Les courants électriques dans la maison ou dans l entreprise

Les courants électriques dans la maison ou dans l entreprise C H A P I T R E 33 OBJECTIFS DU CHAPITRE Savoir distinguer entre une tension continue et une tension alternative. Connaître les caractéristiques d une tension sinusoïdale et savoir déterminer graphiquement la tension maximale et la période de cette tension. Savoir que la tension du secteur en France est alternative sinusoïdale avec f = 0 Hz et U eff = 30 V. Savoir utiliser les relations U max = U eff et T =. f QUESTIONS. Quelle est la nature du courant délivré par la prise de courant qui alimente le poste de télévision?. Quelle est la nature du courant délivré par les piles qui alimentent la télécommande? Réponses à la page 48 37

Activité DISTINGUER UNE TENSION ALTERNATIVE SINUSOÏDALE D UNE TENSION CONTINUE Matériel Un générateur de courant alternatif Une batterie Un oscilloscope Un rhéostat Une résistance Des fils de connexion MOD E OPÉRATOI R E E.. Réglez l oscilloscope sur les calibres suivants: base de temps: ms / division; tension: V / division.. Réalisez le circuit ci-contre, pour brancher et régler l oscilloscope. a) Reliez les bornes rouge et noire de l entrée (CH) de l oscilloscope aux bornes de la résistance. b) Vérifiez que les commutateurs indiquent tous «CH». A 3. Faites vérifier le circuit et les réglages par le professeur. OSCILLOSCOPE 4. Reliez le cordon d alimentation du générateur au secteur.. Allumez l oscilloscope. 6. Allumez le générateur. 7. Fermez le circuit. 8. Représentez sur le schéma ci-contre la trace que vous observez sur l écran de l oscilloscope. 9. Ouvrez le circuit, éteignez l oscilloscope.. Remplacez, dans le circuit, le générateur par la batterie. A. Faites vérifier le circuit et les réglages par le professeur.. Allumez l oscilloscope, puis le générateur. 3. Fermez le circuit 4. Représentez sur le même schéma qu au point 8. la trace que vous observez sur l écran de l oscilloscope.. Ouvrez le circuit. 6. Éteignez l oscilloscope. G 6V OB S E RVATION E. Lorsque le circuit est alimenté par le générateur, on voit une sinusoïde l écran de l oscilloscope. Lorsque le circuit est alimenté par la batterie, on voit une droite sur l écran de l oscilloscope. CONCLUS ION E. Lorsque le circuit est alimenté par le générateur, le courant qui parcourt le circuit est un courant alternatif : la trace observée sur l écran de l oscilloscope est une sinusoïde. On notera que la tension est dite alternative, car elle est alternativement positive, puis négative. Lorsque le circuit est alimenté par la batterie, le courant qui parcourt le circuit est un courant continu. : la trace observée sur l écran de l oscilloscope est une droite. sur 38 3

Activité APPRENDRE A MESURER UNE TENSION MAXIMALE À L OSCILLOSCOPE MÉTHODE Mesure d une tension maximale. Centrez verticalement la courbe obtenue sur l oscilloscope. Les points les plus hauts et les points les plus bas doivent être à égale distance de l axe horizontal.. Mesurez sur l écran de l oscilloscope la distance (nombre de carreaux) entre l axe horizontal et un sommet de la sinusoïde. Sur le schéma:,8 carreaux. 3. Relevez le calibre des tensions sur l oscilloscope. Sur le schéma: volts par carreau. 4. Calculez la tension maximale en effectuant le produit des deux grandeurs précédentes. Tension maximale: U max =,8 = 4 V. U max U max Écran de l'oscilloscope V... mv 0 0 CAL Bouton de réglage du calibre des tensions 3 4 Déterminez la tension maximale indiquée par l oscillogramme ci-contre si le calibre des tensions indique V par division. U max = 3 = 6 V Déterminez la tension minimale indiquée par l oscillogramme ci-contre. U min = 6 V Que pouvez-vous dire de ces deux tensions? Les tensions ont la même valeur absolue. Un oscillogramme et le bouton des calibres des tensions ont été reproduits ci-dessous. a) Quel est le calibre des tensions utilisé? 0, V/div V.. mv 0 0 CAL b) Calculez la valeur de la tension maximale observée. U max = 3,4 0, = 0,68 V. C H A P I T R E 3 Les courants électriques dans la maison ou dans l entreprise 4 39

