Physique, chapitre 8 : La tension alternative 1. La tension alternative 1.1 Différence entre une tension continue et une tension alternative Une tension est dite continue quand sa valeur ne change pas. Une tension est dite alternative quand sa valeur et son signe changent. 1.2 Représentation graphique d'une tension alternative A l aide d un voltmètre et d un chronomètre, on peut représenter une tension alternative en traçant la valeur de la tension u (en V) en fonction du temps (en s). On obtient une courbe périodique (un élément se reproduit sans cesse). Son aspect en forme de «vague» est appelé sinusoïdale. Nous avons donc ici, une tension alternative (+ +...) périodique et sinusoïdale. Une tension maximale : c est la plus haute valeur prise par la tension. On la note umax. Son unité est le volt. Sur l exemple, elle vaut : umax = 5,22 V Une période : c est la durée entre deux événements identiques. On la note T. Son unité est la seconde. Sur l exemple, elle vaut : T = 130s Une fréquence : c est le nombre d événements identiques par seconde. On la note f. Son unité est le Hertz. Sur l exemple, elle vaut : f = 1/T = 1/130 = 0,007 Hz 1.3 l'oscilloscope : un voltmètre particulier Un oscilloscope permet de visualiser directement une tension alternative. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 1/6
1.4 Analyse d'un oscillogramme Pour chaque oscillogramme, cherchons la tension maximale umax, la période T et la fréquence f. 1. Oscillogramme 1 umax = 2,5 carreaux (DIVision) = 2,5 x 20mV = 50 mv T = 4 carreaux (DIVision) = 4 x 20 μs = 80 μs = 80.10 6s f = 1/T = 1/ 80.10 6 = 12500 Hz 2. Oscillogramme 2 umax = 2 carreaux (DIVision) = 2 x 0,5 V = 1 V T = 4 carreaux (DIVision) = 4 x 20 ms = 80 ms = 80.10 3s f = 1/T = 1/ 80.10 3 = 12,5 Hz 3. Oscillogramme 3 umax = 2,8 carreaux (DIVision) = 2,8 x 0,2V = 0,56V T = 4 carreaux (DIVision) = 4 x 10 μs = 40 μs = 40.10 6s f = 1/T = 1/ 40.10 6 = 25000 Hz 4. Oscillogramme 4 umax = 3 carreaux (DIVision) = 3 x 0,1V = 0,3 V T = 4 carreaux (DIVision) = 4 x 2 ms = 8 ms = 8.10 3s f = 1/T = 1/ 8.10 3 = 125 Hz 5. Oscillogramme 5 umax = 2 carreaux (DIVision) = 2 x 5V = 10 V T = 4 carreaux (DIVision) = 4 x 0,5 ms = 2 ms = 2.10 3s f = 1/T = 1/ 2.10 3 = 500 Hz 6. Oscillogramme 6 umax = 3 carreaux (DIVision) = 3 x 0,2V = 0,6V T = 2 carreaux (DIVision) = 2 x 1s = 2s f = 1/T = 1/ 2 = 0,5 Hz M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 2/6
1.5 Production d'une tension alternative Pour fabriquer une tension alternative, il suffit de faire tourner un aimant devant une bobine. Plus l aimant tourne vite, plus la fréquence est importante. Plus la bobine ou l aimant est puissant, plus la tension maximale est grande. La bobine et l aimant sont appelés l alternateur. Un alternateur convertit donc une énergie primaire en énergie électrique. Il faut donc trouver des sources d énergie pour faire tourner le rotor de l alternateur. centrale Thermique Thermique hydroélectrique fossile nucléaire qu'est ce qui La vapeur fait tourner d eau l'alternateur? Source d énergie La vapeur d eau Combustion Fission de du pétrole, l uranium gaz l eau liquide éolienne Le vent biomasse La vapeur d eau solaire Ne fonctionne pas avec un alternateur! Mouvement Mouvement Combustion d eau liquide de l air de déchets (barrage, marée, (vent) organiques courant sous marin) Energie non renouvelable non part en % dans la production française (2010 EDF) 10,30% 74,80% 12,00% 1,70% 1,10% 0,10% avantages Facile à faire fonctionner bon rendement Pas de CO2 bon rendement coût faible Pas de CO2 bon rendement facile à faire fonctionner Pas de CO2 Facile à faire Pas de fonctionner CO2 bon rendement inconvénients Pollution au Pollution par construction non CO2 déchets écologique radioactifs ressources limitées ressources limitées coût bruit Pollution au Coût CO2 rendement faible rendement faible M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 3/6
2. Energie et puissance 2.1 Energie électrique L énergie peut être définie comme une capacité à agir. Son unité est le Joule. Nous connaissons déjà : l Ec : énergie cinétique qui est acquise par un objet en mouvement l Ep : énergie de position qui est acquise par un objet en hauteur Ces deux énergies étant les deux faces de l Em (énergie mécanique) l Echi : l énergie chimique qui est développée lors d une transformation chimique l Eth : énergie thermique qui est transportée par la chaleur l Eé : énergie électrique qui est transportée par le courant électrique l Eray : énergie de rayonnement due à la lumière Par exemple, pour une lampe, il y a la conversion suivante : Eé > lampe > Eray + E th Chaque appareil électrique va donc transformer l énergie électrique reçue en une autre forme d énergie. 