Les trains à sustentations magnétiques TPE Les trains à sustentations magnétiques Comment s’utilise l’électromagnétisme dans ce type de train à sustentation?

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

I- Principes de magnétisme et d’électromagnétisme 1) Le magnétisme et l’electromagnétisme 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:

Mais aussi par un courant électrique. Expérience: C’est Christian Oersted qui le premier, en 1819, a observé que le courant avait sa place dans le magnétisme. En plaçant une boussole à côté d’un fil électrique soumis à du courant, il s’est aperçu que la boussole déviait Un fil traversé par un courant produit un champ magnétique. L’induction magnétique (en telsa) est telle que: 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

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.

II- L’UTILISATION DE L’ELECTROMAGNETISME 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. - + + -

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.

L’alimentation 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).

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 d’un disque formé par des spires .

Mais la répulsion magnétique est un phénomène assez peu stable qui demande d’être contrôlé. C’est 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, c’est le cas de l’image ci-dessous.

3) Le freinage 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.

III- AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS - 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).

-Prix de construction des voies très important. 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.

IV- CONCLUSION Cette nouvelle technologie est prometteuse car elle permet de gagner de la vitesse de la consommation d’énergie malheureusement elle reste relativement couteuse. La technologie du train à sustentation magnétique est assez pointue nous retiendrons schématiquement qu’elle 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 l’ajustement des fréquences. Le freinage est assuré par un moteur pour réduire la vitesse avec des aérofreins situés sur le haut du train permettant d’augmenter le frottement de l’air. Le fonctionnement du train se produit par électromagnétisme afin de le faire léviter propulser et freiner.

Les Hauts-Parleurs Introduction: Problématique: Le haut-parleur est apparu en 1877. L’étude d’un haut-parleur permettra de mettre en évidence la conversion d’énergie électrique en énergie mécanique. C’est une sorte de moteur constitué d’une bobine et d’un aimant. Problématique: Quel rôle joue l’électromagnétisme dans un haut parleur ?

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

La fréquence et l’intensité du son La fréquence du son s’exprime en Hertz: la bande de fréquence audible s’étend 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 l’oreille humaine. L’intensité du son s’exprime en Décibel: le seuil d’audibilité est 0dB jusqu’à 130dB.

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

Le fonctionnement L’origine 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.

Et l’électromagnétisme Le LHC Et l’électromagnétisme

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

Des faisceaux de protons ou d’ions y circuleront en sens inverses, se collisionnant. L’objectif principal du LHC est de détecter le Boson de Higgs pour confirmer le modèle standard, ou l’infirmer.

Problématique Il existe deux types d’accélérateurs à particules : les linéiques et les circulaires. Nous nous intéresserons dans cette partie à l’utilisation de l’électromagnétisme dans la déviation de la trajectoire des particules élémentaires dans un accélérateur circulaire.

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

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

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 l’écran.

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

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

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

Conclusion LHC en phase de test : au delà d’une certaine intensité, les aimants perdent leur propriétés supraconductrices Les aimants s’échauffent et risquent de perdre le faisceau ou même de se détruire.