Olympiades de physique Lycée Guez de Balzac Angoulême page 1

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1 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page

2 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page Pls rapdes, pls sûres, pls économes, les plaqes à ndcton révoltonnent la csson et envahssent de pls en pls les csnes françases. Ler secret : l applcaton d n phénomène décovert a XIX sècle, l ndcton électromagnétqe. Néanmons l applcaton domestqe d n tel phénomène sera très tardve : le fabrcant choltes lance sr le marché la premère table en 979. Il fadra fnalement attendre les années 90 por vor arrver dans les csnes des plaqes fables et mons coûteses. Un tel sccès s explqe par la très astcese sccesson de processs physqes ms en je por cette technqe de csson, q l confère ne grande effcacté. on prncpe : Créer n champ magnétqe oscllant a desss de la plaqe vtrocéramqe, grâce à la crclaton d n corant alternatf ntense q crcle dans ne bobne. Ce champ va ndre a fond d récpent ne mlttde de corants de Focalt, q, par effet Jole, vont chaffer les alments. Une sele condton por qe cette cascade de processs électromagnétqes s enclenche est qe le fond d récpent sot ferromagnétqe. L avantage de cette csson? La chaler est drectement générée dans le récpent, ce q évte les déperdtons d énerge. Notre corps est nsensble a champ magnétqe. La man ne pet pas être le sège de corants de Focalt et ne rsqe pas d être brûlée lorsq elle se pose sr ne plaqe à ndcton. Après ne étde hstorqe q nos a montré comment à partr de la ple de Volta on a décovert le phénomène d ndcton électromagnétqe, phénomène q est tlsé dans les plaqes de csson à ndcton, on a réalsé ne plaqe de csson ddactqe. La concepton de cette plaqe a nécessté l étde de dvers phénomènes physqes : oscllater snsoïdal, amplfcater de pssance, correcton d phénomène de dstorson engendré par l amplfcater Psh Pll, résonance d ntensté Enfn, après avor étdé le fonctonnement d cœr et d pacemaker, on s est ntéressé a dérèglement de ce derner par ne plaqe de csson à ndcton.

3 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 3. Prodre de l électrcté avec le magnétsme: l ndcton électromagnétqe On sat deps l expérence d physcen danos Hans Chrstan Oersted q n condcter parcor par n corant se comporte comme n amant. Il crée dans l espace envronnant n champ magnétqe. L ntensté d champ est proportonnelle à l ntensté d corant q traverse le condcter B = KI B en tesla (T) I en ampère (A) k dépend de la forme géométrqe d crct. Pet-on à partr d n champ magnétqe ndre n corant? La réponse à cette qeston ft apportée en août 83 par le physcen anglas Mchael Faraday (79-867) atoddacte et expérmentater de géne! Un corant éphémère, appelé corant ndt, est obten en déplaçant n amant à l ntérer d ne bobne. C est exactement l nverse de l expérence d Oersted Lorsqe l on approche n amant d ne bobne, o lorsq on l élogne, n corant ndt temporare, décelé par l ampèremètre à zéro central,, traverse la bobne. Le résltat est analoge s on approche o on élogne la bobne de l amant.

4 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 4 Lorsqe le champ magnétqe à l ntérer d ne bobne vare, celle-c se comporte comme n générater. Le sens d corant ndt est tel qe par ses effets, l tend à s opposer à la case q l a donné nassance (Lo de modératon d physcen rsse Henrch Lenz ( ). Approchons par exemple le pôle d d n amant drot d ne bobne plate, ps retrons le. Dans les dex cas, le champ magnétqe à l ntérer de la bobne va varer ; n corant ndt va donc crcler dans celle-c. Détermnons le sens d corant ndt en tlsant la lo de Lenz. Nord Nord d d Face d Face Nord ens d corant ndt ens d corant ndt Lorsqe l on approche le pôle d de l amant de la bobne plate, le corant ndt va crcler dans la bobne plate de telle sorte qe la face de la bobne proche d pôle d devenne ne face d ( Dex pôles de même noms se repossent). La bobne tend donc à s opposer à l approche de l amant. Par contre lorsqe l on élogne le pôle d, le corant ndt va générer ne face Nord

5 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 5 (Dex pôles de noms contrares s attrent). La bobne va donc s opposer à l élognement de l amant. Dans les dex cas le système réagt de façon à s opposer à la case de l ndcton.. Corants de Focalt Focalt Léon Jean Bernard (88-868), physcen franças. Très conn por avor ms en évdence à l'ade d'n pendle la rotaton de la Terre ator de l axe des pôles. Lorsqe dans ne masse métallqe le champ magnétqe vare, des corants ndts prennent nassance dans ce condcter; ces corants sont appelés corants de Focalt. elon la lo de Lenz le sens de crclaton de ces corants sera tel qe par ses effets ls s'opposent à la case q l a donné nassance. Premer cas : Condcter en movement dans n champ magnétqe Dspostf d msée d lycée Un dsqe plen en cvre est moble dans l'entrefer d'n électroamant. on movement pet être obten par la chte d'n corps. Lorsqe l'électroamant est almenté, le movement d dsqe est frené (le frenage est d'atant pls grand qe le champ magnétqe dans l'entrefer est mportant). On réalse ans certans dspostfs de ralentssement des camons o des cars. Les dsqes, soldares des roes, sont mobles dans l'entrefer d'n électroamant qe l'on almente, lors d frenage, par n corant forn par la battere. Dexème cas : Champ magnétqe varable dans n condcter mmoble (vor expérence d paragraphe 3) 3. Phénomène d ndcton assocé a movement d n amant dans n tbe de cvre Expérence : Une chte ralente!

