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Le Courant Alternatif. Les courants continu et alternatif 1. Deux types de générateurs Quil soit continu ou alternatif, le courant électrique dans un.

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1 Le Courant Alternatif

2 Les courants continu et alternatif 1. Deux types de générateurs Quil soit continu ou alternatif, le courant électrique dans un métal est dû à un déplacement délectrons libres. Lorsque le générateur est une pile, les électrons se déplacent toujours dans le même sens, cest-à-dire de la borne « + » à la borne « – » du générateur. Le courant que fournit une pile va donc toujours dans le même sens : cest un courant continu. Si le générateur est une dynamo de bicyclette, les électrons vont aller tantôt dans un sens tantôt dans lautre. On dit que les électrons oscillent sur place. Une dynamo fournit un courant qui change de sens régulièrement : un courant alternatif.

3 Les courants continu et alternatif 2. Visualisation de tensions aux bornes de ces deux types de générateurs Etudions les caractéristiques de ces deux types de courant. Protocole : on branche aux bornes dun voltmètre les deux types de générateurs et on note les valeurs prises par la tension au cours du temps. Observation : les représentations graphiques de ces deux tensions en fonction du temps sont les suivantes :

4 Les courants continu et alternatif

5 Interprétation : – Un générateur de courant continu présente à ses bornes une tension constante. Cest elle qui impose aux électrons de se déplacer toujours dans le même sens. – Un générateur qui fournit du courant alternatif a une tension variable à ses bornes. Elle prend des valeurs positives puis négatives. Une tension positive impose aux électrons daller dans un sens ; quand elle devient négative, les bornes du générateur sinversent et les électrons vont dans lautre sens. Ce phénomène se reproduit régulièrement. Maintenant quest éclaircie la différence entre courants alternatif et continu, nous pouvons nous demander comment on choisit dutiliser lun plutôt que lautre.

6 Les courants continu et alternatif 3. Courant alternatif ou continu ? Certains appareils électriques tels que lampes, fours, etc. fonctionnent tout aussi bien en alternatif quen continu. Dautres, au contraire, ne fonctionnent quen courant continu : cest le cas de certains moteurs dappareils (les baladeurs, par exemple) qui doivent tourner toujours dans le même sens. Nos habitations sont alimentées par du courant alternatif. Pourtant il nen a pas toujours été ainsi ! Au début de lélectricité industrielle, certaines villes pionnières dans la distribution de lélectricité comme New York étaient alimentées en courant continu. Mais on sest vite aperçu que lutilisation du courant alternatif (moteurs, appareils, transport) est plus économique en énergie et celui-ci a donc totalement supplanté le courant continu au début des années 50.

7 Production dune tension alternative Comment une dynamo de bicyclette transforme-t-elle notre mouvement en électricité ? Réponse : si lon démonte une dynamo, on constate quelle est constituée principalement dun aimant qui tourne et dune bobine fixe en cuivre. Cest donc la rotation de laimant devant la bobine de cuivre qui produit lélectricité. Expliquons un peu cette manière de produire de lélectricité et voyons sil en existe dautres.

8 Production dune tension alternative 1. Produire une tension Protocole : on branche une bobine de cuivre aux bornes dun oscilloscope et on déplace un aimant devant celle-ci. Observation : on constate que le spot dévie verticalement ; cette déviation seffectue vers le haut ou vers le bas selon le pôle de laimant présenté lors du déplacement. En revanche, le spot ne dévie pas quand laimant est immobile. Interprétation : une tension apparaît aux bornes de la bobine quand un aimant se déplace à proximité de celle-ci. Ce phénomène sappelle linduction. La tension est positive ou négative selon le pôle de laimant situé devant la bobine. Remarque : le phénomène se produit également si on déplace la bobine près de laimant. La tension produite sannule dès que le mouvement cesse. Comment faire pour obtenir une tension permanente et si possible alternative.

