans la première bobine ? Afin de créer un champ magnétique variable ?

Et si j'ai bien compris, V correspond à la tension dans le circuit, N au nombre de spires, et dΦ au flux magnétique. En revanche je ne vois pas trop ce qu'est dt. Je suppose qu'il s'agit d'une durée, mais laquelle ? Est-ce en rapport avec la fréquence ? Si tel est le cas, s'agit-il donc d'un millième de seconde ? (puisque dans mon cas je suis en 1000 Hz).
Merci.

[LPFR]

Re.
Si vous travaillez en régime sinusoïdal, le courant dans la première bobine sera de la forme sin(ωt) et le flux qui traverse la deuxième bobine sera de la forme
Φ = Φ_osin(ωt).
La tension induite sur la deuxième bobine sera la dérivée du flux (dΦ/dt):
V = N (dΦ/dt ) = N Φ_ocos(ωt)
A+

[inviteefe380e2]

La relation sous la première forme me paraît peut-être moins compliquée, donc pourrais-je savoir si chaque terme correspond bien à ce que j'ai demandé plus haut ?

Et nous ne travaillons pas en régime sinusoïdal il me semble, le courant issu du GBF a cette forme :
*********** Pas d'image sur serveur externe ********

[LPFR]

Re.
Vous avez vraiment intérêt à travailler en sinusoïdal, pour faire ce type de mesure.

Et on ne choisit pas ses formules suivant qu'elles vous paraissent plus comodes mais en raison de leur champ d'application.
A+

[obi76]

L'image.

Pour la modération.

[Berton]

Bonjour,
Pour connaitre l'inductance de la bobine émettrice avec son noyau: tu l'alimentes en sinusoïdal ( à l'aide de ton GBF par exemple) a une fréquence f, un peu élevée mais pas trop ! (genre 1000 hertz), tu mesures a l'aide d'un multimètre (en AC) la valeur efficace de la tension et du courant qui traverse alors ta bobine. Ensuite, sachant que : U = Z.I tu déduis la valeur Z de l'impédance de ta bobine en ohms.

1/ Si tu pinailles pas tu dis que ta bobine est parfaite, donc que Z = Lx2xPix f donc que L = .... et c'est fini tu peux rendre ton TPE.


2/Si tu pinailles tu dis que ta bobine n'est pas parfaite qu'il y une résistance "r" à prendre en compte, dans ce cas (Z)2 = (Lx2xPix f)2 + (r)2 ; pour connaitre "r" tu va alimenter cette fois ta bobine en continu (ce qui fait disparaitre l'inductance) tu mesure U et I (en DC) et la loi d'Ohm te donne r = U/I, tu remplaces dans la relation du dessus et et c'est fini tu peux encore rendre ton TPE

Bon courage.

[inviteefe380e2]

D'accord, merci pour les explications. Juste une petite chose, à quoi correspond L ici ?
Et aussi j'aimerais savoir pourquoi il faut tant alimenter en sinusoïdal et pas autrement, s'il vous plaît.
Et encore une fois, je reprends ce que j'avais demandé plus haut : est-ce pour avoir un champ magnétique variable que l'on doit alimenter le circuit en courant alternatif ?

[LPFR]

D'accord, merci pour les explications. Juste une petite chose, à quoi correspond L ici ?
Et aussi j'aimerais savoir pourquoi il faut tant alimenter en sinusoïdal et pas autrement, s'il vous plaît.
Et encore une fois, je reprends ce que j'avais demandé plus haut : est-ce pour avoir un champ magnétique variable que l'on doit alimenter le circuit en courant alternatif ?

Bonjour.
"L" est probablement l'inductance de la bobine. Du moins dans votre premier message.
Les mesures en régime sinusoïdal sont beaucoup plus faciles et beaucoup plus à votre portée.
Pour avoir un champ magnétique variable avec les bobines immobiles, oui, il faut utiliser du courant variable.
Mais si on bouge les bobines, le flux qu'une bobine crée dans l'autre changera et vous aurez aussi de la tension induite: c'est comme cela que fonctionnent les alternateurs. Mais ne croyez pas que c'est gratuit. Tourner une bobine qui débite du courant dans un champ magnétique est payant: il fut fournir de l'énergie.
Au revoir.