3. Oscillations électriques

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1 3. Oscillations électriques a) La bobine - introduction Une bobine (Spule, inductor) est un dipôle passif, constitué d un enroulement de fil électrique autour d un noyau. Ce noyau est soit vide, soit il s agit d un noyau en fer. la bobine en courant continu En courant continu, la bobine se comporte comme une résistance pure : elle est ainsi caractérisée par une résistance interne r et la loi d Ohm s écrit alors : u = r"i! propriétés magnétiques L expérience d Oersted (1820) était la première expérience montrant le lien intime existant entre l électricité et le magnétisme : Un fil conducteur parcouru par un courant électrique agit comme un aimant Comme une bobine est constituée d un fil parcouru par un courant électrique, il est clair qu une bobine présente aussi des propriétés magnétiques. Ces propriétés magnétiques sont amplifiées par l introduction d un noyau en fer. Ce sont ces propriétés magnétiques qui sont responsables des phénomènes que l on verra plus loin! Oscillations électriques la bobine page 1

2 la bobine : des propriétés étonnantes fermeture du circuit : Dans ce montage, la bobine et le conducteur ohmique ont la même résistance et les deux ampoules sont identiques. Pourtant, lorsqu on ferme l interrupteur K, l ampoule L1 brille immédiatement, tandis que l ampoule L2 s illumine avec retard. Il semble donc que la bobine s oppose à l installation du courant dans le circuit! ouverture du circuit : Le circuit est formé par une pile (4,5 V), une lampe à néon (tension d allumage : 60 V) et d une bobine avec noyau de fer (1000 spires) Lorsque l interrupteur est fermé, la lampe à néon reste éteinte. C est normal, car la tension d allumage de la lampe à néon vaut environ 60 V, et est donc très supérieure à la tension délivrée par la pile. Pourtant, lorsqu on ouvre l interrupteur, il se passe quelque chose d inattendu : on observe un éclair bref qui illumine la lampe! Notez que lorsque l interrupteur est ouvert, il existe Oscillations électriques la bobine page 2

3 toujours un circuit fermé : le circuit comportant la lampe et la bobine. Si la lampe s allume, c est que la bobine se comporte alors en générateur : la bobine semble s opposer à la diminution de courant en faisant circuler un courant dans le circuit fermé bobinenéon Pour faire briller la lampe à néon, il faut une certaine énergie : il paraît donc que la bobine a emmagasiné de l énergie électrique!! S il n existe pas de «consommateur» pour cette énergie, l énergie est dissipée sous forme d étincelles entre les deux bornes de l interrupteur. On parle alors d étincelles de rupture, qui en pratique doivent absolument être évitées, car elles peuvent endommager les appareils électriques!! Ici, c est le clou qui joue le rôle de l interrupteur : en le frottant sur les dents de la lime, le circuit s ouvre et se ferme constamment, et on peut observer les étincelles de rupture. Conclusion : La bobine se comporte de manière inattendue à l ouverture et à la fermeture du circuit électrique, donc lorsque l intensité du courant électrique varie : o la bobine s oppose à une augmentation ou diminution du courant électrique o la bobine se comporte alors comme un générateur o la bobine peut emmagasiner de l énergie électrique, qu elle libère lorsqu on ouvre le circuit! ces expériences suggèrent d étudier la bobine en courant alternatif sources images : Physique Terminales C.E (Fontaine, Paul, Tomasino) Nathan Oscillations électriques la bobine page 3

4 b) La bobine en courant alternatif : inductance et loi d Ohm Les expériences précédentes suggèrent que la bobine se comporte de manière inattendue, lorsque l intensité du courant électrique dans le circuit varie. Pour étudier ce comportement de manière plus précise, réalisons le montage suivant, en utilisant une bobine de résistance interne r négligeable : Un générateur de basse fréquence délivre une tension en dents de scie. On observe alors sur la voie 1 de l oscilloscope la tension u AB aux bornes de la bobine (de résistance interne r négligeable). Sur la voie 2 de l oscilloscope, on aimerait visualiser l intensité en fonction du temps. Rappelons que l oscilloscope permet uniquement de visualiser des tensions Or, en remarquant que u CB = r'"i on constate que la tension affichée sur l oscilloscope est égale à l intensité i pour r = 1!!! Finalement, on observe donc les grandeurs suivantes sur l oscilloscope : o voie 2 : intensité i Observations : o voie 1 : tension u AB l intensité dans le circuit varie en dents de scie, entre +I et 0, avec une période T (cf figure) la tension aux bornes de la bobine est en forme de créneaux la tension aux bornes de la bobine dépend o de la période T, donc de la rapidité avec laquelle l intensité dans le circuit varie o de l intensité maximale I atteinte Oscillations électriques la bobine page 4

5 I max T 2 T +U max +U max Etude expérimentale et conclusions : T en s I max en A U max en V Oscillations électriques la bobine page 5