transformateur électrique carte mentale
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Comprendre le sujet
Le transformateur est une machine statique qui transfère de l'énergie électrique entre deux circuits via un champ magnétique, en modifiant la tension alternative. Basé sur l'induction électromagnétique découverte par Faraday, il est essentiel au transport de l'électricité : élever la tension réduit les pertes en ligne, puis des postes abaisseur la ramènent aux usagers. Cette carte mentale explore son principe, sa constitution, ses types et ses rendements.
Comment fonctionne l'induction ?
Lorsqu'un courant alternatif traverse l'enroulement primaire, il crée un champ magnétique variable dans le noyau. Ce flux magnétique traverse le secondaire et y induit une tension, conformément à la loi de Faraday : la tension induite est proportionnelle au nombre de spires et à la variation du flux. C'est pourquoi un transformateur ne fonctionne pas en courant continu stable : un flux constant n'induit aucune tension. La fréquence reste identique entre primaire et secondaire ; seule l'amplitude de la tension change selon le rapport des spires.
Pourquoi élever la tension pour transporter ?
À puissance donnée, augmenter la tension diminue le courant transporté. Or les pertes par effet Joule dans les câbles valent R fois I au carré : réduire le courant les fait chuter très rapidement. Les centrales élèvent donc la tension à plusieurs centaines de milliers de volts pour le transport, puis des transformateurs successifs l'abaissent vers la distribution et enfin vers la tension domestique. Sans cette chaîne de transformation, le réseau exigerait des câbles massifs et gaspillerait une grande partie de l'énergie.
Les pertes et leur limitation
Aucun transformateur n'est parfait. Les pertes fer proviennent de l'hystérésis du matériau magnétique et des courants de Foucault induits dans le noyau ; on les limite avec un noyau laminé en tôles isolées et un acier au silicium. Les pertes cuivre résultent de la résistance des enroulements et augmentent avec la charge. Malgré cela, les grands transformateurs de puissance atteignent des rendements très élevés, souvent supérieurs à 95 pour cent, ce qui en fait des machines remarquablement efficaces.
Distinguer les types usuels
Le transformateur de puissance traite de fortes énergies dans les réseaux. Le transformateur d'isolement, avec un rapport de spires égal à un, sépare électriquement deux circuits pour la sécurité sans changer la tension. L'autotransformateur partage un enroulement commun : plus léger et moins coûteux, il offre une isolation réduite. Enfin, les transformateurs de mesure adaptent courants ou tensions élevés à des appareils de mesure standards, protégeant opérateurs et instruments.
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Questions de révision
Pourquoi un transformateur ne fonctionne-t-il pas en courant continu ?
En courant continu stable, le champ magnétique dans le noyau est constant. Or une tension n'est induite au secondaire que si le flux magnétique varie dans le temps, selon la loi de Faraday. Sans variation, aucune tension n'apparaît : le transformateur exige donc un courant alternatif ou un courant continu variant, comme lors de l'établissement ou de la coupure du circuit.
Comment calculer la tension de sortie d'un transformateur ?
La tension de sortie suit le rapport des nombres de spires : U2 = U1 fois N2 divisé par N1. Par exemple, avec 100 spires au primaire et 500 au secondaire sous 230 volts, le secondaire délivre environ 1150 volts : c'est un transformateur élévateur. En négligeant les pertes, la puissance reste la même, donc le courant varie en sens inverse de la tension.
À quoi servent les tôles laminées du noyau ?
Elles limitent les courants de Foucault : ces courants induits circuleraient librement dans un noyau massif et dissiperaient une énergie considérable par effet Joule. En découpant le noyau en fines tôles isolées électriquement entre elles, on interrompt les boucles de courant tout en conservant le chemin magnétique. Cela réduit les pertes fer et limite l'échauffement du transformateur.