Activité 3 DISTINGUER TENSION EFFICACE ET TENSION MAXIMALE Matériel Un générateur de courant Un oscilloscope Un rhéostat Un multimètre connecté en voltmètre Une résistance Des fils de connexion MOD E OPÉRATOI R E E.. Réglez le générateur pour qu il délivre une tension OSCILLOSCOPE alternative de 6 V.. Réglez l oscilloscope sur les calibres suivants: base de temps: ms / division; tension: V / division. 3. Réalisez le circuit ci-contre. 4. Réglez le multimètre en voltmètre sur le calibre G «tension alternative de 0 V». 6V A. Faites vérifier le circuit et les réglages par le professeur. 6. Reliez le cordon d alimentation du générateur au secteur. V 7. Allumez l oscilloscope. 8. Allumez le générateur. 9. Centrez verticalement la courbe obtenue sur l oscilloscope. Les points les plus hauts et les points les plus bas doivent être à égale distance de l axe horizontal.. Placez le curseur du rhéostat de manière à lire sur le voltmètre la plus grande valeur possible de la tension.. Choisissez 6 positions différentes du curseur, réparties sur toute la longueur du rhéostat. Pour chaque position du curseur, notez dans le tableau: a) la tension maximale (U max ) que vous calculerez à partir de ce que vous observez sur l écran de l oscilloscope; b) la valeur de la tension efficace (U eff ) lue sur le multimètre. U. Calculez les rapports max. Chaque résultat sera donné au dixième. Notez-les Ueff dans le tableau. U max (V) 8,48 7,07,66 4,4,83,4 U eff (V) 6 4 3 U max Ueff,4,4,4,4,4,4 OB S E RVATION E. U max Ueff Les rapports sont égaux. U max Ueff De quelle valeur les rapports sont-ils le plus proches? 0,7; ; ; ;,; π. CONCLUS ION E. Les valeurs des tensions lues sur le voltmètre et les valeurs des tensions maximales déterminées à l oscilloscope sont proportionnelles. On appellera désormais tension efficace la valeur de la tension lue sur le voltmètre. La relation entre la tension maximale et la tension efficace est U max = U eff. En France, la tension du courant délivrée aux utilisateurs a pour valeur efficace 30 V. Pour vérifier cette valeur un électricien utilise un voltmètre. 40

Activité 4 APPRENDRE À MESURER LA PÉRIODE D UNE TENSION SINUSOÏDALE À L OSCILLOSCOPE MÉTHODE Mesure d une tension maximale. Relevez la distance entre deux sommets consécutifs de la sinusoïde. Sur le schéma: 4 carreaux. Il est possible de mesurer d autres distances sur l écran pour déterminer la période (voir schéma).. Relevez le calibre de la base de temps sur l oscilloscope. Sur le schéma: 0 ms par carreau. 3. Calculez la période en effectuant le produit des deux grandeurs précédentes. Période: T = 4 0 = 80 ms T = 0,080 s. T T ms... 0 µs 0 0 0. 0. 00 X-Y Bouton de réglage du calibre de la base de temps T Écran de l'oscilloscope Déterminez la période du signal représenté ci-contre si la base de temps est réglée sur 0, ms par division. T = 6 0, = 3 T = 3 ms T = 0,003. s Un oscillogramme et le bouton de réglage de la base de temps ont été reproduits ci-dessous. ms... 0 µs 0 0 0. 0. 00 X-Y a) Quel est le calibre de la base de temps utilisé? 0 ms / div b) Calculez la période du signal représenté ci-dessus. T = 0 = 00 ms T = 0, s. C H A P I T R E 3 Les courants électriques dans la maison ou dans l entreprise 6 4

Activité ÉTABLIR LA RELATION ENTRE LA PÉRIODE ET LA FRÉQUENCE Matériel Un générateur de fréquences (GBF) Un oscilloscope Des fils de connexion MOD E OPÉRATOI R E E.. Reliez les bornes rouge et noire de l entrée (CH) de l oscilloscope à la sortie (OUTPUT) du générateur de fréquences. GBF M 0k k k 0 INV -0dB MHz khz Hz Générateur de fréquences (GBF) OSCILLOSCOPE. Réglez l oscilloscope sur les calibres suivants: base de temps: ms / division; tension: V / division. 3. Réglez le générateur de fonctions de la façon suivante: a) tournez le bouton d amplitude du signal au maximum; b) appuyez sur le bouton afin d obtenir un signal sinusoïdal; c) appuyez sur le bouton de calibre de fréquences correspondant à 0 Hz. 4. Faites vérifier le circuit et les réglages par le professeur.. Allumez l oscilloscope. 6. Allumez le générateur de fonctions. 7. Réglez le générateur de fonction de manière à obtenir un signal de fréquence 0 Hz. 8. Déterminez la valeur de la période du signal observé sur l écran sur l oscilloscope. 9. Convertissez cette valeur en seconde et notez-la dans le tableau.. Répétez les étapes 7 à 9 pour toutes les valeurs des fréquences indiquées dans le tableau.. Pour chaque valeur des fréquences f, figurant dans le tableau, calculez et complétez le tableau. f f (Hz) 0 0 0 00 70 00 0 0 f. 4. 3. 3,33. 3 3 8. 4 6,67. 4 T(s). 4. 3. 3,33. 3 3 8. 4 6,67. 4 OB S E RVATION E. Les valeurs de la période T (en seconde) et de l inverse de la fréquence f sont égales. CONCLUS ION E. La période T d un signal sinusoïdal exprimée en seconde (s) et la fréquence f de ce signal exprimée en hertz (Hz) sont liées par la relation: T =. f 4 7

