TP dipôles passifs. Objectif : se familiariser avec les dipôles passifs et la mesure de tension et courant électriques.

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1 TP dipôles passifs Objectif : se familiariser avec les dipôles passifs et la mesure de tension et courant électriques. 1 Le conducteur ohmique (boîte AOIP) Le conducteur ohmique, le condensateur et la bobine d induction sont les 3 dipôles linéaires passifs principaux ; on étudie ici le conducteur ohmique qu on appelle (par abus de langage) "résistance". La résistance choisie est réglable ; elle est à l intérieur d un boitier : la boîte AOIP. 1.1 Etude d une seule boîte à l ohmmètre La boîte AOIP est une boîte noire munie de 3 bornes, d un curseur et d une tourelle avec numéros. Soit x le numéro qu indique la tourelle. 1. Prendre un multimètre et l utiliser en ohmmètre pour étudier la boîte AOIP : pour cela, brancher cet appareil sur différentes bornes et tourner la tourelle pour connaître son influence. Figure 1 - Une boîte AOIP 2. Décrire son fonctionnement : modéliser sur un schéma la boîte AOIP avec 2 résistances variables R AB et R BC en expliquant la relation entre leurs valeurs (prendre un ou plusieurs exemples). 3. Quelles bornes faut-il utiliser pour avoir une résistance variable dont on connaît la valeur sur la tourelle? 1.2 Association série ou parallèle On utilise une nouvelle fois le multimètre en ohmmètre. Prendre des valeurs différentes pour les deux boîtes AOIP. 1. Mettre les 2 boîtes AOIP en série et mesurer la résistance aux bornes de l ensemble. Comparer et conclure par rapport à la valeur théorique : R eq = R 1 + R Mettre les boîtes AOIP en parallèle et mesurer la résistance aux bornes de l ensemble. Comparer et conclure par rapport à la valeur théorique : = + R eq R 1 R 2

2 Remarque : R eq = résistance équivalente.

3 1.3 Mesure de tensions et courants continus (montage en dérivation) 1. Mettre le multimètre en position «voltmètre continu» sur le calibre 50 V (Tolérance Δ c = 0.1% + 2 digits ). 2. Régler l alimentation stabilisée pour qu elle délivre une force électromotrice (fém) de 3 V (celle-ci est notée E 0 ). 3. Réaliser le montage ci-contre : les résistances R 1 et R 2 sont des boites AOIP utilisées avec leurs bornes A et B : R 1 = 5 kω et R 2 = 2 kω. 4. Faire les mesures des tensions U AB, U CD et U EF ; Figure 2 - Montage en dérivation de deux boîtes AOIP Appeler le professeur pour réaliser une des mesures devant lui. Comparer les mesures (avec leur incertitude) et conclure. 5. Calculer les intensités i 1 et i 2, et leur incertitude (l incertitude est nulle sur les boîtes de résistance AOIP). 6. Mettre le multimètre en position «ampèremètre continu» calibre 500 ma, le placer entre A et C ; mesurer le courant i débité par l alimentation stabilisée. Noter sa valeur et son incertitude (Tolérance ( Δ c = 0.2% + 2 digits ). Appeler le professeur pour lui montrer la mesure. Quelle relation lient les intensités i, i 1 et i 2? Comment s appelle cette loi? 1.4 Mesure de tensions sinusoïdales (montage en potentiomètre) Nous allons à présent utiliser un GBF (générateur basses fréquences) qui fournit une tension alternative sinusoïdale de fréquence variable. Sa fém est notée e. L observation et la mesure des tensions se font avec un oscilloscope : celui-ci a la même masse (potentiel nul) que le GBF. L appareil devra être initialisé (réglages de base) avant son utilisation. 1. Régler le GBF pour qu il délivre une tension sinusoïdale, sa valeur crête à crête (Vpp) doit être ajustée à 10 V avec le bouton LEVEL : on peut lire Vpp (tension peak-peak) sur l oscilloscope (avec MEAS). 2. Fixer la fréquence à 2000 Hz. 3. Placer la tourelle de la boîte AOIP sur la position x = 4. Puis, en s aidant du montage représenté ci-contre, faire les branchements entre la boîte AOIP,