6 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 6 Lassons tomber n amant a néodyme fer -bore dans n tya en cvre de m de hater. L amant est très ralent dans sa chte à l ntérer d tya en cvre. (l ntensté d champ magnétqe créé par cet amant est de l ordre d tesla (T)). on remplace le tya en cvre par n tya PVC de même hater, la drée de chte de l amant est très brève. Amant (Néodyme fer bore) Tbe de cvre Tbe PVC m L amant q se déplace dans le tbe de cvre arrve nettement après cel q tombe dans le tbe PVC Drée de chte t = 0 s Drée de chte t = 0,6 s Interprétaton N B ndt B ndcter Dans le tbe en cvre, le champ magnétqe vare. Des corants de Focalt vont crcler dans le tbe. Ces corants ndts créent à ler tor n champ magnétqe ndt q s oppose selon la lo de Lenz a champ magnétqe d orgne ndcter. Ans les dex champs s opposent l n à l atre. C est por cette rason qe l amant est frené dans sa chte.

7 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 7 emarqe : La drée de chte est d atant pls grande qe l on assoce plsers tbes de cvre de rayon crossant en les emboîtant. Analyse d movement de chte de l amant à l ntérer d tbe de cvre Comme l on ne pet pas flmer le movement de chte de l amant à l ntérer d tbe, analysons son movement à l ade d phénomène d ndcton électromagnétqe. Expérence : Fasons passer la tge en cvre à l ntérer d ne bobne et relons ses bornes à l nterface d acqston. Lâchons sans vtesse ntale l amant. Tbe en cvre U Bobne de détecton 000 spres Voe masse t(s) Lors d passage de l amant dans la bobne, l nterface d acqston détecte n doble pc de tenson ax bornes de celle-c. Cette tenson ndte réslte d ne varaton de champ magnétqe à travers la bobne de détecton (l amant s approche de la bobne, ps s en élogne). Les dex pcs de tenson ont même ampltde. Cec pet s explqer en spposant qe le movement de l amant dans le tbe est nforme. Mesre de la vtesse de l amant L amant tombe dans le tya en cvre d n movement nforme. Détermnons sa vtesse en tlsant tojors le phénomène d ndcton électromagnétqe.

8 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 8 V (V), s Voe 0, Bobnes de détecton en sére 33,5 cm masse t(s) Por détermner la vtesse de l amant, on place dex bobnes connectées en sére et espacées de 33,5 cm. Le passage de l amant par l ne o l atre bobne se tradt par n pc de tenson. La smltde des dex pcs ndqe qe l amant se déplace d n movement nforme dans le tbe. V = 0,335/,= 0,30 m/s Tya en cvre Bobnes de détecton en sére et branchées à l nterface 4. Chaffage par ndcton Lorsqe le champ magnétqe vare dans n condcter métallqe, cel-c est alors parcor par des corants ndts. Le corant est n déplacement

9 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 9 d électrons dans le mle condcter. Ce movement d électrons crée n échaffement dans le condcter métallqe : c est l effet Jole. Expérence : On tlse n transformater démontable : le prmare est constté d ne bobne de 000 spres almentée par n ato -transformater ; le secondare est consttée d ne sele spre formée d n creset annlare dans leqel on dspose n pe de sodre. Ato- transformater Transformater démontable Bobne 000 spres Une spre (rgole crclare contenant de la sodre d étan) (secondare) (prmare) La spre, sège d ne varaton de champ magnétqe, est parcore par des corants de Focalt. La qantté de chaler dégagée par effet Jole a secondare permet d amener le métal en fson. C est le prncpe des fors à ndcton. Le noya de fer dox d transformater est le sège également de corants de Focalt q pevent devenr ntense et dssper ne pssance mportante par effet Jole. Por les atténer, on «entrave» les corants en remplaçant le bloc de fer par n ensemble de felles mnces solées entre elles. 5. Prncpe d ne plaqe de csson à ndcton Je vas y arrver

10 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 0 Faraday tenta-t-l d exploter les corants de Focalt por chaffer son thé en agtant n amant a-desss d n pot en fer? La méthode n est pas très effcace (!), mas le prncpe d ne plaqe de csson à ndcton est là! Les tables de csson à ndcton sont consttées d enrolements de cvre (bobne) recoverts d ne plaqe sr laqelle on dépose ne casserole à fond métallqe. La bobne, parcore par n corant alternatf snsoïdal de fréqence 0 khz, créé n champ magnétqe varable. Le fond de la casserole est parcor par des corants de Focalt. La chaler est créée, par effet Jole, par ces corants ndts dans le fond même de la casserole. Le fond de la casserole est ferromagnétqe. On désgne par ferromagnétsme la proprété q ont certans corps de s amanter très fortement sos l effet d n champ magnétqe extérer et de conserver cette amantaton lorsqe ce champ magnétqe dsparaît. C est le cas d fer, d cobalt, d nckel. Por qelle rason le fond de la casserole est-l ferromagnétqe? Por étder l nflence de la sbstance ferromagnétqe, réalsons d abord le spectre magnétqe d ne bobne plate. pectre magnétqe d ne bobne plate

11 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page apodrons de lmalle de fer n spport plan horzontal, damétral perpendclare a plan des spres. Les grans de lmalle de fer s orentent dans le champ magnétqe de la bobne ; ls se comportent comme de petts amants et dessnent des lgnes, appelées lgnes de champ. Une lgne de champ est ne corbe telle q en chacn de ses ponts le vecter champ magnétqe B r l sot tangent. L ntensté d champ magnétqe est d atant pls grande qe les lgnes de champ sont resserrées. Plaçons mantenant sr le spport, a vosnage de la bobne, n noya de fer dox ; les lgnes de champ se resserrent vers cel-c. Le champ est donc pls ntense dans le fer dox q l ne l état dans l ar a même endrot.

