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TPE Les trains à sustentations magnétiques Comment sutilise lélectromagnétisme dans ce type de train à sustentation? 1.

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1 TPE Les trains à sustentations magnétiques Comment sutilise lélectromagnétisme dans ce type de train à sustentation? 1

2 Introduction : Le train à sustentations ne se trouvent jamais en contact avec les rails. Pour cela lintervention du magnétisme est nécessaire à plusieurs étapes de son fonctionnement. Ce train utilise donc lélectricité et la transforme en énergie magnétique. Nous définirons ce quest lélectromagnétisme et comment sutilise ce phénomène dans ce type de train puis nous établirons la liste des avantages de cette technologie dite de non contact. 2

3 I- Principes de magnétisme et délectromagnétisme 1) Le magnétisme et lelectromagnétisme Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifeste des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre Un champ magnétique peut être crée par un aimant. Expérience: 3

4 4 Où : µ0 est la perméabilité du vide = 4pi.10-7 I : intensité du courant en ampère d : distance entre le point considéré et le conducteur. 1 gauss = 1 maxwell / cm² = 10-4 teslas Mais aussi par un courant électrique. Expérience: Cest Christian Oersted qui le premier, en 1819, a observé que le courant avait sa place dans le magnétisme. En plaçant une boussole à côté dun fil électrique soumis à du courant, il sest aperçu que la boussole déviaitChristian Oersted Un fil traversé par un courant produit un champ magnétique. Linduction magnétique (en telsa) est telle que:

5 L'électroaimant fonctionne selon le même principe : il comprend un nombre " n " d'enroulements de fil de cuivre appelés spires. Plus il y a de spires, plus l'électroaimant est puissant. De plus, plus le courant qui traverse la bobine est intense, plus le champ magnétique créé est puissant. 5

6 II- LUTILISATION DE LELECTROMAGNETISME DANS LE FONCTIONNEMENT DU TRANSRAPIDE 1) La propulsion Le moteur linéaire synchrone à stator long est un moteur sans contact La propulsion est assurée par un jeu d'attraction et de répulsion.

7 7 La vitesse du train varie en fonction du courant alternatif qui est envoyé dans les bobinages de la voie, mais aussi grâce à l'ajustement de la fréquence (en courant alternatif, la variation des pôles nord et sud est dépendante de la fréquence du courant). Au lieu d'un champ magnétique rotatif, le courant génère une onde magnétique qui se déplace parallèlement à la voie, attirant ainsi le train.

8 Lalimentation des bobines de la voie se fait par des générateurs répartis en sections. Cette alimentation est transmise par des câbles. Elle est de 20k volts. Ensuite le train n'est pas alimenté pour le déplacement (propulsion + lévitation + guidage). 8

9 2) La lévitation Expérience sur répulsion de deux bobines : Ceci explique le principe de lévitation et de guidage du train. On calcule la force portante de la bobine par la formule: Avec: F : force portante en (N) B : induction en teslas (T) S : surface dun disque formé par des spires. 9

10 Mais la répulsion magnétique est un phénomène assez peu stable qui demande dêtre contrôlé. Cest pour cette raison que des électroaimants sont aussi disposés sur les côtés de rails de guidage. De cette façon, le train est forcé de rester au centre de son rail. La somme des vecteurs force de droite et de gauche est bien évidemment égale au vecteur nul, sans quoi le train ne resterait pas au centre. On est donc amené à construire des rails qui maintiennent la rame au centre, cest le cas de limage ci-dessous. 10

11 11 Une fois le train lancé, il faut pouvoir l'arrêter efficacement, étant donnée sa très grande vitesse. Ce freinage se fait encore sans contact. Dans le cas du système de sustentation, le freinage se fait par ralentissement des ondes magnétiques qui tirent le train. Dans le cas du système de lévitation, le freinage s'effectue par des aérofreins (en jaune) situés sur le train. 3) Le freinage

12 III- AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS Avantages : - Vitesses plus élevées - Meilleures accélérations. Franchissement de pentes plus fortes. - Risque presque nul de déraillement dans des constructions telles que le Transrapid - À vitesse égale, ils produisent moins de bruit - Meilleur rendement énergétique (consommations proportionnellement plus faibles). 12

13 13 Inconvénients: - Prix de construction des voies très important. -En effet le maglev lévite grâce à des aimants contenus sur les wagons et à des bobines conductrices dans les rails. Ces aimants sont fait de niobium et de titane et sont refroidis à -269°C (4,5 K) par de l'hélium liquide pour pouvoir conserver leur supraconductivité. - Incompatibilité avec les réseaux traditionnels - Peu adapté au fret lourd.

