I - TENSION CONTINUE ET TENSION ALTERNATIVE
Mise en évidence
Expériences
a - On branche un générateur de tension continue sur un galvanomètre (appareil à zéro central qui détecte les faibles courants électriques) :
![Montage 1]()
Observation : L'aiguille du galvanomètre dévie dans un sens ...
... ou dans l'autre, si on inverse les bornes du générateur.
b - On réalise la même expérience avec un générateur de tension alternative de faible fréquence (nous reverrons ce terme) :
Observation : L'aiguille du galvanomètre oscille
CONCLUSION : Un courant continu, provoqué par une tension continue, circule toujours dans le même sens. Un courant alternatif est tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre.
c - Utilisation de l'oscilloscope
L'oscilloscope est un voltmètre (il mesure des tensions électriques) imageur (il affiche un point ou une courbe sur un écran)
En mode XY (nous reverrons ce terme dans le
TP sur l'oscilloscope) :
Le générateur de tension continue déplace le point.
Si on inverse les bornes, le point se déplace dans l'autre sens.
Le générateur de tension alternative produit un segment...
...ou un point qui oscille si la fréquence n'est pas trop élevée.
On arrive ainsi à la même conclusion qu'avec le galvanomètre.
Remarque : L'oscilloscope utilisé possède 2 voies (2 entrées). Sur les images précédentes, la déviation est horizontale. Toutefois, si on utilise l'autre voie, la déviation est verticale.
II - NATURE DU COURANT ELECTRIQUE
1 -
La structure de l'atome
L'atome est la brique de la matière, c'est à dire le constituant de base.
Ce cours met en évidence la notion d'éléments chimiques. Puis, dans le cours sur
la structure de la matière, nous découvrons que l'atome est constitué d'un noyau positif (qui contient des protons, électriquement positifs, et des neutrons, électriquement neutres), autour duquel évoluent les électrons (électriquement négatifs).
Les figures ci-dessous donnent une idée de ce qu'est un atome, mais on ne peut en avoir une représentation véritablement exacte :
2 -
Nature du courant électrique
C'est un
déplacement ordonné des
électrons libres d'un
conducteur.
Libre signifie qu'ils peuvent se déplacer (sauter) d'un atome à l'autre. Un
isolant ne possède pas d'électron libre, d'où sont incapacité à conduire le courant.
Ainsi, le "véritable" sens du courant, est celui des électrons : de la borne - vers la borne + (puisque les charges négatives sont attirées par les bornes positives).
Toutefois, le sens du courant a été découvert par André Marie AMPERE en 1820 alors que l'électron n'a été mis en évidence qu'en 1897. Ignorant la nature du courant électrique, Ampère avait
supposé que le courant allait du + vers le - ( il avait "une chance sur deux"). Mais comme cela ne change rien aux raisonnements ni aux calculs, il a été décidé internationalement de conserver le sens d'Ampère. Il est pour cela appelé
sens conventionnel.
Retenez :
Par convention, le courant continu circule de la borne + à la borne -.
3 -
Intensite du courant
Elle est liée à la quantité d'électrons qui passent par seconde (débit d'électrons). Elle se mesure en
ampères (symbole A) avec un
ampèremètre.
4 -
Tension électrique
C'est une "différence de hauteur" électrique, qui est responsable du courant électrique (de la même façon qu'une différence de hauteur crée l'écoulement d'un torrent ou d'une rivière). En conséquence,
pas de tension, pas de courant (donc pas d'intensité).
Pour que le courant soit alternatif, il faut que la différence de potentiel soit alternative. Le courant
évolue comme la tension.
La tension se mesure en
volts (V) avec un
voltmètre.
5 -
Exemples de générateurs de tension
Tension continue :
accumulateurs, piles, panneaux solaires, ...
Tensions alternatives :
secteur (prises de courant), alternateurs, ...
