Séquence 13 : mesure des tensions alternatives Cours niveau troisième Objectifs : - Comprendre les courbes affichées par un oscilloscope (oscillogramme) - Savoir mesurer la fréquence d une tension périodique - Connaître l unité de la fréquence : le hertz (Hz) - Connaître et savoir utiliser la relation entre la fréquence (f) et la période (T) - Connaître les caractéristiques de la tension du secteur - Savoir utiliser un voltmètre en mode alternatif (mesure tension efficace) Voir également votre manuel pages 179 à 185 Rappels : ce que vous savez déjà - La tension est notée U et s exprime en volt (V) - L intensité du courant électrique est notée I et s exprime en ampère (A) - La résistance électrique d un dipôle est notée R et s exprime en ohm (Ω) - La loi d Ohm est U=RI - une tension est périodique si un motif élémentaire se répète à intervalle de temps régulier - une tension est alternative si elle est alternativement positive puis négative Définitions Fréquence : nombre de périodes en une seconde. Elle se note f et s exprime en hertz (Hz). Oscillogramme : courbe obtenue sur l écran d un oscilloscope. Période : durée au bout de laquelle un phénomène périodique se répète. Elle se note T et s exprime en seconde (s). Sinusoïde : courbe plane représentant les variations du sinus d'un angle. Tension continue : tension dont la valeur est constante au cours du temps. Tension variable : tension dont la valeur change au cours du temps. Collège des Tilleuls Annecy Page 1 sur 9 Physique - Chimie
Tension périodique : tension variable dont la valeur se répète régulièrement au cours du temps. Tension alternative : tension variable qui prend alternativement des valeurs positives et négatives. On définit une tension alternative par sa valeur maximum notée U max, sa période T (ou sa fréquence f) et par sa forme. Valeur efficace : elle se mesure avec un voltmètre, elle est plus petite que la valeur maximale. La valeur efficace d un courant ou d'une tension, variable au cours du temps, correspond à la valeur du courant continu ou de la tension continue produisant un échauffement identique dans une résistance. Valeur maximale : elle se mesure à l aide d un oscilloscope. Situation Sur un vélo, pour alimenter les lumières, on peut soit utiliser une dynamo soit utiliser des piles. Observons sur l écran d un oscilloscope l allure des tensions délivrées. Pile Dynamo Observations : Fréquence (f) et période (T) La période est la durée du motif élémentaire d un phénomène qui se répète identique à lui-même. La période se note T et s exprime en seconde (s). La fréquence est le nombre de périodes par seconde. La fréquence se note f et s exprime en hertz (Hz). La relation liant la période (T) et la fréquence (f) est : f = 1 T que l on peut écrire aussi T = 1 f Entrainement : Quelle est la durée élémentaire d un signal de fréquence 50 Hz? Collège des Tilleuls Annecy Page 2 sur 9 Physique - Chimie
La fréquence de la note la est 440 Hz, quelle est sa période? On mesure 70 battements de cœur par minute chez un adulte au repos. A quelle fréquence bat son cœur? Quelle est la fréquence de l alternance jour/nuit? Aux Etats-Unis, la période de la tension électrique du secteur est 0,0167s, quelle est la fréquence de cette tension? Les oscillogrammes L oscillogramme est ce que l on peut voir sur l écran de l oscilloscope. Un oscilloscope est un appareil de mesure qui permet de visualiser l évolution au cours du temps de tensions rapidement variables. L axe vertical de l écran constitue l axe des tensions. L axe horizontal de l écran constitue l axe du temps. Tensions positives Période Tensions négatives Motif élémentaire Collège des Tilleuls Annecy Page 3 sur 9 Physique - Chimie
La largeur ou la hauteur d un carreau définit une division. Horizontalement, une division correspond à un temps. Verticalement, une division, correspond à une tension. Sur un oscilloscope, on peut régler : - le balayage qui correspond à l échelle de temps. On attribue une certaine durée à la largeur d un carreau. Le balayage s exprime en seconde par division (s/div) ou encore en milliseconde par division (ms/div) - la sensibilité verticale qui correspond à l échelle des tensions. On attribue une certaine tension à la hauteur d un carreau. La sensibilité verticale s exprime en volt par division (V/div) Pour mesurer une période, il faut repérer un motif élémentaire, mesurer le nombre de divisions occupées par ce motif et multiplier ce nombre par le balayage. Par exemple si un motif élémentaire occupe la largeur de 5 carreaux et que le balayage est de 2s/div alors la période T = 5 x 2 = 10 s Pour mesurer une tension maximale (U max ), il faut repérer la position maximale (la plus en haut) du signal ; mesurer le nombre de carreaux entre cette position maximale et l axe horizontal (qui correspond à une tension nulle). Il faut ensuite multiplier ce nombre par la sensibilité verticale. Par exemple si la position maximale se trouve 3 carreaux au dessus de l axe horizontal et que la sensibilité verticale est 2V/div alors U max = 3 x 2 = 6V Entrainement : On réalise le montage ci-dessous : Le signal obtenu est-il périodique? Si oui, surlignez un motif élémentaire et mesurer la période (T) (pensez à convertir les millisecondes en secondes). Collège des Tilleuls Annecy Page 4 sur 9 Physique - Chimie