Activité 6 UTILISER DES ADAPTATEURS DE COURANTS Document Chargeur et adaptateur Les deux appareils représentés ci-dessous sont tous deux destinés à recharger des batteries, qui alimentent en courant continu des appareils domestiques. L utilisation d un chargeur nécessite un transfert de la batterie de l appareil vers le chargeur alors qu un adaptateur permet de laisser la batterie en place. Chargeur de batterie d une perceuse vendue en France pour une utilisation sur le territoire national + Entrée/Input : 0-40V 60W 0 Hz Sortie/Output : 4,4 V,6 A T, A AC_POWER ADAPTER + 9,V INPUT/ENTRADA/ENTREE : AC 0-40 V HB- ES60 8A.3A (,3 A) 0/60 Hz OUTPUT/SALIDA/SORTIE : 9.V (9,V) V 4,7A ATTENTION UTILISER AVEC DU MATERIEL INFORMATIQUE SEULEMENT ENDAST FÖR KONTORSMASKIN FOR USE WITH INFORMATION TECHNOLOGY EQUIPMENT PRECAUTION PARA USO DE TECNOLOGIA DE LA INFORMATION DC S + Ni-MH & Ni-Cd 7,-4,4V Adapteur secteur pour un ordinateur portable utilisable en France et dans le monde entier À l aide du schéma du chargeur du document, répondez aux questions suivantes. a) Quelle est la nature du courant distribué en France? Quel symbole indique la nature de ce courant? Un courant alternatif sinusoïdal. Le symbole en est ~. b) Quelles sont les valeurs indiquées pour la tension de ce courant électrique? Les valeurs indiquées sont-elles des valeurs maximales ou des valeurs efficaces? 30 V et 40 V. Ce sont des tensions efficaces. c) Quelle est la fréquence du courant distribué en France? Quelle est sa période? f = 0 Hz ; T = 0,0 s d) De quelle protection la ligne qui alimente le chargeur doit-elle être équipée? Quel doit être le calibre de cette protection? D une cartouche coupe-circuit de calibre, A. e) Quelle est la nature du courant électrique qui charge la batterie (sortie)? Quelle est la tension de ce courant? Quelle est son intensité? Un courant continu de tension 4,4 V et d intensité, A. Observez l adaptateur secteur de l ordinateur portable et répondez aux questions suivantes. a) Indiquez la valeur minimale de la tension efficace nécessaire à l utilisation de l adaptateur. Quelle est alors la valeur de la tension maximale? Valeur minimale de la tension efficace : 0 V. U max = 4,4 V. b) En France, la fréquence du courant électrique distribué aux usagers est de 0 Hz. L adaptateur permet de recharger les batteries de l ordinateur à partir d un courant électrique possédant une autre fréquence; quelle est cette fréquence? Quelle est la période correspondante? f = 60 Hz ; T =,67. s = 6,7 ms. c) Quelle est la nature du courant délivré par la batterie de cet ordinateur portable? Un courant continu. C H A P I T R E 3 Les courants électriques dans la maison ou dans l entreprise 8 43

EXERCICES EXERCICES Testez vos connaissances Cochez la (ou les) réponse(s) correcte(s). 3 4 6 Une batterie délivre une tension: sinusoïdale alternative x continue Le signal laissé sur l écran d un oscilloscope par une tension continue est: x une droite une sinusoïde une parabole En quelle unité s exprime la période? x En seconde En hertz En volt par division En France, la fréquence du courant alternatif du secteur est: 60 Hz x 0 Hz 400 Hz La période d une tension alternative sinusoïdale de fréquence 0 Hz est: x ms s µs d Sur l oscillogramme représenté ci-dessus, la distance d est proportionnelle à: la fréquence la période x la tension maximale 7 8 9 Lorsque vous utilisez un oscilloscope, le bouton de réglage de la base de temps permet: de changer la fréquence du signal de mesurer la tension maximale x d optimiser la mesure de la période ms... 0 µs 0 0 0. 0. 00 X-Y Le bouton de réglage de la base de temps d un oscilloscope représenté ci-dessus indique qu une division représente: x. ms ms. s Pour mesurer une tension efficace, on utilise: x un voltmètre un oscilloscope un tensiomètre Une tension efficace de 0 V correspond à une tension maximale de: x 3 V V 38 V Une période et une fréquence sont liées par la relation: f = T x T = f T = f La valeur efficace d une tension alternative sinusoïdale est: négative nulle x positive CHAPITRE 3 Les courants électriques dans la maison ou dans l entreprise 9 4

