Un générateur tient en une idée : faire varier un champ magnétique dans une bobine. Un projet simple le démontre en une après-midi, à condition de garder des attentes réalistes sur la puissance produite.
Fabriquer un générateur électrique est l'un des projets les plus instructifs qui soient, parce qu'il rend visible un principe qui gouverne toute production d'électricité, de la dynamo de vélo à la centrale. Il est simple à réaliser. Il produit aussi bien moins d'énergie que ce que l'on imagine, et c'est une leçon en soi.
Lorsqu'un aimant passe devant une bobine de fil, le champ magnétique qui traverse la bobine varie, et une tension apparaît à ses bornes. Trois paramètres l'augmentent : la vitesse du mouvement, la puissance de l'aimant et le nombre de spires de la bobine. C'est tout. Un générateur, quelle que soit sa taille, organise ce mouvement relatif entre aimants et bobines.
| Paramètre | Effet sur la tension | Comment l'améliorer |
|---|---|---|
| Vitesse de rotation | Proportionnel | Démultiplier par une roue ou un engrenage |
| Puissance des aimants | Proportionnel | Aimants néodyme plutôt que ferrite |
| Nombre de spires | Proportionnel | Bobine fournie, fil émaillé fin |
| Distance aimant bobine | Inversement proportionnel | Entrefer le plus faible possible |
| Nombre de bobines et d'aimants | Multiplie les impulsions | Plusieurs paires réparties sur le disque |
C'est le moment le plus frustrant du projet : tout est assemblé, le disque tourne, et le multimètre reste obstinément à zéro. Dans la quasi-totalité des cas, la cause figure dans la liste ci-dessous, et se corrige en quelques minutes.
Les ordres de grandeur ci-dessous valent pour du neuf acheté en petite quantité. La récupération divise la note, et fait souvent une meilleure leçon.
| Élément | Ordre de grandeur | Où le récupérer |
|---|---|---|
| Fil de cuivre émaillé | Quelques euros la bobine | Transformateur, moteur ou relais hors service |
| Aimants néodyme | De quelques euros à une dizaine pour un lot | Disque dur démonté ; haut-parleur usagé pour du ferrite |
| Pont de diodes et condensateur | De l'ordre de quelques euros | Carte électronique d'un appareil au rebut |
| Support, axe et roulement | Chutes de bois, pièces diverses | Roue de planche à roulettes, ancien ventilateur |
| Multimètre | Une dizaine d'euros pour un modèle d'entrée | Emprunt, ou achat qui resservira toujours |
Le poste réellement limitant n'est pas l'argent mais la patience : plusieurs centaines de spires régulières demandent une bonne demi-heure, et un bobinage bâclé, dont les spires se croisent au hasard, donne une bobine moins efficace à longueur de fil égale. Une perceuse serrée dans un étau, tournant très lentement, fait un bobineur convenable pour qui veut s'épargner ce travail.
Bobine et aimants faits main
Pédagogique
Moteur à courant continu en générateur
Efficace
Ce projet apprend deux choses. La première est le principe, que l'on comprend définitivement en voyant une diode s'allumer au rythme de la manivelle. La seconde est l'échelle : produire même quelques watts de manière continue demande un effort mécanique considérable, ce qui donne une idée juste de ce que représentent les kilowatts consommés sans y penser dans une maison.
Une fois le premier montage fonctionnel, plusieurs pistes l'enrichissent. Mesurer la tension à différentes vitesses de rotation montre la proportionnalité entre les deux. Comparer deux bobines de nombres de spires différents illustre l'effet du bobinage. Remplacer les aimants ferrite par des aimants néodyme fait sauter la tension d'un coup. Ajouter une seconde bobine en série double la tension, en parallèle double le courant disponible.
Le passage à un moteur récupéré, entraîné par une roue de vélo sur un support, transforme la démonstration en petit chargeur d'appoint capable de recharger une batterie de lampe en pédalant. C'est à ce stade que l'ordre de grandeur devient parlant : quelques dizaines de watts demandent un effort soutenu, et le rapport entre le travail fourni et l'énergie obtenue reste la leçon la plus durable du projet.
Le même bloc, aimants et bobines, se retrouve derrière une petite éolienne ou une turbine de ruisseau : seul change ce qui fait tourner l'axe. C'est sans doute la suite la plus naturelle à donner au projet, une fois que la manivelle a fini son travail de démonstration.
Par induction électromagnétique : lorsque le champ magnétique traversant une bobine varie, une tension apparaît à ses bornes. On obtient cette variation en faisant tourner des aimants devant une bobine fixe, ou une bobine devant des aimants fixes. Plus la variation est rapide et plus la bobine compte de spires, plus la tension est élevée. Le sens du courant s'inverse à chaque changement de pôle qui défile devant la bobine, ce qui explique que la tension obtenue soit alternative. L'alternateur d'une centrale, la dynamo d'un vélo et un montage artisanal reposent exactement sur ce même phénomène, à des échelles différentes.
Très peu. Un générateur à aimants et bobine bricolé produit de quoi allumer une ou plusieurs diodes, faire tourner un petit moteur ou charger lentement une batterie de faible capacité. Il ne fournit pas de quoi alimenter un appareil domestique. C'est un projet pédagogique et de démonstration, pas une source d'énergie. En ordre de grandeur, un premier montage à bobine unique délivre quelques volts à vide et un courant qui s'effondre dès qu'une charge est branchée, soit une puissance qui se compte en fractions de watt. Atteindre le watt suppose déjà plusieurs bobines, des aimants puissants et un entrefer très faible.
Oui : un moteur à courant continu à aimants permanents, entraîné mécaniquement, fonctionne en générateur et délivre une tension continue directement exploitable. Une dynamo de vélo, un moteur de trottinette ou de visseuse récupéré donnent de bien meilleurs résultats qu'une bobine faite main, pour un effort de construction moindre. Leur rendement vient de trois choses difficiles à reproduire à la main : un entrefer minuscule, un circuit magnétique fermé et des bobinages serrés. Vérifiez simplement qu'il s'agit d'un moteur à aimants permanents, un moteur d'électroménager alimenté en alternatif ne se comportant pas de la même façon.
Un générateur à aimants tournants produit une tension alternative, qui change de sens à chaque passage d'aimant. Pour charger une batterie ou alimenter une diode, il faut une tension continue. Un pont de diodes redresse le courant, et un condensateur lisse la tension. Un moteur à courant continu utilisé en générateur fournit directement du continu.
Dans une petite batterie rechargeable, via un circuit de charge adapté à sa chimie pour éviter la surcharge. Un accumulateur récupère ce qui est produit de manière irrégulière, manivelle ou roue, et le restitue de manière stable. Sans stockage, la lumière vacille au rythme de la rotation. Un condensateur de forte valeur peut aussi servir de tampon pendant les essais : il encaisse les à-coups et restitue très vite, mais sa réserve reste minuscule. Dans tous les cas, on ne charge jamais un accumulateur sans limiter la tension et le courant, faute de quoi il chauffe et vieillit vite.
À ces niveaux de tension, le risque électrique est faible, mais une batterie court-circuitée peut chauffer, et les aimants puissants pincent violemment les doigts et se brisent en éclats. Les parties tournantes doivent être protégées, et le montage ne doit jamais être raccordé à l'installation électrique du logement. Ces aimants perturbent aussi les cartes magnétiques, les mémoires et certains appareils, et se tiennent à l'écart des stimulateurs cardiaques. Un ensemble entraîné à la perceuse se bride solidement sur l'établi plutôt que de se tenir à la main.
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