Le magnétisme est un phénomène découvert déjà depuis l’antiquité. En effet, dans la région de magnésie en Asie Mineure, Thalès de Milet ( 625-547 av. J.-C.) aurait constaté l’attraction du fer par la pierre d’aimant, où magnétite. Ce sont les chinois qui ont été les premiers à trouver une application à ce phénomène mystérieux, ce sont eux qui ont inventé la boussole. Elle arrive en Europe à partir du XIIème siècle après JC. Le principe est simple, une aiguille composée d’un aimant avec un pôle nord et un pôle sud est posée sur un pivot. L’aimant de la boussole réagit au champ magnétique produit par la terre et l’aiguille indique donc les pôles magnétiques de la terre qui correspondent quasiment aux nord et sud géographique de notre planète.
L’histoire de l'électromagnétisme comme nous la connaissons maintenant commence en 1820 avec un professeur de physique danois, Hans Christian Oersted qui réalise une expérience montrant que le courant passant par un conducteur avait une influence sur un aimant situé à proximité. En effet si on met une boussole et qu’on y fait circuler un fil conducteur d'électricité à proximité, l’aiguille de la boussole va dévier. Cela prouve que l'électricité en mouvement à des effets magnétiques. A la suite de cette expérience, d’autres physiciens ont tenté de faire une réciproque à cette expérience. En novembre 1820, le physicien français Fresnel décide alors de placer une barre d’acier aimantée dans une bobine de cuivre et de plonger ces deux extrémités dans une solution aqueuse afin de voir si il ne voyait pas de décomposition de l’eau dû à un courant magnétique mais sans succès.
En 1825, Colladon passe très près de découvrir le phénomène de l'induction électromagnétique. En effet, il réalise la même expérience que Fresnel avait fait avant lui mais utilise un galvanomètre à la place de la solution aqueuse. Le galvanomètre, appareil qui n'existait pas en 1820, est en fait un appareil mesurant des courants d’intensité faible. mais c’est à nouveau un échec. C’est Faraday qui découvre le principe de l’Induction en 1831 avec sa célèbre expérience. Mais peu à l’aise en mathématiques, il ne réussit pas à retranscrire mathématiquement son expérience. C’est donc Maxwell qui établit mathématiquement en 1864 toutes les lois de l’électromagnétisme à partir principalement des travaux d’Ampère et de Faraday.
Histoire de l'induction de ... à nos jours
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Notre groupe de TPE tenait à remercier personnellement tout le personnel enseignant qui nous a accompagné tout au long de l'année dans un seul et unique but, mener à terme notre projet. De plus, nous voulions aussi remercier la laborantine ainsi que la professeur de technologie qui nous ont fourni du matériel et prêter de l'outillage indispensable pour nos tests et expériences mais aussi tous les participants à notre sondage.
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Encore un grand merci à toutes ces personnes qui ont permis à l'actuel site internet et à son contenu de voir le jour
De quelle manière le chargeur à induction permet-il de recharger la batterie d'un téléphone portable ?
Introduction
Depuis les années 2000, le nombre de personnes possédant un téléphone portable dans le monde ne cesse d’augmenter. En effet, plus de 7 milliards d’abonnements téléphoniques sont souscrits sur la planète. Cette croissance peut être expliquée par l’apparition de nouvelles technologies sur les téléphones mobiles. En effet, ces objets, étant conçus à la base pour téléphoner sont devenus de véritables assistants personnels, qui peuvent effectuer une grande quantité de choses diverses et variées. Avec des écrans tactiles, des caméras et des processeurs très puissants, les smartphones (téléphones intelligents en anglais) sont devenus des outils utilisés au quotidien. Depuis maintenant quelques années, une nouvelle évolution dans ces téléphones fait beaucoup parler d’elle. C’est le rechargement sans fil grâce au principe d’induction électromagnétique. Durant nos TPE, nous nous sommes intéressés à cette technologie, qui, après recherches ne date pas de quelques décennies mais plus de quelques siècles, et avons dégagé une problématique:
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De quelle manière le chargeur à induction permet de recharger son téléphone sans fil ?
Nos expériences et tests
Notre sondage
Pour connaître la portée de la technologie étudiée, nous avons choisi d'effectuer un sondage, celui-ci a reçu 11 954 réponses de personnes âgées de 14 à 68 ans, représentant ainsi de façon plutôt homogène la population.
Notre première question portait sur les technologies embarqués dans les téléphones, nous pouvons déjà constaté qu'assez peu de personnes disposent de la possibilité de recharger leur téléphone sans fil pourtant omniprésente à la télévision comme lors de la compagne de publicité organisée par la société Samsung afin de la promouvoir.
Sur le marché mondial, il existe des adaptateurs universels pour rendre compatible un téléphone portable ou une tablette à la recharge sans fil.
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La seconde question permettait de savoir si la personne avait volontairement ajouté cette fonctionnalité d'induction à son téléphone ou si elle lui était proposée nativement, la majorité la possédant de façon native.
