Séance 15 - Le courant électrique alternatif sinusoïdal

Sommaire

I- L’oscilloscope

1-1/ Définition

1-2/ Description

II- Deux types de tensions - Visualisation à l'oscilloscope

2-1/ Tension continue

2-2/ Tension alternative

III- Caractéristiques d’une tension alternative

3-1/ La tension maximale $U_{max}$

3-2/ La tension efficace $U_{eff}$

3-2/ La période

3-4/ La fréquence

3-5/ L'intensité du courant alternatif sinusoïdal

IV- Exercices

4-1/ Exercice 1

4-2/ Exercice 2

4-3/ Exercice 3

4-4/ Exercice 4

I- L’oscilloscope

1-1/ Définition

L’oscilloscope est un appareil qui permet de mesure et de visualiser la variation de la tension en fonction du temps.

Il se branche en parallèles (comme un voltmètre) aux bornes des éléments d’un circuit électrique.

La courbe obtenue sur l’écran d’un oscilloscope est appelée un oscillogramme.

I- L’oscilloscope

1-2/ Description

L'écran de l'oscilloscope possède deux axes. Chaque axe possède son propre réglage.

L'axe horizontal est appelé axe des temps. Le réglage de cet axe s'effectue avec le bouton « durée de balayage ».

L'axe vertical est appelé axe des tensions. Le réglage de cet axe s'effectue avec le bouton « sensibilité verticale ».

Sensibilité verticale $S_v$ (amplitude) en V/div : Permet de faire varier la valeur correspondant à un carreau en ordonnée.

Sensibilité horizontale $S_h$ (base de temps) en ms/div : Permet de faire varier la valeur correspondant à un carreau en abscisse.

I- L’oscilloscope

1-2/ Description

II- Deux types de tensions - Visualisation à l'oscilloscope

2-1/ Tension continue

Définition

Une tension continue est une tension qui garde le même signe et la même valeur au cours du temps. C’est à dire elle est constante, elle ne varie pas au cours de temps

Exemple : tension aux bornes de pile, batterie, les cellules photovoltaïques...

II- Deux types de tensions - Visualisation à l'oscilloscope

2-1/ Tension continue

Expérience

On relie la borne positive d’une pile à la borne d’entrée de l’oscilloscope, et la borne négative de la pile avec la borne com de l’oscilloscope

On met le sélecteur en mode DC, et $S_v=2V/div$

On observe sur l’écran d’oscilloscope un trait horizontal au-dessus de l’axe de temps.

On dit que la tension continue reste constante au cours de temps

Pour calculer cette tension électrique, on utilise la formule suivante :

$\overline{)U=S_v\times Y}$

$U$ : Tension en volt (V)
$S_v$ : Sensibilité verticale (V/div)
$Y$ : Nombre de graduation (div)

II- Deux types de tensions - Visualisation à l'oscilloscope

2-2/ Tension alternative

Définition

Une tension alternative est une tension variable qui prend alternativement des valeurs positives puis
négatives. C’est à dire elle varie au cours de temps.

Exemple : tension aux bornes d’un GTBF, d’une dynamo, prise de secteur...

II- Deux types de tensions - Visualisation à l'oscilloscope

2-2/ Tension alternative

Expérience

On relie les bornes de GBF aux bornes de l’oscilloscope et on met le sélecteur en mode AC :

On obtient une tension :

• Variable : elle change au cours de temps.
• Alternative : elle prend des valeurs positives et négatives.
• Périodique : elle se répète régulièrement et se reproduit identique à elle-même au cours de temps.
• Sinusoïdale : elle se forme de vagues.

III- Caractéristiques d’une tension alternative

3-1/ La tension maximale $U_{max}$

La valeur maximale $U_{max}$ est la valeur maximale prise par la tension au cours du temps.

On la mesure en multipliant la sensibilité verticale Sv par le nombre de divisions correspondant à la déviation maximale ymax du signal :

III- Caractéristiques d’une tension alternative

3-2/ La tension efficace $U_{eff}$

La valeur efficace Ueff d’une tension alternative sinusoïdale se mesure avec le voltmètre.

Elle est proportionnelle à la valeur maximale de la tension : $U_{eff}=\frac{U_{max}}{\sqrt{2}}$

Application

La valeur efficace de la tension du secteur est 220V, donc la valeur maximale de la tension du secteur est : $U_{max}=U_{eff}\times 1,41=310,2V$

III- Caractéristiques d’une tension alternative

3-2/ La période

La période T d’une tension alternative sinusoïdale est le plus petit intervalle de temps au bout duquel la tension retrouve sa valeur maximale ou minimale.

On la mesure en multipliant la sensibilité horizontale $S_h$ par le nombre de divisions X correspondant à une période :

$T=4\times 5=20ms$

III- Caractéristiques d’une tension alternative

3-4/ La fréquence

La fréquence f d’une tension alternative sinusoïdale est le nombre de périodes en une seconde.

C’est l’inverse de la période et son unité de mesure est l’Hertz (Hz) :

$f=\frac{1}{T}$

III- Caractéristiques d’une tension alternative

3-5/ L'intensité du courant alternatif sinusoïdal

Elle est aussi alternative sinusoïdale et est caractérisée par une valeur maximale $I_{max}$ et une valeur efficace $I_{eff}$ qu’on mesure avec l’ampèremètre :

$I_{max}=I_{eff}\times \sqrt{2}$

La tension et l’intensité et du courant alternatif sinusoïdal ont la même fréquence.

IV- Exercices

4-1/ Exercice 1

Compléter les phrases suivantes :

• Le symbole de la période est _____________ , et d’unité internationale est _____________ .
• L’axe horizontal dans l’écran de l’oscilloscope est l’axe de _____________ .
• La valeur de la tension _____________ est celle obtenue à l’aide d’un voltmètre, on la note $U_{eff}$.
• L’unité de la fréquence f est _____________ .
• L’unité internationale de tension est _____________ .
• La relation entre $U_{max}$ et $U_{eff}$ est _____________ .

IV- Exercices

4-2/ Exercice 2

On relie les bornes d’un générateur par un oscilloscope, on obtient l’oscillogramme suivant :

$S_v=3V/div$ et $S_h=1ms/div$.

1. Quel est le type de cette tension ?

2. Calculer la valeur de la tension $U_{max}$ délivrée par ce générateur.

IV- Exercices

4-3/ Exercice 3

On étudie la tension aux bornes d’une des lampes et l’intensité du courant qui la traverse. Pour cela, on utilise un voltmètre, un ampèremètre et un oscilloscope :

Ce qui apparaît sur l’écran de l’oscilloscope est représenté sur la figure suivante :

$S_v=5V/div$ et $S_h=5ms/div$.

1. Évaluer la valeur de la période T.

2. Évaluer la valeur de la tension maximale $U_{max}$ aux bornes de la lampe.

3. Le voltmètre indique 12 Volts. Que représente cette mesure ?

IV- Exercices

4-4/ Exercice 4

On observe la tension délivrée par un GTBF.

On a relevé dans le tableau ci-dessous les valeurs de la tension toutes les 5 secondes :

1. Que signifie les lettres G.T.B.F ?

2. Sans tracer la courbe, détermine la période $T$, la fréquence $f$, la valeur maximale $U_{max}$ et la valeur
   efficace $U_{eff}$ de cette tension.