4 l oscilloscope et le GBF. Appeler le professeur pour la vérification du montage 4. Visualiser la tension délivrée par le GBF sur la voie 1 de l oscilloscope et la tension U BC sur la voie Mesurer alors, avec le menu MEAS de l oscilloscope : Figure 3 - Comportement d'une boîte L amplitude de e et U BC, leur AOIP soumis à une tension sinusoïdale valeur efficace, leur valeur moyenne. Recommencer ces mesures pour x = Rassembler les mesures dans un tableau, noter leur évolution lorsque x varie. Expliquer cette évolution. 2 Dipôles passifs non linéaires Dans les manipulations précédentes, la tension aux bornes du dipôle et le courant qui le parcourait étaient proportionnels : lorsque cette relation est vérifiée, on qualifie le dipôle de linéaire. On se propose d étudier ici quelques composants passifs non linéaires : la tension et le courant ne sont plus proportionnels. On étudiera successivement : une diode à jonction ; un filament de tungstène (lampe à incandescence) ; une photorésistance. 2.1 Diode La diode à jonction est constituée de semi-conducteurs ce qui lui donne des propriétés électriques particulières : la tension à ses bornes n est pas proportionnelle au courant qui la traverse. 1. Réaliser le montage ci-contre avec les composants des boîtiers plastiques. 2. Régler le GBF de façon à ce qu il délivre une tension sinusoïdale de 3 V d amplitude et de fréquence 200 Hz. On utilisera la sortie OUTPUT du GBF. 3. Observer à l oscilloscope les signaux e(t) et u R (t). Appeler le professeur pour la vérification du montage Figure 4 - Montage d'étude du comportement d'une diode

5 4. Capturer numériquement l oscillogramme. 5. Expliquer pourquoi ce montage à diode permet le «redressement» d un courant alternatif. Justifier le fonctionnement du montage à l aide de vos connaissances sur la diode. 2.2 Etude d une lampe à incandescence 1. Relever les indications portées sur le culot de la lampe (démonter le boîtier si besoin est)~: noter sa tension nominale U n correspondant à sa tension d utilisation. 2. A l aide de l alimentation stabilisée, imposer une faible tension U F ( U n /10 ) et un faible courant I F aux bornes de l ampoule. Mesurer U F et I F. 3. Calculer alors la résistance "à froid" du filament notée R F. 4. Imposer la tension U n aux bornes de l ampoule. Mesurer U n et I n. 5. En déduire la résistance "à chaud" notée R C du filament. 6. Calculer (en justifiant) la valeur de l intensité, noté I 0, qui traverse la lampe (froide) au moment précis de son branchement sur un générateur de tension dont la fém est égale à la tension nominale de la lampe. 7. Comparer I 0 et I n. Quel est le risque? Comment y remédier?

6 2.3 Photorésistance On cherche à savoir comment varie la résistance fonction de l éclairement. R de la photorésistance en Mettre en place une manipulation pour répondre à cette question. L expliquer par un schéma sur le compte rendu. Observer et conclure. 3 Le condensateur 3.1 Théorie : charge et décharge d un condensateur Charge Considérons le circuit ci-contre. Si on ferme l interrupteur, le condensateur se charge sous la tension E. La tension à ses bornes est donnée par la relation : t u(t) = E 1 e τ (1) avec τ = RC, la constante de temps du circuit. Pour t = τ, on a u = 0, 63 E. Figure 5 - Etude théorique du condensateur Décharge Si le condensateur précédemment chargé sous la différence de potentiel E, se décharge maintenant dans une résistance R ; la tension à ses bornes est de la forme : Alors pour t = τ, u = 0, 37 E. 3.2 Manipulation u(t) = E e t τ (2) Pour des constantes de temps faibles, inférieures à 1 seconde, l observation de la charge et de la décharge est possible à l oscilloscope. On utilise alors comme source de tension une sortie particulière du GBF appelé sortie TTL. Le GBF délivre alors une tension créneau entre 0 et 5V, seule la

7 fréquence de cette tension est réglable. 1. Prendre R et C positionnés dans un boîtier plastique. 2. Réaliser le montage ci-contre. Le GBF doit être branché sur sa sortie "Output TTL". 3. Choisir une fréquence pour que la charge et la décharge soient atteintes : T, la période du créneau, doit être assez grande, mais pas trop importante afin que les mesures puissent être correctement menées (charge et décharge suffisamment dilatées) f 1 10τ Figure 6 - Etude expérimentale du condensateur

8 4. Visualiser les tensions sur l oscilloscope en position DC. Appeler le professeur pour vérification. 5. Noter les valeurs de R et C puis calculer alors la constante de temps théorique τ th = RC. 6. Capturer numériquement un oscillogramme montrant une phase de charge et de décharge. 7. Utiliser convenablement cet oscillogramme (en justifiant) avec une des relations vues dans la partie théorique "charge et décharge du condensateur" pour déterminer une valeur expérimentale τ exp de la constante de temps. Comparer la valeur expérimentale à la valeur théorique. Ne pas oublier de déposer vos fichiers numériques (captures,...) sur le site des TP