14 IV- CONCLUSION 14 Cette nouvelle technologie est prometteuse car elle permet de gagner de la vitesse de la consommation dénergie malheureusement elle reste relativement couteuse. La technologie du train à sustentation magnétique est assez pointue nous retiendrons schématiquement quelle est divisée en deux parties : La lévitation et la propulsion possibles grâce à la suspension électromagnétique produite par les électroaimants et un moteur linéaire synchrone à stator long. Le train gagne de la vitesse avec un courant alternatif envoyé dans les bobines de la voie et à lajustement des fréquences. Le freinage est assuré par un moteur pour réduire la vitesse avec des aérofreins situés sur le haut du train permettant daugmenter le frottement de lair. Le fonctionnement du train se produit par électromagnétisme afin de le faire léviter propulser et freiner.

15 Les Hauts-Parleurs Introduction: Le haut-parleur est apparu en Létude dun haut-parleur permettra de mettre en évidence la conversion dénergie électrique en énergie mécanique. Cest une sorte de moteur constitué dune bobine et dun aimant. Problématique: Quel rôle joue lélectromagnétisme dans un haut parleur ?

16 Le son Le son est une onde dite de compression. On peut observer des zones ou lair est dilatée, la pression de lair est minime on peut aussi observer des zones ou lair est compresser, la pression de lair est maximum. Le son se propage a 334m/s.

17 La fréquence et lintensité du son La fréquence du son sexprime en Hertz: la bande de fréquence audible sétend de 20Hz a 20000Hz Les infrasons se trouvent en dessous de 20Hz, ils sont trop grave pour être entendu. Les ultrasons se trouvent au dessus de 20000Hz, ils sont trop aigu pour être perçu par loreille humaine. Lintensité du son sexprime en Décibel: le seuil daudibilité est 0dB jusquà 130dB.

18 Le principe du Haut-Parleur Le principe de fonctionnement d un haut-parleur est simple: par le mouvement de va et vient dune membrane, le haut parleur créer des compressions et des réfractions qui réalise londe sonore.

19 Le fonctionnement Lorigine de la force de déplacement de la membrane est illustré par ce dessin: si un conducteur ( la bobine pour le haut parleur ) parcouru par un courant électrique, est placée dans un champs magnétique alors il est soumit a une force mécanique perpendiculaire au champs magnétique et au conducteur.

20 Le LHC Et lélectromagnétisme

21 Introduction A la frontière franco-suisse, le LHC avec ses 27 km de circonférence, permettra datteindre des énergies de 14 TeV.

22 Des faisceaux de protons ou dions y circuleront en sens inverses, se collisionnant. Lobjectif principal du LHC est de détecter le Boson de Higgs pour confirmer le modèle standard, ou linfirmer.

23 Problématique Il existe deux types daccélérateurs à particules : les linéiques et les circulaires. Nous nous intéresserons dans cette partie à lutilisation de lélectromagnétisme dans la déviation de la trajectoire des particules élémentaires dans un accélérateur circulaire.

24 I°) Pourquoi courber la trajectoire des protons ? Construction sur le site de lancien LEP. Forme approximativement circulaire Composé en réalité de 8 octants.

25 Accélérer et projeter des protons les uns contre les autres Vitesse des protons approchant de la vitesse de la Lumière

26 II°) Force magnétique de Lorentz 1°) Expérience Grâce à un électro- aimant (ici une bobine), nous allons dévier les protons situés dans les cathéters derrière lécran.

27 2°) Force de Lorentz Force magnétique F Vitesse V Champ Magnétique B ________________ Rayon du cercle R Masse de la particule m Vitesse de la particule v Charge électrique de la particule q Intensité du champs magnétique B

28 III°) Et en pratique Pour un faisceau de 7 TeV Champs magnétique de 8,3 Tesla Dégagement de chaleur Solution : Supraconductivité (circulation de courant sans dissipation de chaleur) température très basses

29 1234 aimants dipolaires Courber la trajectoire des faisceaux 392 aimants quadripolaires Concentrer les faisceaux

30 Conclusion LHC en phase de test : au delà dune certaine intensité, les aimants perdent leur propriétés supraconductrices Les aimants séchauffent et risquent de perdre le faisceau ou même de se détruire.


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