12 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page La semelle ferromagnétqe de la casserole va rassembler et concentrer les lgnes de champ. Por qelles rasons la bobne de la plaqe à ndcton dot-elle être parcore par n corant varable de fréqence 0 khz? D abord le contexte d ne tlsaton grand pblc mpose le chox de fréqences de traval dans le domane nadble. D atre part pls la fréqence est élevée, pls le phénomène d ndcton est accr Introdsons n noya de fer dox dans ne bobne () et almentons la à l ade d n générater délvrant ne tenson alternatve snsoïdale de fréqence f ; Une pette bobne plate () est placée a-desss de la bobne précédente. Vsalsons à l osclloscope la tenson ndte ax bornes de la bobne plate por dex valers de la fréqence f = khz et f = 0kHz b f= 0kHz f= khz b a a a : tenson ndte b : tenson délvrée par le générater

13 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 3 L ampltde de la tenson ndte est d atant pls grande qe la fréqence est élevée. L ntensté des corants de Focalt q vont crcler a fond de la casserole est d atant pls grande qe la fréqence est élevée. La pssance dsspée par effet Jole dans le fond de la casserole est proportonnelle a carré de la fréqence de la tenson almentant la bobne d ndcton. On se propose de réalser n montage ddactqe d ne plaqe de csson à ndcton comprenant : Le redresser est n dspostf électronqe q permet d obtenr ne tenson contne à partr de la tenson alternatve snsoïdale d secter ( 0 V, 50 Hz). L oscllater est n dspostf électronqe q, almenté par ne tenson contne, permet d obtenr ne tenson varable pérodqe c de fréqence 0 khz. L amplfcater de corant permet d amplfer l ntensté d corant La bobne plate, parcore par n corant varable de fréqence 0 khz, va créer n champ magnétqe varable de même fréqence. Le fond de la casserole, somse à ne varaton de champ magnétqe, va être parcor par des corants de Focalt.. ynoptqe ddactqe d ne plaqe de csson à ndcton ecter 0 V 50Hz edresser 5V, -5V Oscllater snsoïdal 0 khz Casserole Bobnes Amplfcater de corant On se propose d analyser chaqe étage de cette plaqe de csson ddactqe 6. éalsaton de l oscllater snsoïdal Oscllater à pont de Wen (Wen Wlhelm : physcen allemand 864 9)

14 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 4 Un oscllater snsoïdal est n dspostf électronqe q, almenté par ne tenson contne, génère ne tenson alternatve snsoïdale de fréqence f. L oscllater à pont de Wen est constté d n amplfcater non nverser et d n pont de Wen. L entrée d pont de Wen est relée à la sorte de l amplfcater non nverser. Le pont de Wen rénjecte ne parte d sgnal de sorte à l entrée de l amplfcater. L AOP est almenté par ne tenson 5V, -5V. - C C Amplfcater non nverser pont de Wen L oscllater de Wen est le sège d oscllatons snsoïdales ato -entretenes de fréqence f = lorsqe = π C Tenson générée par l oscllater à pont de Wen

15 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 5 On pet vérfer le caractère qas-snsoïdal de la tenson délvrée par l oscllater en réalsant le spectre fréqentel de Forer. Afn de povor mesrer par la ste l ntensté d corant dans la bobne, on a chos ne fréqence d oscllaton nférere à 000 Hz à case de la bande passante d mltmètre. = kω C = 0 nf

16 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 6 7. Montage Psh Pll. Amplfcater de corant La bobne, q dot générer le champ magnétqe, dot être parcore par n corant ntense; l fat donc amplfer le corant à la sorte de l oscllater à pont de Wen, à l ade de dex transstors complémentares: n transstor NPN (T ) et n transstor PNP (T ). Ce montage est appelé montage Psh Pll (posser trer) 5 V NPN T C B E Oscllater à pont de Wen PNP E bobne B T C -5V Etde expérmentale d montage «Psh Pll» Ce montage comporte dex transstors complémentares. T est n transstor NPN, T est n transstor PNP. éalsons le montage représenté c-dessos. Un générater de sgnax délvre ne tenson snsoïdale de fréqence f ; sot e la tenson ax bornes de ce générater et la tenson ax bornes d n condcter ohmqe de résstance placé à la sorte d Psh Pll. Premer cas : Appelons U 0 la tenson sel de la joncton base émetter e > U 0 alors le transstor T est passant, donc U BE = U 0 Le transstor T est bloqé donc B = 0. E = C B = ( β ) B β est le coeffcent d amplfcaton d corant e = U BE = U 0 = e U 0

17 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 7 econd cas: e < - U 0 alors le transstor T est passant, donc U BE = -U 0 Le transstor T est bloqé donc B = 0. E = C B = ( β ) Ue = BE = e U 0 B 5 V 5 V Cas B NPN B C C E E Cas NPN B C E E e PNP B E e B PNP B C E C C -5V -5V - U 0 < e < U 0, les transstors T et T sont bloqés, l ntensté d corant q traverse le condcter ohmqe est nlle. Il exste donc n domane de tensons d entrée por leqel la tenson d entrée e n est pas nlle, mas la tenson de sorte est nlle. La tenson de sorte ne reflète pas la tenson d entrée ; elle possède alors ne dstorson de crosement dte de fable nvea. Afn d évacer la chaler, les transstors sont montés sr des radaters. Dstorson de crosement = f(t)