9 Production dune tension alternative 2. Produire une tension alternative Protocole : on fixe un aimant sur un moteur afin de le faire tourner devant une bobine de cuivre (reliée à un oscilloscope). Observation : une tension alternative est produite aux bornes de la bobine. Interprétation : à chaque fois que laimant fait un demi-tour devant la bobine (cest-à-dire à chaque fois quil lui présente soit son pôle nord soit son pôle sud), la tension change de signe. Un aimant tournant devant une bobine (ou linverse) constitue donc un générateur de tension alternative appelé alternateur. Pour produire une tension alternative avec des caractéristiques données, il suffit de faire tourner laimant plus ou moins rapidement : plus sa vitesse est grande, plus la tension maximale et la fréquence de la tension augmentent.

10 Production dune tension alternative 3. De la dynamo à la centrale électrique Une dynamo de bicyclette est donc un alternateur ; quand le galet dentraînement frotte contre la roue, il entraîne la rotation dun aimant devant une bobine de cuivre : une tension alternative apparaît aux bornes de la bobine reliée aux lampes du vélo. Cest de la même façon, mais avec des alternateurs plus imposants, quon produit industriellement lélectricité : dans les centrales électriques, les différentes formes dénergie (hydraulique, thermique, nucléaire, etc.) permettent de faire tourner des turbines qui mettent en rotation des rotors (constitués daimants) dans des stators (constitués de bobines métalliques), lensemble des deux constituant lalternateur. Simulation de production de tension alternative

11 Les propriétés dune tension alternative Toute tension alternative peut être différenciée dune autre par la valeur maximale prise par la tension au cours du temps qui est appelée tension maximale et notée Umax. Sur le schéma ci-dessus représentant un écran doscilloscope, la tension maximale est représentée par 2 divisions verticales pour la courbe noire et par 3 divisions verticales pour la courbe rouge. Si 1 division verticale représente 5 V, la tension maximale est de 2 × 5 = 10 V dans le premier cas et de 3 × 5 = 15 V dans le second.

12 Les propriétés dune tension alternative 2. La tension efficace Prenons maintenant un générateur de tension alternative sinusoïdale qui fournit une tension de valeur maximale 10 V mesurée à loscilloscope comme dans lexemple ci-dessus. Branchons aux bornes de ce générateur un voltmètre positionné en alternatif. La tension indiquée nest pas 10 V mais 7,1 V : le voltmètre nindique donc pas la valeur maximale de la tension. Mais alors quindique-t-il ? Le voltmètre indique une tension appelée tension efficace et notée Ueff. Pour comprendre à quoi correspond cette tension réalisons lexpérience suivante. Protocole : on branche deux lampes identiques, lune aux bornes dun générateur de tension continue, et lautre aux bornes dun générateur de tension alternative sinusoïdale dont on peut régler la valeur maximale de la tension. Des voltmètres permettent de mesurer les tensions aux bornes des deux lampes. On règle la tension alternative de telle façon que léclat de la lampe soit la même quavec la tension continue. Observation : lorsque les deux lampes brillent de la même façon, les deux voltmètres indiquent les mêmes valeurs. Interprétation : la tension efficace dune tension alternative est égale à la valeur de la tension continue qui produit le même éclat lumineux pour une lampe identique. La tension maximale Umax est proportionnelle à la tension efficace Ueff et le coefficient de proportionnalité est, pour une tension alternative sinusoïdale, égale à ?, ce que lon retient de la façon suivante :

13 Les propriétés dune tension alternative 3. La période dune tension alternative Toutes les tensions alternatives visualisées jusquà présent peuvent être découpées en parties identiques qui se répètent à intervalles de temps régulier : ces tensions sont dites périodiques et la plus petite partie dune tension qui se répète est appelée motif élémentaire. La durée pendant laquelle le spot décrit un motif élémentaire est appelée période (exprimée en seconde). En rouge, est représenté un motif élémentaire et en bleu la période correspondante (notée T). Remarque : nous connaissons tous des phénomènes qui se répètent à intervalles de temps réguliers : Noël (période de 1 an), la parution dun quotidien (période de 1 jour), la parution dun hebdomadaire (période de 1 semaine).