Corrigés des exercices EXERCICES 3. 30 V est une tension efficace en volt ; 0 Hz. Adaptateur est une fréquence en hertz. 4. Le courant est un courant alternatif, le symbole ~ permet de l affirmer. Tension maximale : U max =U eff ; U max = 30 ; U max = 3,7 V. Fréquence : f = /T ; T = 0,00 s ; f = 0 Hz. T = / f ; T = / 60 ; T = 0,067 s ; T = 6,7 ms. U max =U eff ; U eff =U max / ; U eff = 4,4 / ; U eff = 0 V. a) La tension est une tension alternative, périodique et sinusoïdale. b) U max = 3,3 = 6, V. c) T = 4 = 0 ms ; T = 0,00 s. d) f = / 0,00 = 0 Hz.. Adaptateur a) La tension est une tension continue. b) La valeur de la tension est U =,4 = V. 3. Seul l adaptateur fonctionne correctement car c est le seul qui délivre en sortie une tension continue. 6 7 8 9 0 T = 0,00 s ; f = / T ; f = / 0,00 = 400 Hz.. Tension maximale : U max = 6,8 V.. Période du courant : T = 0,00 s ; T =, ms. 3. Intervalle de temps entre C et D : 0,003 70 0,00 0 = 0,00 s. 4. L intervalle de temps entre C et D est égal à la période.. Les tensions observées sont des tensions alternatives sinusoïdales..a) Valeur maximale et efficace des tensions : U max =, = V U eff = / = 3,4 V U max = 3, 0, =,7 V U eff =,7 / =,4 V U max = 3 = V U eff = / =,6 b) T = 4 = 0 ms T = 0,00 s T = 6 0, = 3 ms T = 0,003 s T = 0,, =, ms T = 0,00 s f = / 0,00 = 0 Hz f = / 0,003 = 333,33 Hz f = / 0,00 = 909,09 Hz Tension maximale du courant : U max = 3 = V. Tension efficace du courant : U eff =U max / U eff = / =,6 V. Période du courant : T = 4 = 0 ms ; T = 0,00 s. Fréquence du courant : f = / T ; f = / 0,00 = 0 Hz.. La tension observée par Élise est une tension continue.. Valeur de la tension : U =,4 = 4,8 V. 3. Élise a branché l oscilloscope à la sortie du chargeur, car elle a observé l oscillogramme d une une tension continue. 3 4. L agent a utilisé un voltmètre, il mesure une tension efficace.. Avec un oscilloscope, il aurait déterminé une tension maximale de valeur : U max = 4 = 33,94 V.. Calibre choisi pour la base de temps : ms/div.. Signal : T = 4 = 0 ms ; T = 0,00 s. Signal = : T = 4 = 0 ms ; T = 0,00 s. 3. Fréquence des signaux et : f = / T f =f = / 0,00 = 0 Hz. 4.a) Calibre des tensions à l entrée du transformateur : V / div. b) Calibre des tensions à la sortie du transformateur : V / div..a)tension maximale U max du courant à l entrée du transformateur : U max = 3, = 7, V. b) Tension maximale U max du courant à la sortie du transformateur : U max =,8 = 3,6 V. 6.a)Tension efficace U eff du courant à l entrée du transformateur : U eff = 7, / =,37 V. b) Tension efficace U eff du courant à la sortie du transformateur : U eff = 3,6 / =, V. 7. U max / U max = 3,6 / 7, = 0,06 et f = 0 Hz, le transformateur est commercialisable.. U max représente une tension maximale et f une fréquence.. À l aide d un voltmètre on détermine une tension efficace. 3. Calibre des tensions lors de la mesure : U max = 6,4 V. 3, divisions représentent 6,4 V, une division représente V, le calibre des tensions est V/div. 46 30

EXERCICES 4. Période : f = 40 Hz ; T = 0,0 s ; T = ms.. Calibre de la base de temps lors de la mesure : T = ms. divisions représentent ms ; une division représente ms, le calibre des tensions est ms/div. RÉPONSES AUX QUESTIONS DE LA PAGE 37. Du courant alternatif.. Du courant continu. CHAPITRE 3 Les courants électriques dans la maison ou dans l entreprise 3 47