18 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 8 e =f( e ) édcton de la dstorson de crosement La tenson à la sorte de l étage amplfcater présente ne dstorson. On se propose de corrger cet effet afn qe la tenson ax bornes de la bobne de la plaqe à ndcton sot ne tenson qas snsoïdale. A cet effet, on assoce n ampl non nverser (de gan / ) et l ampl Psh- Pll. La contre réacton de l AO se fat à travers la joncton BE d transstor. La dstorson de crosement est alors rédte. NPN 5 V C B B PNP E E E bobne Tenson délvrée par l oscllater de Wen B C -5V

19 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 9 Correcton de la dstorson : Etde expérmentale Consdérons le montage représenté c-dessos NPN C A d B B PNP E E E e B M M C -5V Un générater de sgnax délvre ne tenson alternatve snsoïdale e entre l entrée non nversese et la masse. On a placé à la sorte d montage Psh Pll n condcter ohmqe de résstance = 47Ω. = k Ω = 0 k Ω 5 = A A = 0 gan o facter d' amplfcaton d = EB d Ae A fnalement d : tenson dfférentelle d' entrée = A BE BM = ( ) ( A ) = Ae A = A( = e e e ( BE = BE BE A ) e d BE ) = A = A = ( BE ) e or = = d BE A e = BE BE

20 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 0 Le phénomène de dstorson a été élmné. Le montage précédent se comporte comme n amplfcater non nverser. La tenson de sorte est égale à la tenson d entrée amplfée par le coeffcent e 8 Montage Darlngton Por agmenter l ntensté d corant q dot traverser la bobne, on tlse n montage à dex transstors, appelé montage Darlngton. Dans le montage Psh-Pll, chaqe transstor est remplacé par n Darlngton. C I B T I C I C T B T I E = I B I E L ensemble est éqvalent à n transstor nqe de gan β = ( β ) β La tenson sel est 0,7 =,4V E I = β I I = I I = ( β ) I = I C B E B C B B I = β I = β ( β ) I C B 9. Crct résonant

21 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page à la sorte d montage Psh Pll, corrgé d phénomène de dstorson, on place la bobne, celle-c malgré tos nos efforts précédents (! ) est parcore par n corant de fable ntensté. La lo d ohm ax bornes de la bobne, parcore par n corant alternatf snsoïdal de fréqence f, s écrt U eff = Z I eff et non U eff = I eff comme en régme contn U eff: est la tenson effcace ax bornes de la bobne Ieff: ntensté effcace d corant q traverse la bobne Z est l mpédance de la bobne q s exprme en Ω Z = r 4π f L πfl r: résstance de la bobne L: ndctance de la bobne (H) Ordres de granders : L = 0 mh f = khz Z = π fl= 5,6Ω I eff = U eff /Z = 5/5,6 = 40 ma! L ntensté d corant q va traverser la bobne est trop fable! Comment obtenr ne ntensté nettement pls grande? On va brancher en sére avec la bobne n condensater et se placer à la résonance d ntensté. En qo consste le phénomène de résonance d ntensté? Etde expérmentale de la résonance d ntensté Impédance d n dpôle (LC) Assocons en sére n condcter ohmqe de résstance, ne bobne d ndctance L et de résstance r, et n condensater de capacté C. (L,r) C ot U la tenson effcace ax bornes d dpôle LC et I l'ntensté effcace q le parcort A fréqence constante le rapport U/I est constant; c'est l'mpédance Z d dpôle (LC ) ( Z s exprme en ohm). U Z = = I U m I m Z = ( L πf ) πfc U: tenson effcace ax bornes d dpôle

22 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page U m : tenson maxmale ax bornes d dpôle I: ntensté effcace q le parcort I m : ntensté maxmale q le parcort Une relaton de la forme U = ZI o U m = ZI m ne pet être écrte qe mor les granders effcaces o les granders maxmales; elle n'est pas valable por les valers nstantanées. La relaton U = ZI est sovent appelé lo d'ohm en corant alternatf. L'mpédance d'n dpôle ne dot pas être confonde avec sa résstance. Ces dex granders sont généralement dstnctes. La noton d'mpédance a été ntrodte par n mathématcen et physcen anglas Heavsde Olver ( ). Impédance vent d latn mpedre ( empêcher); en effet pls l'mpédance Z est grande por ne même tenson effcace U applqée ax bornes d dpôle, pls l'ntensté effcace q le parcort sera fable. Etde de la résonance d'ntensté Etde expérmentale On consdère n dpôle (,L,C). n générater de sgnax,branché ax bornes de ce dpôle délvre ne tenson alternatve snsoïdale. La tenson effcace U ax bornes d crct est mantene constante, mas on fat varer la fréqence f. On analyse la réponse d crct en mesrant l'ntensté effcace I d corant dans le crct. On pet ans tracer la corbe I=g(f) por dfférentes valers de la résstance d crct. Montage: V A (L,r) B C D A M Le voltmètre permet de vérfer qe la tenson effcace ax bornes d crct reste constante. Valers adoptées U=V L=0mH r=,ω : valer réglable C=0µF Observaton des corbes I=g(f)

