Chapitre 10 Etude des tensions électriques ; Nature de la tension du secteur.

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1 Chapire 1 Eude des ensions élecriques ; Naure de la ension du seceur. On a vu que la ension produie par un alernaeur dans une cenrale élecrique changeai ou le emps. On ne peu donc pas se conener de brancher un volmère dans le circui pour la mesurer : Si le volmère affiche 3 V au momen où l'on regarde, cee valeur aura changé dans l'insan qui sui. Il nous fau enir compe des changemens de la ension au cours du emps. Pour cela nous allons racer des oscillogrammes. I. Obenion d oscillogrammes pour éudier une ension Oscillogramme : Graphique représenan l évoluion d une ension en foncion du emps. 1) Tracé d un oscillogramme «à la main» Expérience : GTBF Généraeur rès basse fréquence, on verra plus ard ce que «fréquence» signifie. V V COM On allume le GTBF (généraeur rès basses fréquences), puis on mesure la ension oues les 5 secondes pendan 2 minues. Observaions : Valeurs données, non mesurées. Temps (s) Tension (V) 1,63 2,8 4,2 4,86 5,31 4,99 4,1 2,98 1,6,15-1,19-2,47 Temps (s) Tension (V) -3,62-4,52-5,4-5 -4,46-3,17-2,33 -,92 -,42 1,67 2,92 3,95 Tracé de la courbe avec un ableur en salle informaique : Mesurer à chaque fois des ensions oues les 5 secondes pendan 2 minues, puis racer le graphique, c es ou de même compliqué e conraignan. Heureusemen pour nous, il exise un appareil, appelé oscilloscope, que l on branche sur l alernaeur e qui race direcemen le graphique. Encore fau-il savoir l uiliser

2 2) Uilisaion d un oscilloscope Un oscilloscope es un appareil qui perme de visualiser l évoluion de la ension en foncion du emps sur un écran. C es de là que vien le mo oscillogramme : C es la figure obenue à l écran d un oscilloscope. L oscillogramme ci-dessous présene la ension éudiée avec le logiciel Oscillo après réglages de l oscilloscope. 1. Qu es-ce que la sensibilié vericale de l oscilloscope? Que vau-elle pour vos mesures? La sensibilié vericale de l oscilloscope, c es la ension (en Vols) à laquelle correspond chaque carreau (chaque division) verical de l écran de l oscilloscope. Elle vau ici 2 V/div. 2. Qu es-ce que la sensibilié horizonale de l oscilloscope? Que vau-elle pour vos mesures? La sensibilié horizonale de l oscilloscope (ou viesse de balayage), c es la durée (en secondes) à laquelle correspond chaque division horizonale de l écran de l oscilloscope. Elle vau ici :,5 ms/div. 3. A parir de l oscillogramme, compléez les renseignemens suivans sur la ension éudiée : U max U min Durée T (enre 2 max) + 5 V - 5 V 2 ms (4 carreaux) 4. Que dire des alernances posiives e négaives de ension? Que remarquez-vous quan à l allure de la ension? La ension descend «aussi bas dans le négaif» qu elle mone «hau dans le posiif». La ension semble présener un moif simple (une sore de «vague») qui se reprodui dans le emps idenique à lui-même. On verra que ces valeurs son uiles par la suie. Donc c es bien, on arrive à visualiser la ension reçue, e on es même capable de mesurer des choses dessus. Mais cee ension, ce n es pas n impore quoi, elle a une forme bien précise, e ce serai bien de pouvoir lui donne un nom. C es ce qu on va faire mainenan. Je vous rappelle que le bu de ou ça, c es de savoir à quoi ressemblen les ensions qui arriven sur nos prises élecriques.