III - PRODUCTION D'UNE TENSION ALTERNATIVE
--- A faire ... ---
IV - CARACTERISTIQUES DES TENSIONS
Utilisation de l'oscilloscope en
mode balayage (voir le
TP sur l'oscilloscope) :
Dans ce mode de fonctionnement, l'axe horizontal représente le temps, l'axe vertical représente la tension. Ainsi, l'oscilloscope "déroule" la tension en affichant son évolution au cours du temps. Observons les oscillogrammes de quelques tensions :
Tension continue
(valeur constante au cours du temps) |
 |
| Tension sinusoïdale |
 |
| Tension triangulaire |
 |
| Tension carrée |
 |
| Autre tension |
 |
Les oscillogrammes précédents permettent de mettre en évidence deux grandeurs :
--> la hauteur du signal : c'est la valeur instantanée de la tension
--> certains signaux se reproduisent au bout d'un certain temps : ils sont dits périodiques.
1 -
Grandeurs électriques
a - Tension continue
Mesure au voltmètre : 5,07 V
Mesure à l'oscilloscope : La déviation est de 2,5 divisions vers le haut, et le calibre de 2V/division.
Donc l'oscilloscope mesure 2,5 x 2 = 5 V
Les valeurs sont identiques (l'oscilloscope est un peu moins précis).
b - Tension sinusoïdale
Mesure au voltmètre en position continu : 0 V
Mesure au voltmètre en position alternatif : 8,8 V
Mesure à l'oscilloscope : La déviation est de 2,5 divisions, et le calibre de 5V/division.
Donc l'oscilloscope mesure 2,5 x 5 = 12,5 V
Comment expliquer ces différences ?
--> Le voltmètre en continu cherche à afficher la tension à chaque instant. Mais comme celle-çi varie en permanence, et qu'il n'a pas le temps d'indiquer toutes les valeurs, il ne propose que la valeur moyenne : 0 V.
--> Il faut utiliser l'oscilloscope pour obtenir les valeurs à chaque instant. On constate alors qu'elles évoluent entre + 12,5 V (appelée valeur maximale) et - 12,5 V (appelée valeur minimale).
-- >En position alternatif, le voltmètre donne ce qu'on appelle
la valeur efficace de la tension. Pour faire simple, nous dirons qu'il s'agit de la tension qui, en continue, donnerait les mêmes effets thermiques (cela signifie, ici, que si on remplace la tension sinusoïdale de 12,5 V max par une tension continue de 8,8 V, on obtiendra la même quantité de chaleur dans une resistance).
Remarque : Bien entendu, on n'utilisera jamais un voltmètre en position continu pour une tension alternative (cela n'a pas d'intérêt).
On peut vérifier qu'il existe une relation entre la tension maximale et la tension efficace. Pour cela, faisons varier la valeur maximale et déterminons la valeur efficace correspondante. On obtient le tableau suivant :
Valeur maximale
Umax (V) |
Valeur efficace
Ueff (V) |
Umax/Ueff |
| 12,5 |
8,8 |
1,42 |
| 10 |
7,1 |
1,41 |
| 6 |
4,2 |
1,43 |
| 4 |
2,9 |
1,38 |
Dans les trois cas, on trouve une valeur de l'ordre de 1,4. On montre par le calcul que la valeur exacte est
Conclusion :
Umax = x Ueff
ATTENTION : Cette relation n'est vraie que pour des tensions sinusoïdales.
2 -
Grandeurs temporelles
L'axe vertical de l'oscillogramme mesure la tension, nous venons de le voir. L'axe horizontal mesure le temps. Le bouton marqué time/div indique le temps que met le spot pour parcourir une division (1 carreau). Si ce temps est de 1 seconde, on voit ce spot défiler lentement sur l'écran. S'il est de 1 ms, on ne peut voir qu'une ligne
Prenons l'exemple de la tension sinusoïdale :
On constate que la période (temps au bout duquel le signal se reproduit identiquement à lui-même) est de 6,6 divisions :
Le bouton time/div indique 0,5 ms/div.
Donc la période est de 6,6 x 0,5 = 3,3 ms.
On peut alors définir une autre grandeur :
la fréquence.
Par définition, c'est le nombre de périodes par seconde. Un simple raisonnement de proportionnalité montre que la relation entre la période T et la fréquence f est :
Dans notre exemple, la fréquence est donc 1/3,3.10
-3 = 303 Hz.
(attention aux unités : 1 ms = 10
-3 s, donc 3,3 ms = 0,0033 s = 3,3.10
-3)