23 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 3 L'ntensté effcace I passe par n maxmm por ne valer partclère de la fréqence f=500hz.cette valer ne dépend pas de la résstance totale d crct r. I = U Z = U ( πfl ) πfc I est maxmal lorsqe le dénomnater est mnmal, c'est-à-dre lorsqe π fl = 0 sot 4π f LC = alors l mpédance Z est mnmale et πfc s dentfe à la résstance d crct. Conclson: L'ntensté effcace d corant q traverse le dpôle LC sére est maxmale lorsqe la fréqence f de la tenson exctatrce satsfat la relaton 4π f LC =. On dt q'l y a résonance d'ntensté.( l ntensté effcace dans le crct est alors maxmale). Valer de l'mpédance d dpôle à la résonance Utlsons les résltats obtens Por la corbe de résonance (I) la valer maxmale de l'ntensté effcace est: U I=90mA Valer de l'mpédance à la résonance Z = = =, Ω I 0, 090 Or por cette expérence la résstance totale d crct est: r=,ω. Por la corbe de résonance (III) la valer maxmale de l'ntensté effcace est: I=38mA Valer de l'mpédance à la résonance Z = U I = = 5, 6Ω, Or por cette expérence la résstance totale d crct est r=5,ω Conclson: L'mpédance d dpôle LC à la résonance d'ntensté est égale à sa résstance Z=r Por tote atre fréqence qe la fréqence de résonance (fréqence propre) Z>.

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25 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 5 emarqe : On pet fare ne étde qaltatve d phénomène de résonance en tlsant n osclloscope. Montage : - YB (L,r) C YA e Porqo tlse-t-on n montage sver? La résstance nterne g d générater de fonctons provoqe ne chte de tenson g ax bornes de cel-c. Cette chte de tenson vare en foncton de la fréqence comme l ntensté d corant dans le dpôle LC. «Ax alentors» de la résonance d ntensté, cette chte de tenson pet être très grande. Le montage sver permet de mantenr constante l ampltde de la tenson applqée ax bornes d crct LC. L assocaton générater de sgnax sver est éqvalente à ne sorce de tenson snsoïdale parfate. Cet avantage s accompagne hélas d ne contrante ; l AOP ne pet débter n corant de sorte q ne pet excéder 0mA ; l fat donc lmter la tenson applqée a dpôle LC. r la voe A de l osclloscope on vsalse la tenson, sr la voe B la tenson = e ax bornes d dpôle LC. Lorsqe l on fat varer la fréqence ; l ampltde de la tenson reste constante, par contre l ampltde de la tenson vare. Cette ampltde est maxmale à la résonance d ntensté c'est-à-dre lorsqe la fréqence f de la tenson satsfat à la relaton f = π LC

26 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 6 0. Montage complet de la plaqe de csson à ndcton 5 V NPN C _ Tenson délvrée par l oscllater de Wen B B PNP B E E E C L,r C -5V. Détecter d échaffement On se propose de mettre en évdence à l ade d ne DEL et d ne thermstance CTN qe la températre de la plaqe ferromagnétqe stée sr la bobne agmente. La résstance de la thermstance CTN dmne lorsqe la températre s élève. p T U BE = E' E CTN B C ( dvser de tenson) E U BE à frod est grand U BE < 0,7V Le transstor est bloqé. La DEL est étente Lorsqe la températre agmente, dmne et U BE agmente. Qand U BE = 0,7V, le transstor est débloqé et devent passant. La DEL s llmne.

27 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 7 Les plaqes à ndcton génèrent des champs magnétqes q pertrbent le fonctonnement d pace maker (stmlater cardaqe). Porqo? Avant de povor répondre à cette qeston nos nos sommes ntéressés a cœr et pls précsément à l actvté électrqe d cœr.. Le fonctonnement d cœr Le cœr hman est sté dans la cage thoracqe, sos le sternm. es paros msclares l permettent de pomper le sang crclant dans les vasseax. Il est donc chargé d almenter tot l organsme en oxygène et ntrments. Le cœr est dvsé en qatre cavtés : les orellettes gache et drote et les ventrcles gache et drot. Les côtés drot et gache sont séparés par le septm Ve externe d cœr Cope transversale d cœr a nvea des ventrcles Valvles sgmoïdes overtes Valvles sgmoïdes fermées Le sang ne pet crcler qe dans n sel sens grâce ax valves séparant les orellettes et les ventrcles des vasseax et agssant comme n système antreflx A chaqe battement d cœr, le sang est d abord pompé des orellettes vers les ventrcles. Les ventrcles se contractent et envoent le sang dans les artères.

28 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 8 Le sang passe ans d côté drot d cœr dans les pomons por assrer la recharge d sang en doxygène, ps dans le côté gache d cœr por assrer l approvsonnement en doxygène et ntrments de tot l organsme. Les dfférentes phases de la révolton cardaqe 3 3. Le sang passe des orellettes ax ventrcles. Le cœr est relâché : C est la dastole générale. fn de remplssage des ventrcles lors de la contracton des orellettes : c est la systole arclare 3. contracton des ventrcles le sang est explsé dans les artères : c est la systole ventrclare Le cœr bat pls de fos par jor por assrer la crclaton sangne. Comment est assrée la contracton d cœr? Le cœr a ne actvté pérodqe : on parle de cycle cardaqe et est doté d n atomatsme c est à dre q est capable de se contracter sans acne nnervaton. Nos avons solé n cœr d escargot afn de mettre cette proprété en évdence Dssecton d cœr d escargot