3 II. Caégorisaion des différens ypes de ensions La ension créée par un alernaeur ne rese pas oujours la même au cours du emps, on l a vu. Cependan, cee ension ne varie pas n impore commen. Commen appelle--on les différens ypes de ension que l on renconre? On disingue différens ypes de ensions : 1. Tension coninue : La valeur d une ension coninue rese oujours la même au cours du emps. (Ex : Pile.) 2. Tension variable : Les valeurs d une ension variable évoluen au cours du emps. Une ension variable peu êre : 2.1. Quelconque : La ension varie n impore commen Alernaive : Les valeurs d une ension alernaive son alernaivemen posiives e négaives, e de moyenne nulle. (Elles von aussi hau dans le posiif que bas dans le négaif.) 2.3. Périodique : Une ension es die périodique lorsqu elle présene une variaion qui se répèe dans le emps. Cee variaion es appelée moif. A chaque exemple ci-dessous, associe un (ou plusieurs) ype(s) de ension. Tension 1 Tension 2 Tension 3 - Triangulaire Tension 4 Tension 5 - Carrée Tension 6 - Sinusoïdale Tension 1 : Tension variable quelconque. La ension varie n impore commen. Tension 2 : Tension coninue. La ension rese oujours la même au cours du emps. Tension 3 : Tension variable périodique (non alernaive). La ension présene un moif qui se répèe dans le emps. Tension 4 : Tension variable alernaive (non périodique). Les valeurs de ension son alernaivemen posiives e négaives, e von aussi hau dans le posiif que bas dans le négaif (en moyenne). Il n y a cependan pas de moif qui se répèe dans le emps. Tension 5 : Tension variable périodique (non alernaive). La ension présene un moif qui se répèe dans le emps. Elle es alernaivemen posiive puis négaive, mais va plus bas dans le négaif que hau dans le posiif. On ne considère donc pas que cee ension soi alernaive. Tension 6 : Tension variable alernaive périodique. La ension présene un moif qui se répèe dans le emps e ses variaions son alernaivemen posiive e négaive e von aussi hau dans le posiif que bas dans le négaif. Conclusion : La ension du seceur (ension arrivan dans les prises élecriques, créée par les alernaeurs des cenrales élecriques) a la même forme que la ension 6. Que peu-on dire de la ension du seceur? La ension du seceur es alernaive, périodique, sinusoïdale. Dans la vie de ous les jours, on parle simplemen de ension alernaive e de couran alernaif. E bien le couran alernaif, c es cela : Un couran don l inensié es alernaive, périodique e sinusoïdale, ou cela. Sinusoïdale correspond à la forme de la courbe : Forme de la foncion sinus que vous connaissez en Mahs, vous l avez renconrée dans les riangles recangles. En général, on ne rappelle pas variable alernaive ou variable périodique on di simplemen qu elle es alernaive ou périodique car cela sous-enend qu elle es forcémen variable.

4 III. Propriéés des ensions alernaives périodiques On va s inéresser uniquemen aux ensions alernaives périodiques sinusoïdales elles que la ension du seceur. (Mais les propriéés don on va parler dans ce paragraphe reseron vraies pour ous les ypes de ension alernaive périodique.) U max T T (s) U min T moif 1) Valeurs maximale e minimale de ension On noe ces valeurs U max e U min. Pour une ension alernaive périodique, si U max = + 4 V, alors U min = - 4 V. 2) Période d une ension périodique La période d une ension périodique es la durée d un moif. Elle se noe T, e se mesure en secondes (s). On peu la mesurer à plusieurs endrois (voir figure) : - Enre 2 maxima de ension. - Enre 2 minima de ension. - Enre 2 passages par dans le même sens. 3) Fréquence d une ension périodique Quand on emploi le mo «fréquen», on parle de quelque chose qui a lieu souven, e bien la fréquence c es une grandeur qui va caracériser à quel poin le moif de la ension périodique se répèe souven. La fréquence d une ension périodique, noée f, es le nombre de moifs de la ension qui se reproduisen chaque seconde. (Evenuellemen faire un dessin.) Cee grandeur s exprime en herz (Hz) (physicien allemand découvreur d un cerain ype d ondes élecromagnéiques) dans le sysème inernaional d uniés (SI). C es l ensemble des uniés uilisées par les physiciens du monde enier. Relaion enre la période e la fréquence : Période : Durée d un moif, T. Fréquence : Nombre de moifs par seconde, f. 1 moif T secondes f moifs 1 seconde 1 T On cherche la quarième proporionnelle (produi en croix) pour obenir, f = 1 1 T, c es-à-dire : Herz (Hz) f = 1 T secondes (s) Par un raisonnemen similaire, on peu monrer que : T = 1 f. Il exise des appareils pour la mesurer direcemen, mais nous on ne le fera pas, on se conenera de la calculer. (Ca n es pas beaucoup plus long.) Ce que vous devez surou savoir mesurer à parir d un oscillogramme, c es la période de la ension alernaive périodique.

