Générateur électrique

Un générateur électrique transforme un mouvement mécanique en courant en faisant défiler un aimant et une bobine de fil l'un devant l'autre. Michael Faraday en découvrit le principe en 1831, et presque toute l'électricité consommée aujourd'hui sort encore de machines qui l'appliquent.

Ce que c’est

Un générateur transforme un travail mécanique, celui d’une manivelle, d’une roue à aubes, d’une machine à vapeur ou d’une turbine, en courant électrique. Il lui faut un aimant, une bobine de fil de cuivre et un moyen de faire passer l’un devant l’autre.

Les piles coûtent cher et s’épuisent ; les générateurs ont permis de produire l’électricité en masse, avec du charbon ou une chute d’eau. Centrales, alternateurs de voiture, dynamos de vélo et éoliennes fonctionnent tous ainsi.

Comment ça marche

L’anneau d’induction de Faraday : l’aiguille ne bougeait qu’à l’instant où l’on branchait ou débranchait la pile.

Le principe est l’induction électromagnétique. Quand le flux magnétique à travers une bobine (la quantité de champ qui la traverse) varie, une tension apparaît entre ses extrémités. Un flux constant ne donne aucune tension. Plus le flux varie vite et plus la bobine compte de spires, plus la tension est élevée.

Dans la machine de la planche, construite par Hippolyte Pixii en 1832, une manivelle entraîne un arbre vertical par deux engrenages coniques. L’arbre porte un aimant permanent en fer à cheval dont les pôles passent juste sous deux bobines fixes à noyau de fer. Quand un pôle nord arrive sous une bobine, le flux qui la traverse augmente et le courant circule dans un sens. Quand ce pôle s’éloigne, le flux diminue et le courant s’inverse. Le pôle sud reprend le cycle, champ inversé : la machine nue produit donc du courant alternatif.

Pixii y ajouta un commutateur, suggéré par André-Marie Ampère : un inverseur sur l’arbre qui permute les sorties à chaque demi-tour, quand le courant change de sens. On obtient un courant continu pulsé, capable de charger des accumulateurs ou de décomposer l’eau.

Le disque de Faraday, en 1831, donnait un faible courant continu ininterrompu.

Dès que le courant passe, les bobines deviennent des aimants et freinent le mouvement : la manivelle durcit quand on branche une lampe. L’énergie électrique recueillie est le travail fourni par la main ou le moteur, moins les pertes par frottement et échauffement.

Au XIXe siècle, les aimants permanents étaient faibles ; les grosses machines utilisèrent donc des électroaimants. Dans une dynamo auto-excitée, une partie du courant de la machine les alimente. Le léger magnétisme resté dans le fer fait naître un petit courant, qui renforce le champ, qui augmente le courant, jusqu’à ce que la tension se stabilise à un niveau fixé par la vitesse et par la saturation du fer. Un alternateur de centrale moderne fait tourner un électroaimant dans des enroulements fixes ; à deux pôles, il tourne à 3 000 tours par minute pour du 50 hertz, ou à 3 600 pour du 60 hertz.

Comment le construire

Un petit alternateur à manivelle peut allumer une LED ou une ampoule de lampe de poche.

Fabriquer le rotor. Découper un disque de contreplaqué ou de bois dur d’environ 15 cm de diamètre. Coller sur une de ses faces huit aimants plats ronds (ferrite ou néodyme), régulièrement espacés près du bord, de sorte que les faces extérieures alternent nord, sud, nord, sud. Les ligaturer à la ficelle : un aimant mal fixé s’envole à grande vitesse.

Bobiner. Enrouler huit bobines plates de fil de cuivre émaillé de 0,3 à 0,5 mm, quelques centaines de spires chacune, toutes dans le même sens, sur un gabarit de la taille d’un aimant.

Monter le stator. Fixer les bobines sur une planche parallèle au rotor, chacune face à un aimant, à quelques millimètres. Deux bobines voisines font toujours face à des pôles opposés : les relier en série en inversant une bobine sur deux, pour que leurs tensions s’ajoutent.

Multiplier la vitesse. Une courroie passant d’une grande poulie sur la manivelle à une petite sur l’arbre du rotor multiplie la vitesse par quatre ou cinq.

Redresser et essayer. La sortie est alternative. Un pont de quatre diodes la transforme en courant continu pulsé. Alimenter une LED depuis le pont à travers une résistance d’un kilohm et d’un demi-watt, qui maintient le courant sous 20 milliampères environ tant que la tension de sortie reste inférieure à 20 volts environ ; vérifier la tension au multimètre avant de tourner vite. Charger une batterie demande un vrai régulateur adapté à son type, pas seulement des diodes.

Faute d’aimants du commerce, on aimante des barres d’acier dans une bobine alimentée quelques secondes par une batterie, avec une ampoule de voiture en série pour limiter le courant. Une dynamo auto-excitée, une fois amorcée par le magnétisme résiduel, se passe de tout aimant permanent.

Sécurité. Les pièces tournantes happent doigts, cheveux et vêtements amples : protéger la courroie et le rotor. Les aimants au néodyme se collent assez violemment pour pincer la peau et se briser ; les tenir loin des stimulateurs cardiaques. La tension augmente avec la vitesse et devient dangereuse sur les grosses machines. Ne jamais raccorder un générateur artisanal ou portatif à l’installation d’un bâtiment ni au réseau : le courant renvoyé sur les lignes peut tuer les agents qui y travaillent, et seul un électricien posant un inverseur de source adapté peut faire ce branchement.

Histoire et évolutions

En 1820, Hans Christian Ørsted montra qu’un courant électrique fait dévier l’aiguille d’une boussole. Michael Faraday en conclut que le magnétisme devait, à son tour, pouvoir produire de l’électricité. Le 29 août 1831, à la Royal Institution de Londres, il enroula deux bobines sur un anneau de fer et vit l’aiguille d’un galvanomètre sauter chaque fois qu’il branchait ou débranchait une pile sur l’autre bobine. À l’automne, il fit tourner un disque de cuivre entre les pôles d’un aimant et en tira un courant continu. Il présenta ses résultats à la Royal Society le 24 novembre 1831.

Moins d’un an plus tard, Pixii, fabricant d’instruments parisien, construisit la machine à manivelle de la planche. En 1866 et 1867, Samuel Alfred Varley, Werner Siemens et Charles Wheatstone annoncèrent chacun la dynamo auto-excitée, et Siemens baptisa le principe « dynamo-électrique ». Vers 1870, Zénobe Gramme construisit un induit en anneau qui donnait un courant régulier.

L’anneau de Gramme répartit le bobinage tout autour de l’induit, si bien que le courant ne pulse presque plus.

Le 4 septembre 1882, la centrale new-yorkaise de Thomas Edison, à Pearl Street, commença à livrer du courant continu à 110 volts, produit par six dynamos « Jumbo » mues à la vapeur. Le courant alternatif l’emporta ensuite pour les longues distances, car les transformateurs permettent d’en élever la tension ; en 1891, une ligne triphasée transporta l’énergie sur 175 km, de Lauffen am Neckar à Francfort. Charles Parsons accoupla une dynamo à une turbine à vapeur en 1884, et depuis, la plupart des grandes centrales utilisent des générateurs entraînés par des turbines. En 1975, le premier de trois groupes de 600 MW démarra au barrage de Grand Coulee, avec un stator de 22 mètres de diamètre.