29 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 9 Por povor fonctonner réglèrement, chaqe cycle cardaqe se décompose en dex phases : ne phase de contracton appelée ass dépolarsaton ne phase de relâchement o repolarsaton Afn de synchronser ne contracton harmonese des orellettes et des ventrcles, le cœr tlse n centre de contrôle; le nœd snsal q fat parte d n tss comportant des cellles myocardqes spécalsées : le tss nodal. Le tss nodal comprend : le nœd snsal (o nœd de Keth et Flack) sté dans la parte hate de l orellette drote le nœd arcloventrclare (o nœd d Aschoff Tawara), dans la parte basse d septm nter arclare, q se prolonge par le fascea de Hs la fascea de Hs dans la closon nterventrclare q se dvse en dex branches q abotssent a résea de Prknje Le résea de prknje sté à la face endocardaqe des paros ventrclares. Aorte. Vene cave spérere 3. Nœd snsal 4. Orellette gache 5. Orellette drote 6. Valve trcspde 7. Vene cave nférere 8. Ventrcle drot 9. Valve aortqe 0. Nœd atro-ventrclare. Valve mtrale. Fascea de Hs 3. ystème de Hs-Prknje 4. Ventrcle gache 5. Mscle cardaqe Les cellles d nœd snsal sont des cellles dotées d ne proprété partclère, en effet ces cellles se dépolarse spontanément et façon rythmqe, la dépolarsaton d ne cellle correspond à ne nverson d potentel de membrane. Tote les cellles sont polarsées négatvement à l ntérer et postvement à l extérer, la dfférence de potentel entre les dex faces de la membrane des cellles est appelé potentel de membrane. Ans la dépolarsaton correspond à ne entrée de charges postves (des ons Na et des ons Ca ), cette entrée de charges postves se fat progressvement

30 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 30 et dès qe la cellle attent son sel de dépolarsaton, elle se dépolarse rapdement entraînant la créaton d n potentel d acton. Cette dépolarsaton se transmet enste de proche en proche ax dfférentes partes d tss nodal La dépolarsaton a nvea d nœd snsal va entraîner la contracton des orellettes ps l nflx attent le nœd arclo ventrclare ce q permet n certan déla entre l actvaton arclare et ventrclare. Ps la dépolarsaton emprnte le fascea de Hs et ses branches por attendre le résea de Prknje et la totalté des fbres ventrclares ; les ventrcles drot et gache se contracte alors, entraînant la proplson d sang dans les artères plmonares et l aorte.

31 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 3 Il est possble de svre l actvté électrqe d cœr en réalsant n électrocardogramme Contracton des orellettes Contracton des ventrcles elâchement d coer 3 Détecton de la tenson créée par les battements cardaqes Tote actvté msclare s accompagne d effets électrqes ; les échanges onqes à travers la paro de chaqe cellle ndsent des dpôles électrqes. Les

32 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 3 champs élémentares créés par les cellles d mscle cardaqe s addtonnent por fornr n champ électrqe cardaqe q se manfeste entre dex ponts qelconqes d corps hman par ne tenson varable a cors d temps, sensblement pérodqe. On se propose de mette en évdence cette tenson. La chaîne de mesre comporte les éléments svants : Capter Amplfcat er de dfférence Fltre passe - bas Le capter est constté de tros électrodes prégélfées ato-adhésves ; l ne est placée sr la parte antérers d pognet gache, l atre sr la postéroexterne d pognet drot, la trosème est placée en dessos de la chevlle et relée à la masse. Les dex atres électrodes sont relées à l entrée non nversese de dex amplfcaters opératonnels. e - - C C C Capter Amplfcater de dfférence Fltre passe bas ' = 0 kω '' = MΩ = 0kΩ = 47kΩ 3 C = 00 nf C ' = µf = 00kΩ L ntensté d corant dans les fls d capter est nlle.

33 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 33 L amplfcater de dfférence comporte n premer étage dfférentel à sortes flottantes et n second étage à sorte référencée à la masse. La présence d condcter ohmqe de résstance mpose le passage d n corant dans les branches de contre réacton des dex premers amplfcaters. l exste des parastes ls seront cort-crctés par les condensaters de capacté C placés en dérvaton sr les condcters ohmqes de résstance. Tos les amplfcaters d montage fonctonnant en régme lnéare, la tenson dfférentelle de chacn d ex est nlle. Por le premer étage nos avons : ) ' " ( ' '' ' ' = = = ' ) " ' ( ' e e = = Por le second étage nos avons : ) ( ) ' ( ' ) ' ( ' ) ( 3 3 = = = = = = A l ade des relatons précédentes, nos obtenons por les dex étages : e e = = ) ' " ( ' ) " ' ( 3 Le derner étage est n fltre passe -bas Un fltre passe bas est n qadrpôle dont la bande passante est [ 0, f C ], f C est la fréqence de copre. Ic f C πc = Ce fltre affablt de façon notable l ampltde des tensons de fréqences pls élevées qe la fréqence de copre. Ce fltre permet ass d obtenr ne amplfcaton de la tenson d entrée (montage amplfcater nverser). A l ade d n osclloscope à mémore, réglé en mode oll (o déflement) et sr ne drée de balayage de 500 ms on obtent l oscllogramme svant Le commtater d entrée de l osclloscope est placé en poston AC alternatng crrent». Onde P : contracton des orellettes Onde Q contracton des ventrcles Onde T

