Il existe différents moyens de produire l’électricité : les panneaux solaires, les éoliennes, les barrages hydro-électriques, les centrales nucléaires, … Hormis quelques exceptions, (nous le verrons dans un prochain article), le principe général de ces infrastructures est le même : produire de l’électricité à partir d’un mouvement (rotation d’une turbine). On parle alors de transformer de l’énergie cinétique en énergie électrique.

Le champ magnétique

La présence d’un champ magnétique est indispensable pour transformer l’énergie électrique en énergie mécanique. Il peut être créé par un aimant, ou le passage courant électrique (qui par conséquent induit un champ magnétique). La présence d’un champ magnétique signifie qu’en tout point de l’espace, une norme, un sens et une direction du champ sont définis. La particularité du champ magnétique est qu’il exerce une force sur les charges en mouvement.

Prenons un électron (rappelons qu’un électron est chargé négativement) baignant dans un champ magnétique. Si ce dernier est en mouvement, il recevra une force égale au produit de sa charge, sa vitesse, et l’intensité du champ magnétique. La direction de cette force est orthogonale à la direction du champ magnétique et à la direction de son déplacement C’est la force de Lorentz. Sur le schéma ci-dessous, le champ magnétique est constant, uniforme, et dirigé vers le haut.

Electron en mouvement soumis à un champ magnétique

 

Génération d’un courant électrique

Des charges en mouvements soumises à un champ magnétique subissent donc une force. (force de Lorentz). Prenons maintenant une tige conductrice fermant un circuit électrique, le tout baignant dans un champ magnétique dirigé en tout point vers le haut. La tige conductrice implique la présence d’électrons libres en son sein (ils sont détachés de leur noyau). En déplaçant la tige vers la droite, on impose une vitesse dans le même sens aux électrons libres présents dans cette dernière. Nous sommes donc en présence de particules chargées avec une vitesse, plongé dans un champ magnétique ! Elles subissent donc une force globale (toujours la force de Lorentz) selon x . Or, nous savons que l’intensité électrique est définie par la présence d’un « débit » de particules chargées. Un courant électrique apparaît ! On peut donc produire de l’électricité avec un aimant et un conducteur en mouvement !

Tige conductrice en mouvement sur un rail

La conservation de l’énergie

D’après le premier principe de la thermodynamique, l’énergie se conserve. Si on utilise une énergie de x joules pour mettre en mouvement la tige, nous allons produire exactement x joules d’électricité (sans prendre en compte les pertes par dissipation de chaleur du conducteur).

À première vue, on peut penser que si on donne une vitesse initiale à la tige, cette dernière ne freinera jamais (si on néglige les forces de frottements de l’air et de contact). Cela voudrait-il dire que l’on pourrait produire de l’électricité à l’infini ? Cela va à l’encontre du premier principe de la thermodynamique (voir l’article qui lui est dédié). En effet, lorsque la tige est en mouvement (et donc parcourue par un courant électrique) cette dernière est soumise à une force s’opposant à son mouvement. Les électrons libres se déplaçant le long de la tige (à cause de la force de Lorentz), ont donc un nouveau vecteur vitesse (dirigé selon x). Or, nous avons vu précédemment que les charges en mouvement dans un champ magnétique subissent une force. Ce nouveau vecteur vitesse induit donc une nouvelle force  appelée force de Laplace (s’ajoutant à la précédente) de direction opposée au vecteur vitesse de la tige. Cette dernière est donc freinée ! Le premier principe de la thermodynamique est ainsi toujours respecté !

Nous pouvons donc produire de l’électricité à partir d’un mouvement mécanique. les éoliennes, les barrages hydro-électriques, les centrales nucléaires,etc.. utilisent le même principe !