2.2 Puissance électrique La puissance électrique est l énergie consommée par seconde. On la note P. Son unité est le Watt (W). Par exemple, Ordre de grandeur de la puissance électrique lave vaisselle 2500 W robot ménager 400 W lave linge 2200 W congélateur 200 W éclairage De 20W à 100 W réfrigérateur 200 W chauffe eau 800 W télévision 150 W fer à repasser 800 W DEL 0,03W Puisque la puissance est l énergie par seconde, on peut écrire sous forme mathématique : P = E/t où P est en Watt, E en Joule et t en seconde. Exemple de puissance totale dans une chambre : P = réveil + ordi + lampe + hifi = 20 + 200 + 100 + 500 = 820 W Quelle énergie consomme cette chambre en 2 heures? Nous allons utiliser l unité d EDF, le Wh. E = P x t = 820W x 2h = 1640 Wh sachant d un Wh vaut en moyenne 0,00011, le prix à payer est de : 1640 x 0,00011 = 0,18 Exemple pour l utilisation d un télévision de 150W (15W en veille) : TV allumée 2 heures : E = 150 x 2 = 300 Wh d où le prix : 300x 0,00011 = 0,033 TV en veille 22 heures : E = 15 x 22 = 330 Wh d où le prix : 0,036!!! Il serait peut être intéressant d éteindre totalement la télévision! 2.3 La facture d'électricité Il existe un abonnement de puissance ( 6kW, 9kW...). Il faut payer la consommation et les taxes. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 4/6
3. La structure d'une installation domestique 3.1 La tension du secteur La tension fournie par le secteur est : alternative, sinusoïdale, de tension maximale 320V de période 20ms de fréquence 50 Hz et de tension efficace, mesurée au voltmètre, 230V! La tension efficace, ueff, est un moyen pratique de travailler sur des tensions alternatives : on imagine une valeur continue qui aurait les mêmes effets qu une tension alternative. Remarque : umax et ueff sont proportionnelles pour la tension du secteur. 3.2 Installation domestique 30000V 100000V 230V 0V phase disjoncteur compteur alternateur maison Transformateurs électriques Centrale électrique neutre terre Lave linge M La prise de terre «dévie» le courant de fuite dans le sol. Le disjoncteur coupe le courant en cas de fuite. Dans chaque habitation (appartement, pavillon), l installation domestique est commandée par un disjoncteur général. Si ce disjoncteur est aussi différentiel, il est associé à une prise de terre et joue un rôle de protection pour les personnes. La mise à la terre ou prise de terre consiste à connecter les carcasses métalliques des appareils à la terre par l intermédiaire d un câble électrique (gaine isolante jaune et vert) dont l extrémité est reliée à un pieu ou à une grille enfe dans le sol. Si un contact accidentel se produit entre le fil de phase et la carcasse métallique, une partie du courant (appelé courant de fuite) s évacue vers le sol grâce à la prise de terre. Une prise de terre de bonne qualité doit offrir beaucoup moins de résistance au passage du courant que le corps humain. La prise de terre n est une protection efficace que parce qu elle est complétée par la présence du disjoncteur différentiel. En effet, lorsqu un courant de fuite apparaît, il existe une différence entre l intensité du courant qui traverse le fil de phase et celle du courant qui traverse le fil neutre ; dès que le disjoncteur différentiel détecte une telle différence, il ouvre le circuit général. Les disjoncteurs différentiels généraux détectent des courants de fuite de l ordre de 500 ma. Des disjoncteurs différentiels «haute sensibilité» capable de détecter des courants de fuite de 30mA viennent, en complément, améliorer la protection dans les bâtiments neufs construits depuis le 13 mai 1991. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 5/6
3.3 Les dangers de l'électricité Le corps humain est conducteur donc, si une tension est appliquée accidentellement entre deux points de celui ci, un courant électrique le traverse en partie. L intensité de ce courant dépend notamment de l individu (âge, état de santé,...), de la qualité des contacts (peau sèche, peau humide,...). Les effets d un courant électrique sur le corps humain dépendent de son intensité, de la durée de l électrisation (une personne est électrisée quand elle est traversée par un courant électrique, elle est électrocutée lorsqu il y a décès) et de la nature du courant (un courant alternatif est plus dangereux qu un courant continu). Le graphique donne les effets d un courant alternatif de fréquence voisine de 50Hz qui traverse le corps d une personne en fonction de la durée. Cas d une multiprise : P = lampe + ordi + radio + frigo + microonde + lave linge = 50+300+50+200+800+2500 = 3900 W La multiprise peut résister à 10 A maximum. Il existe une relation entre la puissance, la tension et l intensité : P = U x I où P est en Watt, U en Volt et I en Ampère. D où I = P/U = 3900/230 = 17 A!!! La multiprise risque de fondre! Pour protéger contre les surintensités, il existe des disjoncteurs thermiques qui coupent le courant ou des fusibles qui fondent avant le reste. M Ischan I, professeur au collège Agrippa d'aubigné 6/6