34 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 34 En mode AC l entrée de l osclloscope est consttée de l assocaton sére d n condensater de capacté C = 0,µF en sére avec n condcter ohmqe de résstance = MΩ. La tenson ax bornes d condcter ohmqe est enste amplfée. L assocaton sére C constte n fltre passe hat q permet d élmner la tenson contne. La tenson est donc ne tenson varable dont on a spprmé la composante contne. C = 0,µF =MΩ e Ampl Porqo est-l nécessare por certanes personnes d avor n pace maker? Ce crct électrqe propre a cœr pet présenter des trobles de fonctonnement passagers o permanents. Le stmlater natrel (le nœd snsal) pet par exemple s'arrêter et ne reprendre son actvté q'après qelqes secondes. O encore, la condte électrqe pet être temporarement nterrompe entre les orellettes et les ventrcles. Cela entraînera n arrêt des contractons d cœr pendant qelqes secondes. L'organe le pls sensble à n arrêt cardaqe momentané étant le cervea, l s'enst n vertge o, s l'arrêt se prolonge, ne perte de connassance. Les trobles de formaton o de condcton de l'mplson électrqe cardaqe pevent n'être qe partels et donner le alors à des battements cardaqes trop lents. A côté des dverses malades cardaqes, des phénomènes de vellssement d système de condcton électrqe fgrent parm les cases prncpales de ces trobles. Ces trobles sont tojors caractérsés par n ralentssement o n arrêt passager des battements cardaqes, q sont regropés sos le terme de «bradycarde» (brady = lent). Le stmlater cardaqe artfcel palle les trobles d système de condcton en prodsant ne mplson électrqe en cas de beson.

35 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 35 En général ces trobles de la condcton entraînent des étordssements, des vertges, des malases, vor des syncopes. Por confrmer le dagnostc, on procède tot d abord à ne exploraton électrophysologqe des voes de condcton : l s agt de réalser n élect Por confrmer le dagnostc, on procède tot d abord à ne exploraton électrophysologqe des voes de condcton : l s agt de réalser n électrocardogramme. Une fos le dagnostc étable on procède alors à l mplantaton d pace maker, Le boîter en ttane en ttane est mplanté sos la pea a nvea d mscle pectoral, la o les sondes sont enste ntrodtes par ne vene jsq à l orellette gache ps le ventrcle gache où la fxaton est assrée grâce à n barbllon dans le myocarde. Cette nterventon est réalsée sos anesthése locale. Enfn, le médecn procède à la programmaton d boîter électronqe afn d adapter le fonctonnement d pace maker à la pathologe d patent. chéma de l mplantaton d pace maker

36 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 36 4 Comment fonctonne le pacemaker? Le stmlater cardaqe artfcel est formé d'n boîter en ttane, n métal très ben toléré par le corps hman. Le boîter renferme ne ple et n modle électronqe. Il est relé a cœr par ne o plsers sondes (fgre ) La parte électronqe assre la srvellance des mplsons électrqes propres d cœr. Lorsq'n battement cardaqe fat défat, elle commande l'envo d'ne mplson électrqe forne par la ple, ps transmse par la sonde a mscle cardaqe où l'mplson déclenchera n battement cardaqe. Le stmlater n'entre donc en foncton qe lorsqe le rythme cardaqe généré par le cœr est nférer à ne fréqence- sel. Implson délvrée par le pacemaker On sat qe les cellles sont polarsées postvement à l extérer et négatvement à l ntérer ; les charges négatves générées par le pace maker entraînent l overtre des proténes canax voltage dépendant ( présentes dans la membrane), l y a alors afflx de charges négatves à l ntérer des cellles d tsss nodal ce q entraîne la dépolarsaton des cellles et donc la propagaton de l nflx nervex.

37 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page mlaton d prncpe d pacemaker Notre cœr se contracte entre 60 et 80 fos par mnte, grâce à n stmlater natrel : le nœd snsal. Lorsqe cel-c ne remplt pls correctement son rôle, n pacemaker va forcer le mscle cardaqe à battre réglèrement en l envoyant de pettes mplsons électrqes par l ntermédare de sondes. Le pacemaker est en fat n générater d mplsons. L mplson est ne tenson dont la drée τ est fable devant la pérode T.. Le pacemaker n entre en foncton qe lorsqe le rythme cardaqe généré par le cœr est nférer à ne fréqence sel. Afn de smler le fonctonnement d n pacemaker, on a conç le montage svant : 0kΩ C µf U c U C d U U ref C = 0µF r=0ω 00kΩ C r A G K U U GM KM 0kΩ 0kΩ M 3 4 Etage : Convertsser fréqence tenson Le générater de sgnax délvre ne tenson rectanglare avec ne tenson d offset postve et de rapport cyclqe r = T τ. Cette tenson smle les battements cardaqes.. Le condensater se charge pendant la drée τ et se décharge pendant la drée T - τ à travers le condcter ohmqe de résstance. la valer moyenne de la tenson U C ax bornes d condensater est donnée par τ l expresson UC = Ue max = Ue maxτf ( U emax est l ampltde de la tenson délvrée T par le générater).. La tenson ax bornes d condensater est donc proportonnelle à la fréqence f des battements cardaqes. On a réalsé n convertsser fréqence tenson. Etage : Montage sver

