Energie électrique

Calcul du rendement d’un moteur
samedi 25 mars 2006
par  Patrice Matter, Tiago Pedro
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Dans cette expérience, nous étudierons un petit moteur électrique, utilisé comme monte-charge. En mesurant la dénivellation, la tension, en dessinant quelques graphiques et en calculant des intégrales, nous pourrons observer les variations du rendement selon la masse de la charge.

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schéma de montage de l’experience

Objectif

-  Mesurer la puissance et l’énergie électrique consommée par un moteur électrique.
-  Mesurer le gain d’énergie potentielle d’une masse soulevée par le moteur
-  Calculer le rendement du moteur.
-  Etudier le rendement du moteur dans différentes conditions.

Matériel

- Power Macintosh ou Windows PC
- Fils
- LabPro ou Universal Lab Interface
- Pinces crocodile
- Logger Pro
- Moteur électrique
- Vernier Current & Voltage Probe System
- Jeu de masses
- Générateur continu à tension variable
- Fil
- Support
- Petite tige de fixation en bois
- Pince de fixation

Questions préalables

a. Expliquez quelles transformations d’énergie prennent place quand la masse est élevée.

- L’énergie électrique, lorsque la masse est élevée par le moteur, se transforme en énergie mécanique (=énergie potentielle + différentes pertes). De ce fait, elle acquiert une énergie potentielle (= Energie mécanique).

b. Faites un pronostic du rendement auquel vous vous attendez pour ce moteur.

- Nous savons que le rendement est le quotient de l’énergie utile à une tâche par l’énergie totale fournie pour réaliser cette tâche.
Nous spéculons que le rendement du moteur sera changeant selon le poids. Le rendement sera indubitablement très petit avec une petite masse, et plus grand avec une plus grande masse.

Procédure

Nous avons dû fixer une tension maximale à ne pas dépasser, qui était de 10 V, et une dénivellation que nous avons gardée pour chaque masse, qui était de 0.8 m. Ensuite on avons remis la tension à 0 V et suspendu une masse de 0.2 Kg au dispositif. Avec le programme LaboPro, nous avons ensuite collecté les valeurs en actionnant le dispositif afin que la durée de la remontée soit d’environ 30 s. A l’aide du tableau obtenu, nous avons mesuré l’aire sous la courbe pour trouver la puissance électrique nécessaire au dispositif pour remonter la charge de 0.2 Kg. Nous avons ensuite procédé de la même manière pour différents poids en augmentant à chaque fois la masse.

Analyse

1. Pour chaque essai, nous avons calculé l’augmentation de l’énergie potentielle de gravitation de la masse et nous l’avons notée dans le tableau des données ci-dessous.

2. Pour chaque essai, nous avons aussi calculé le rendement du moteur, c’est-à-dire le pourcentage d’énergie électrique qui a été convertie en énergie potentielle de gravitation et nous l’avons noté le dans le tableau des données ci-dessous.

3. Pour quelle charge le moteur a-t-il été le plus efficace ?
- En regardant notre tableau de mesure nous pouvons dire que le moteur a été le plus efficace avec des charges plus élevées.

4. Qu’est-il arrivé au reste de l’énergie électrique utilisée par le moteur ?
- Le reste de l’énergie électrique utilisée par le moteur a été perdue, cette perte est dû principalement à la chaleur provoquée par les frottements.

Tableau des données

Essai Masse g Energie électrique J} Energie mécanique J Rendement %
1 200 64.37 1.56 2.4
2 500 80.47 3.93 4.8
3 1’000 97.14 7.85 8.07
4 1’500 115.4 11.77 10
5 2’000 130.4 15.56 12
6 2’500 144.6 19.6 13.5
7 4’700 203 36.48 18

Données :

Dénivellation m 0.8
Tension admise par le moteur V 10

Extensions

1. Faites un graphique du rendement du moteur en fonction de la charge. Imprimez le ou dessinez le.

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Graphique du rendement du moteur en fonction de la charge

2. Étudiez le rendement du moteur à différentes vitesses avec la même charge.

Lors de nos premières mesures, nous avons remarqué que les rendements que nous trouvions n’étaient pas très élevés.
Nous avons donc refait des mesures en faisant monter la charge plus rapidement et on peut constater que le rendement est nettement meilleur que lors des précédentes mesures.

Essai Masse g Energie électrique J Energie mécanique JRendement %
8 2’000 37.8 15.68 41
9 4’000 75.6 31.36 41.4

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