Quelle est la tension maximale (U max )? Entrainement : Pour les trois oscillogrammes ci-dessus, le balayage est 0,5 s/div et la sensibilité verticale est 2V/div. Pour les signaux ci-dessus, indiquez lorsque cela est possible, la valeur de la période ainsi que la tension maximale. Oscillogramme 1 2 3 Période Tension maximale Les tensions alternatives périodiques 1 2 3 Etudier les oscillogrammes suivants et remplir le tableau. 1 2 3 4 5 6 7 8 Collège des Tilleuls Annecy Page 5 sur 9 Physique - Chimie
Continue Variable Alternative Périodique Sinusoïdale Triangle Carré Autre forme 1 2 3 4 5 6 7 8 La tension du secteur en France Voici un oscillogramme représentant la tension du secteur (celle que l on trouve dans les prises électriques à la maison). Le balayage est 5 ms/div. Maxime Humm se demande pourquoi sur le chargeur de son portable il est indiqué 50Hz. A l aide des informations ci-dessus, proposer une réponse. Observer l oscillogramme correspondant à la tension du secteur et entourer dans la liste suivante les qualificatifs appropriés : Continue périodique alternative négative positive triangle carrée sinusoïdale. Collège des Tilleuls Annecy Page 6 sur 9 Physique - Chimie
Conclusion : La tension du secteur est alternative, sinusoïdale de fréquence 50Hz. La valeur efficace Nous avons vu dans les paragraphes précédents qu un oscillogramme permet notamment de faire une mesure de la tension maximale (U max ). Si l on veut connaître la valeur de la tension efficace (U eff ), il ne faut pas utiliser un oscilloscope mais un voltmètre en mode alternatif. Quelques rappels sur le fonctionnement du multimètre : Mode voltmètre tensions continues Mode voltmètre tensions alternatives Mode ampèremètre Borne de branchement pour les modes voltmètre et ohmmètre Borne de branchement commune à tous les modes Les symboles sont : Multimètre Mode ohmmètre Borne de branchement pour le mode ampèremètre Un voltmètre doit être branché en dérivation : V Un ampèremètre doit être monté en série : A Pour mesurer la résistance d un dipôle, le dipôle doit être branché directement aux bornes de l ohmmètre : Ω Lorsque l on effectue une mesure de tension en utilisant le mode voltmètre alternatif, la valeur affichée sur le voltmètre est la tension efficace. Collège des Tilleuls Annecy Page 7 sur 9 Physique - Chimie
Expérience : Prenons un générateur pouvant délivrer une tension alternative périodique. Faisons varier la tension et mesurons à l aide d un oscilloscope la tension maximale et à l aide d un multimètre la tension efficace. Montage : Résultats : U max (V) U eff (V) U max / U eff Observation : Remarque : Les tensions indiquées sur les appareils électriques sont les tensions efficaces. Conclusion : Collège des Tilleuls Annecy Page 8 sur 9 Physique - Chimie
A retenir : - La période (T) correspond à la durée du motif élémentaire, elle s exprime en secondes (s) - La fréquence (f) correspond au nombre de périodes par seconde, elle s exprime en hertz (Hz) - La relation entre la fréquence et la période est f=1/t - Sur un oscillogramme, on peut voir l évolution de la tension au court du temps - On mesure la période sur un oscillogramme en mesurant la durée d un motif élémentaire - On peut mesurer la tension maximale sur un oscillogramme - La tension du secteur est alternative, périodique et sinusoïdale - Pour mesurer la tension efficace, il faut utiliser un voltmètre en mode alternatif - La tension efficace est proportionnelle à la tension maximale QCM d entrainement : 1 Aucun réglage n est nécessaire sur l oscilloscope pour obtenir un oscillogramme correct 2 On peut lire la valeur maximale d une tension alternative sur un oscillogramme 3 On peut lire la valeur maximale d une tension alternative sur un voltmètre utilisé en mode alternatif 4 On peut lire la valeur de la tension efficace sur un voltmètre utilisé en mode alternatif 5 La fréquence de la tension du secteur est 50 Hz en France 6 Le balayage s exprime en secondes par division (s/div) 7 La sensibilité verticale s exprime en seconde par division (s/div) 8 La tension du secteur est continue 9 La tension délivrée par une pile est continue 10 La tension du secteur est périodique Fin Vrai Faux Collège des Tilleuls Annecy Page 9 sur 9 Physique - Chimie