38 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 38 L tlsaton de la tenson de sorte U C de l étage nécesste de placer n montage sver destné à conserver les performances d crct. Etage 3 ; Comparater Dans ce montage, l amplfcater étant en bocle overte, la tenson de sorte U est satrée. U = U sat s la tenson dfférentelle d entrée d est postve, sot s U C < U ref U ref est ne tenson contne de référence. U = -U sat s d <0 sot s U C > U ref Etage 4 : Générater d mplsons à thyrstor Le thyrstor est fonctonnellement éqvalent à ne dode (AK) dont la condcton est commandée par le corant njecté sr ne électrode spplémentare appelée gâchette (G). A K G U AK > 0 l on njecte n corant de fable ntensté G entre la gâchette et la cathode K, le thyrstor devent passant dans le sens drect ( de A vers K). ; alors l ntensté d corant q traverse le thyrstor est mportante et la tenson U AK est fable ( UAK 0 ). U AK < 0 le thyrstor est tojors bloqé et le système ne pet être réamorcé qe lorsqe l on envoe n corant dans la gâchette a moment où U AK devent postf. Envsageons le cas où la tenson d entrée de l étage 4 sot U sat et le condensater de capacté C déchargé. Dans ce cas U KM = U sat. La tenson entre la gâchette G et la masse U GM est fxée à l ade d n pont dvser de tenson UGM = Usat U GM < U KM = U sat acn corant ne crcle dans la gâchette, le thyrstor est alors bloqé.le condensater C va se charger et donc la tenson U KM va dmner. Lorsqe UKM = UGM = Usat n corant va de novea crcler dans la gâchette, ce q va débloqer le thyrstor. La tenson ax bornes de ce derner

39 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 39 est fable et le condensater va se décharger très rapdement. De novea U KM = U sat, le thyrstor est bloqé et le condensater va se charger et ans de ste.. mlaton La fréqence des battements cardaqes devent nférere à ne fréqence sel, la tenson ax bornes d condensater C de l étage dmne ( U C = kf). Cette tenson U C devent alors nférere à la tenson de référence U ref ce q entraîne n basclement de la sorte d comparater à U sat. Cette tenson va alors commander l émsson d mplsons par l étage 4 q va de novea accélérer les battements cardaqes. La tenson U C = kf va donc agmenter. Lorsqe cette tenson sera spérere à U ref la sorte d comparater va bascler à U sat, ce q va entraîner le blocage d thyrstor. Grâce ax progrès de la technqe, la plpart des stmlaters cardaqes pevent être réglés en applqant n apparel de programmaton spécal sr la pea a-desss d stmlater. Cet apparel commnqe avec la parte électronqe d stmlater par des ondes électromagnétqes et permet de modfer les réglages d stmlater en foncton des besons d patent. L'n des réglages mportants concerne la fréqence de base, c'est-à-dre la fréqence qe le stmlater va assrer. Le système de condcton électrqe d cœr povant présenter des trobles à plsers nveax, plsers types de stmlaters ont été développés afn de corrger a mex les dfférents trobles. En pls d système ncaméral (o monochambre) décrt c-desss, l exste n système à doble chambre. Ce système est doté d'ne dexème électrode relée à l'orellette drote. Cela permet de respecter la foncton de l'orellette sot en la stmlant avant les ventrcles, sot en détectant son actvté en provenance d stmlater natrel, le nœd snsal, por enste stmler le ventrcle en cas de défallance de la Condcton arclo -ventrclare.le système doble chambre amélore sovent la foncton cardaqe en permettant ne accélératon des battements lors d'actvtés physqes notamment.les stmlaters à fréqence cardaqe asserve à l'actvté dsposent en pls d'n mécansme capable de détecter l'actvté physqe d patent et d'accélérer la fréqence de stmlaton et donc les battements cardaqes selon l'actvté d sjet. Le médecn tratant chosra le type de stmlater adapté à l'état d patent. Comment la plaqe à ndcton modfe-t-elle le fonctonnement d pace maker?

40 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 40 Almentons ne bobne de plaqe à ndcton, récpérée chez n vender de pèces détachées d électroménager, et branchons la ax bornes d n générater de sgnax délvrant ne tenson alternatve snsoïdale de fréqence 0 khz. Connectons n fl condcter à ne des bornes d entrée d n osclloscope. En joant sr la sensblté et la base de temps, on observe ne tenson snsoïdale de fréqence 0 khz. Bobne plate d ne plaqe à ndcton La bobne parcore par n corant varable, crée ne onde électromagnétqe (propagaton dans l espace d n champ électrqe et d n champ magnétqe varables). Ce champ électrqe va fare vbrer les électrons d fl, joant le rôle d ne antenne. Il apparaît donc ax bornes d fl ne tenson détectée par l osclloscope de fréqence 0 khz. La sonde q rele le pace maker a cœr est consttée d n ressort en ttane de 75 cm de longer, entorée par ne gane en slcone. Lorsq on s approche d ne plaqe à ndcton, le champ magnétqe crée par cette dernère va générer dans le ressort de la sonde ne tenson ndte (phénomène d ndcton électromagnétqe). Cette tenson amplfée par le pacemaker entraîne le dérèglement d modle de stmlaton d pace maker, cel-c émet en permanence des mplsons sans prendre en compte l actvté propre d cœr, l s en st ne modfcaton d rythme cardaqe. Il est donc consellé de ne pas s approcher d ne plaqe à ndcton à mons de tros mètres.

41 Olympades de physqe Lycée Gez de Balzac Angolême page 4 BIBLIOGAPHIE MPI : Collecton Drandea. Mesres Physqes et nformatqes Edton Hachette Premère TI, Physqe applqée. Géne électronqe Edton Hachette Termnale TI, Géne électronqe, Physqe applqée Edton Hachette VT seconde Edton Hachette VT premère Edton Hachette Physologe hmane www. Bostons scentfc.fr www. Fondaton ssse de cardologe.com emercements Nos remercons partclèrement Mme Chassang (cardologe a centre hosptaler d Angolême), Mme Botnon (responsable d servce cardologe a centre hosptaler d Angolême), M Gather J.P (Ingéner et Drecter général de la socété t jde Médcal), le personnel d laboratore de scences physqes, M Dpy et Mme Poncea professers de cences physqes et de VT a lycée Gez de Balzac q nos ont encoragé et soten tot a long de notre projet.