Pr

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
Les courants continu et alternatif
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. Observati
on 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 Brancho
ns 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.
21
FIN