Cette question nous a permis de nous rendre compte que cette technologie même pour ses détenteurs reste très peu utilisée, en majorité, moins de une fois par semaine
La dernière question nous a fait prendre conscience qu'à cause du manque de connaissance sur le rechargement sans fil et du fait que pas beaucoup de monde ne le possède sur son smartphone, cette technologie est dépréciée par la population même par les personnes ne l'ayant jamais utilisée
Test de la loi de Faraday avec un aimant
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Matériel :
- 630 cm de fil de cuivre enroulé pour former une bobine de 6,6 cm de diamètre soit 30 tours de fil
- Un aimant
- Un voltmètre réglé sur mV
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Protocole : Agitez l'aimant au travers de la bobine et vous verrez que les valeurs du voltmètre changent.
Interprétation : L'aimant déplace les électrons de la bobine du cuivre et génère de l'électricité.
Test de la loi de Faraday avec une pile
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Matériel :
- 630 cm de fil de cuivre enroulé pour former une bobine de 6,6 cm de diamètre soit 30 tours de fil
- Une pile de 1,5V
- Un ampèremètre réglé sur µA
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Protocole : Agitez la pile au travers de la bobine et vous verrez que les valeurs de l'ampèremètre changent.
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Interprétation : La pile lors du mouvement transmet une infime partie de son intensité électrique à la bobine.
Notre prototype de chargeur à induction
Matériel :
- Un transistor 2N2222
- Un câble USB d'alimentation
- 630 cm de fil de cuivre pour former une bobine de 30 tours et de 6,6 cm de diamètre
- Une plaque d'essai
- Un multimètre (pour mesurer au cas où)
- Une bobine de fil isolé et multibrin
- Un aimant
- Un fer à souder
- Une pince
- Un téléphone embarquant l'induction nativement
Protocole :
Branchez le pin C du transistor sur le pôle négatif de l'alimentation, branchez les deux pôles de la bobine aux deux autres connections du transistor, branchez le pôle central de la bobine sur le pôle positif de l'alimentation, mettez l'aimant au centre de la bobine, puis, essayez avec un téléphone pour voir si cela fonctionne.
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Résultat :
Le téléphone ne charge pas alors que toutes les connections et leur conductivité ont été vérifiées.
Conclusion : Notre expérience n'a pas fonctionné car le téléphone n'a pas indiqué être en charge, de plus, après mesure, il n'y avait pas assez de puissance électrique pour que le téléphone indique charger. Cette expérience a échouée par manque de connaissances (les plans de fabrication des chargeurs vendus dans le monde ne sont pas publics) et par manque de puissance de notre montage électronique.
De manière générale, l’induction est un transfert d’énergie entre une source électrique et un objet en l’absence sans contact mutuel. Ce phénomène est provoqué par l’exposition d’un matériau conducteur (dans notre cas une bobine de cuivre vernis) à un champ électromagnétique variable.
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Le principe de l’induction est très pratique et assez utilisé de nos jours. C’est le cas pour certains appareils (brosses à dents électriques, etc.) capables de recharger leur batterie interne simplement en les posant sur leur support. Sur le même principe, des "tapis de recharge" font également leur apparition pour recharger la batterie d’un téléphone mobile, d’une tablette, voire d’un ordinateur portable. Il s’agit dans ce cas d’induction par champ magnétique. Mais les champs électriques sont concernés par le même phénomène. La réception radio se fonde sur ce principe. L’onde radioélectrique délivrée par l’émetteur est captée par l’antenne du poste radio ou de la voiture et le signal ainsi capté est retranscrit sous forme éléctrique qui après passage dans une enceinte devient un signal sonore audible à fréquence humaine.
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A proximité des lignes électriques hautes tensions, des manifestations d'induction apparaissent à cause des champs électriques et magnétiques que ces lignes génèrent. Pour la voir, on approche simplement un tube fluorescent de ces lignes qui s'illumine alors. On peut alors observer le même phénomène à proximité de câbles soumis à des tensions élevées, comme ceux du circuit d’allumage d’une voiture à essence, par exemple.
Le champ magnétique crée également un effet d’induction, mais son fonctionnement diffère de celui du champ électrique : le flux de champ magnétique qui traverse une boucle induit une tension aux bornes de celle-ci. C’est ce principe qui est notamment utilisé dans les capteurs de mesure de champ magnétique alternatif ou encore dans les antennes goniométriques, systèmes permettant de localiser les émetteurs radio.
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Reste que si ces phénomènes d’induction ont des applications pratiques et sont même utilisés dans les expériences à but divertif pour le public dans les musées scientifiques, ils sont dangereux dans certaines situations. C’est notamment le cas si une ligne électrique induit une structure métallique, la structure métallique soumet alors toute personne qui y touche à une électrocution. Cependant une simple mise à la terre de l’équipement, à l'aide d’un câble connecté à un pieu de terre (ou à la prise de terre du bâtiment), permet de résoudre le problème et d'éviter cette électrocution.