14 Les propriétés dune tension alternative 4. La fréquence dune tension alternative La période dun quotidien est beaucoup plus courte que la période dun hebdomadaire : un quotidien a donc une fréquence de parution plus grande quun hebdomadaire. Plus généralement, plus un phénomène se reproduit souvent dans un temps donné, plus sa fréquence est grande et plus sa période est petite. On peut de la même façon définir la fréquence dune tension périodique. Cest le nombre de fois que se répète le motif élémentaire pendant une seconde. Elle sexprime en hertz (Hz) et se note f. Protocole : réglons loscilloscope sur une vitesse de balayage de 0,1 s par division. Ainsi, le spot parcourt tout lécran en 1 s. Visualisons trois tensions alternatives sinusoïdales de fréquences différentes.

15 Les propriétés dune tension alternative Observation : plus la période T de la tension est petite, plus on observe de motifs élémentaires et plus la fréquence de la tension augmente. Interprétation : la fréquence dune tension est simplement linverse de la période. On a où f est exprimée en hertz (Hz) et T en secondes (s).

16 Lutilisation dun Oscilloscope A lhôpital, sont souvent présents au côté des malades des appareils qui permettent de surveiller leur activité cardiaque. Que mesurent exactement ces appareils appelés familièrement des scopes par les médecins ? Réponse : leur véritable nom est oscilloscope et ils permettent de mesurer les tensions électriques auxquelles le cœur est soumis constamment. Comment utiliser un oscilloscope pour visualiser une tension ?

17 Lutilisation dun Oscilloscope 1. Le balayage dun oscilloscope Lorsque lon allume un oscilloscope, apparaît au centre de lécran un point lumineux appelé spot. Si on enclenche le balayage de loscilloscope, le spot se déplace de la gauche à la droite de lécran. Le bouton appelé « vitesse de balayage » (souvent noté Time/div) permet de régler la vitesse de déplacement du spot. Lorsque la vitesse de balayage est grande, lœil humain ne perçoit plus le mouvement et voit une ligne horizontale fixe. Cest le même principe qui est utilisé dans les téléviseurs. La vitesse de balayage sexprime en général en millisecondes par division horizontale (ms/div).

18 Lutilisation dun Oscilloscope Exemple : si on a un balayage de 10 ms/div, cela signifie que le spot met 10 ms pour parcourir une division horizontale. Comme il y a, en général, 10 divisions horizontales sur un écran doscilloscope, le spot met 100 ms pour parcourir lécran. Branchons maintenant différents générateurs de tension aux bornes de loscilloscope. Quallons nous observer ?

19 Lutilisation dun Oscilloscope 2. Visualisation dune tension continue Branchons aux bornes dun oscilloscope un générateur de tension continue ; le spot dévie verticalement. Plus la tension appliquée est grande, plus la déviation verticale est importante : la déviation verticale est donc proportionnelle à la tension appliquée. Le bouton de loscilloscope appelé « sensibilité verticale » (noté V/div) indique à combien de volts correspond une division verticale. Il devient ainsi facile de mesurer la tension appliquée aux bornes de loscilloscope.

20 Les propriétés dune tension alternative 3. Visualisation dune tension alternative Branchons maintenant aux bornes de loscilloscope un générateur de tension alternative. La courbe obtenue nest plus une ligne horizontale et elle prend des valeurs positives et négatives. Comme dans le cas dune tension continue, la déviation verticale varie proportionnellement à la tension du générateur. Différents types de tensions alternatives existent : sinusoïdales, triangulaires ou en créneaux. Remarque : agir sur les boutons « vitesse de balayage » et « sensibilité verticale » ne change rien à la tension appliquée ; cest seulement la visualisation de cette tension qui est différente. Il faut régler ces boutons de façon à visualiser la tension le plus efficacement possible.

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