5 IV. Mesure «rapide» d une ension alernaive périodique sinusoïdale Tou ce qu on a vu c es rès inéressan (Si! Si!), mais bon, c es quand même un peu long si à chaque fois qu on veu faire une mesure, on doi sorir nore énorme oscilloscope, le régler. On aimerai aller plus vie (en pariculier les élecriciens, qui aimen avoir rapidemen une idée d une ension, même alernaive). Mais heureusemen les volmères que vous avez uilisé jusque-là, ils saven faire des choses avec les ensions alernaives. 1) Uilisaion du volmère en «alernaif» Le volmère peu mesurer une ension alernaive périodique en uilisan le cadran V ~, en se plaçan enre les bornes V e COM, en dérivaion sur l appareil éudié. Il ne pourra pas mesurer la période de cee ension, mais indiquera une valeur appelée valeur efficace de la ension alernaive périodique, noée U eff. Cee valeur caracérise l effe de la ension, c es-à-dire qu une ension alernaive périodique de valeur efficace 6 V aura le même effe qu une ension coninue de 6 V. a) Quelles bornes du volmère doi-on uiliser pour mesurer une ension alernaive? Dans quel cadran doi-on placer le curseur? On doi se brancher enre les bornes V e COM, comme pour une mesure de ension coninue, e uiliser le cadran désigné par le symbole V~. b) Quelle lampe brillera plus for : Une lampe alimenée par une ension coninue de 3 V, ou la même lampe alimenée par une ension alernaive périodique de valeur efficace 3 V? Les deux lampes auron le même écla par définiion de la valeur efficace d une ension alernaive périodique. Conclusion : Pour une ension alernaive périodique sinusoïdale, un volmère uilisé en «alernaif» indique la valeur efficace de cee ension. 2) Lien enre ension maximale e ension efficace La valeur efficace U eff e la valeur maximale U max d une ension alernaive périodique son-elles liées? Posiion du curseur du généraeur 3 4,5 6 7, U eff 3 V 4,5 V 6 V 7,5 V 9 V 12 V U max 4,2 V 6,3 V 8,5 V 1,5 V 12,6 V 17 V Rappor U max U eff 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 Observaions : a) A quelle ension correspond la valeur indiquée par le curseur du généraeur? La valeur indiquée par le curseur du généraeur correspond à la ension efficace. b) Que peu on dire du rappor U max U eff? Le rappor U max U eff es consan e environ égal à 1,4. Conclusion : La valeur efficace e la valeur maximale d une ension alernaive périodique son proporionnelles. U max = 2 U eff On connai désormais oues les caracérisiques nécessaires pour décrire précisémen la ension du seceur que nous fourni EDF. Ce qu on va faire sans manipulaions direce, car la valeur es beaucoup rop élevée pour pouvoir l éudier en sécurié.

6 V. Caracérisiques de la ension du seceur en France La ension du seceur es alernaive, périodique, sinusoïdale. 1) Valeur efficace du seceur Expérience : (Réalisée par le professeur pour des raisons de sécurié. Danger dès 24 V.) Avec un volmère réglé en «alernaif», on mesure la valeur efficace de la ension du seceur sur une muliprise. La ension du seceur en France a une valeur efficace de 23 V. C éai 22 V jusqu en 1986 où on l a changée pour s aligner sur l ensemble des valeurs européennes. En Amérique du Nord, aux Eas-Unis e au Canada, cee valeur efficace es de 11 V. 2) Fréquence du seceur On a obenu l oscillogramme ci-conre de la ension du seceur. La sensibilié horizonale de l oscilloscope es réglée sur 5 ms/div. a) Combien de divisions occupen un moif de cee ension? Un moif de cee ension occupe 4 divisions. b) Quelle es donc la période de cee ension? D après la sensibilié uilisée, chaque division correspond à 5 ms, la période de cee ension es donc de T = 5 x 4 = 2 ms. c) Quelle es la fréquence de la ension du seceur? La période de cee ension es de T = 2 ms =,2 s. Ainsi f = 1 = 1 = 5 Hz T,2 La fréquence de la ension du seceur en France es de 5 Hz. (Aux Eas-Unis e au Canada, elle es de 6 Hz.)

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