L'Induction en général
L'Induction téléphonique
Le rechargement sans fil nommé QI (souffle vital en chinois) est le standard developpé par le Wireless Power Consortium pour le rechargement de téléphones mobiles et tablettes à une distance allant jusqu’à 40mm de la base de chargement. Ce système comprend un transmetteur (le chargeur) et un récepteur compatible dans un appareil mobile. Pour utiliser ce système, l'appareil mobile est placé sur le support, qui le recharge alors par induction magnétique.
Le Wireless Power Consortium (WPC) est un consortium technologique multinational formé le 17 Décembre 2008 et basé à Piscataway, New Jersey. C’est un groupe ouvert d'entreprises asiatiques, européennes et américaines qui travaille à la standardisation mondiale de la technologie de charge sans fil. Les fabricants d'appareils mobiles en accord avec ce standard sont Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, et Sony.
Caractéristiques et spécificités
En vertu de la spécification Qi, ce transfert dit de "faible puissance" équivaut à une puissance allant de 0 à 5 W. Les systèmes qui entrent dans cette norme sont ceux qui utilisent l’association de deux bobines magnétiques pour transférer la puissance de l'émetteur vers le récepteur. La distance entre les bobines de ce couple peut varier de 5 à 40mm.
La communication ne va que dans un seul sens, de l’émetteur vers le récepteur.
Cependant à l’aide de la rétro-diffusion d'ondes, la bobine du récepteur peut changer la valeur du courant émis par l’émetteur. Ces changements sont surveillés et traités par le récepteur, afin de faire concorder les deux périphériques.
Le WPC a publié la "Qi low power specification" = "Norme de faible puissance" en août 2009.
En 2011, le Wireless Power Consortium a commencé à étendre le standard aux moyennes puissances, la norme de faible puissance pouvant délivrer jusqu'à 5 W, la norme de moyenne puissance prévoirait une puissance pouvant aller jusqu'à 120 W.
Adoption
Au fur et à mesure que le standard Qi gagnera en popularité, on peut voir surgir des tables de rechargement sans fil dans des lieux publics. Par exemple, la société Virgin Atlantic espère installer des stations de chargement de ce type dans les aéroports de Londres Heathrow et John-F.-Kennedy à New York.
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En janvier 2011, le nombre d'abonnements à la téléphonie mobile passe à 5 milliards selon un rapport de l'ONU. Cependant, parmi ce nombre, seulement 20 modèles de téléphones sont compatibles par défaut avec le rechargement sans fil par utilisation du phénomène d'induction et 25 modèles à l'aide d'adaptateurs spécifiques. De plus, tous les autres modèles de téléphones peuvent être rendus compatibles grâce à des adaptateurs universels.
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Explications
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L’induction électromagnétique (ou induction magnétique) est en faite le courant magnétique qui circule à l'extrémité d’un conducteur circulant dans un champ électromagnétique. Dans l’expérience de Faraday, le champ magnétique est créé par l’aimant, et le conducteur est la bobine de cuivre. Il faut créer un mouvement en déplaçant soit l’aimant dans la bobine de cuivre où en déplaçant la bobine de cuivre en entourant l’aimant. Plus le mouvement est rapide, plus l’intensité du courant créé sera forte. De même en fonction du sens de l’aimant, dans la bobine, le courant ne sera pas le même.
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La loi de Faraday dis donc
ε = -dΦ/ dt et U= -N(-dΦ/ dt)
avec ε la force électromotrice en V
N le nombre de spires de la bobine
Φ le flux magnétique en Wb
et U la tension induite en V
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Dans un chargeur à induction de téléphone, cela ne marche pas exactement de la même façon. Lorsqu’un courant électrique variable passe par une première bobine de cuivre présente dans le chargeur, elle crée un champ magnétique. La seconde bobine présente dans le téléphone ou dans le récepteur le convertit en électricité. De plus il faut obligatoirement que le courant électrique qui passe dans la bobine soit variable, sinon la bobine réceptrice ne peux pas convertir le champ magnétique en électricité. Ensuite pour charger la batterie du téléphone, il faut que le courant devienne continu. Il faut donc un pont à diode qui permet de transformer un courant alternatif en courant continu, c’est un circuit composé de 4 diodes.
Conclusion
Pour conclure, nous pouvons dire que l'induction est un phénomène en développement de nos jours mais son utilisation reste assez faible au sein de la population. De plus, sa mise en place est assez compliquée et est réservée aux professionnels de l'induction étant les seuls possesseurs des plans de construction de ces chargeurs. Au cours de notre TPE, nous avons pu constater que les notions mises en jeu étaient au-delà de notre niveau actuel, cependant, une certaine partie reste compréhensible. Le rechargement par induction est une technologie en progrès et se diffuse au sein de la planète à grande vitesse, il n’existe que depuis 2011. Les innovations concernant cette méthode de rechargement sont nombreuses, notamment la création de tables à induction permettant de recharger son téléphone par simple contact dans les lieux publics tels les aéroports d’influence mondiale ou les gares de desserte nationale. Cette table à induction peut constituer un nouveau raisonnement ainsi que de nouvelles démarches scientifiques.
Classe de Première S 3
Lycée St Joseph
Thonon-les-Bains
Louis DEBARGE
Louis FLEURENCE
Benjamin PELLIEUX