Les courants électriques dans la maison ou dans l`entreprise

4678_Chap_03:4568_Chap_01
18/04/09
10:43
Page 22
Les courants
électriques
dans la maison ou
dans l’entreprise
TR
RE
E
C H A P II T
3
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
©NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit
tension maximale et la période de cette tension.
• Savoir que la tension du secteur en France est alternative sinusoïdale avec f = 50 Hz et
Ueff = 230 V.
1
• Savoir utiliser les relations Umax = Ueff 12 et T = f .
Q U ES T I O N S
1. Quelle est la nature du courant délivré par la prise de courant qui alimente le poste de
télévision ?
2. Quelle est la nature du courant délivré par les piles qui alimentent la télécommande ?
Réponses à la page 48
37
22
4678_Chap_03:4568_Chap_01
Activité
Matériel
Un générateur de
courant alternatif
Une batterie
Un oscilloscope
Un rhéostat
Une résistance
Des fils
de connexion
18/04/09
10:43
Page 23
DISTINGUER UNE TENSION ALTERNATIVE
SINUSOÏDALE D’UNE TENSION CONTINUE
1
M O D E O P É R ATOI R E E.
G
1. Réglez l’oscilloscope sur les calibres suivants :
– base de temps : 5 ms / division ;
– tension : 2 V / division.
2. Réalisez le circuit ci-contre, pour brancher
et régler l’oscilloscope.
a) Reliez les bornes rouge et noire de l’entrée
(CH1) de l’oscilloscope aux bornes de la résistance.
b) Vérifiez que les commutateurs indiquent
tous « CH 1 ».
6V
OSCILLOSCOPE
∆
∆
3.
Faites vérifier le circuit et les réglages
par le professeur.
A
4. Reliez le cordon d’alimentation du générateur au secteur.
5. 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.
10. Remplacez, dans le circuit, le générateur
par la batterie.
11.
A
Faites vérifier le circuit et les réglages par le professeur.
12. Allumez l’oscilloscope, puis le générateur.
13. Fermez le circuit
14. Représentez sur le même schéma qu’au point 8. la trace que vous observez sur
l’écran de l’oscilloscope.
15. Ouvrez le circuit.
16. Éteignez l’oscilloscope.
O B S E R VAT I O N E.
• Lorsque le circuit est alimenté par le générateur, on voit une sinusoïde sur
l’écran de l’oscilloscope.
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.
38
23
©NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit
• Lorsque le circuit est alimenté par la batterie, on voit une
4678_Chap_03:4568_Chap_01
18/04/09
10:54
Page 24
Activité
2
MÉTHODE
Mesure d’une tension maximale
APPRENDRE A MESURER UNE TENSION
MAXIMALE À L’OSCILLOSCOPE
1. 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.
2. 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 : 2,8 carreaux.
Umax
– Umax
3. Relevez le calibre des tensions sur l’oscilloscope.
Sur le schéma : 5 volts par carreau.
4. Calculez la tension maximale en effectuant le produit
des deux grandeurs précédentes.
Tension maximale : Umax = 2,8 × 5 = 14 V.
Écran de l'oscilloscope
V
.5
1
2
5
.2 .1
50
20
10
5
mV
CAL
Bouton de réglage
du calibre des tensions
1 Déterminez la tension maximale indiquée par l’oscillogramme
ci-contre si le calibre des tensions indique 2 V par division.
Umax =
3¥2=6V
2 Déterminez la tension minimale indiquée par l’oscillogramme
ci-contre.
Umin =
3
–6V
Que pouvez-vous dire de ces deux tensions ?
Les 2 tensions ont la même valeur absolue.
4 Un oscillogramme et le bouton des calibres des tensions ont été reproduits
ci-dessous.
V
.5
1
©NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit
2
5
.2 .1
50
20
10
5
mV
CAL
a) Quel est le calibre des tensions utilisé ?
0,2 V/div
b) Calculez la valeur de la tension maximale observée.
Umax = 3,4 ¥ 0,2 = 0,68 V
C H A P I T R E 3 • Les courants électriques dans la maison ou dans l’entreprise
24
39
4678_Chap_03:4568_Chap_01
Activité
Matériel
Un générateur
de courant
Un oscilloscope
Un rhéostat
Un multimètre
connecté
en voltmètre
Une résistance
Des fils
de connexion
18/04/09
3
10:43
Page 25
DISTINGUER TENSION EFFICACE ET
TENSION MAXIMALE
M O D E O P É R ATOI R E E.
OSCILLOSCOPE
1. Réglez le générateur pour qu’il délivre une tension
alternative de 6 V.
2. Réglez l’oscilloscope sur les calibres suivants :
– base de temps : 5 ms / division ;
– tension : 2 V / division.
3. Réalisez le circuit ci-contre.
4. Réglez le multimètre en voltmètre sur le calibre
« tension alternative de 20 V ».
∆
∆
G
6V
5. 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.
10. Placez le curseur du rhéostat de manière à lire sur le voltmètre la plus grande valeur
possible de la tension.
11. 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 (Umax) que vous calculerez à partir de ce que vous observez sur
l’écran de l’oscilloscope ;
b) la valeur de la tension efficace (Ueff) lue sur le multimètre.
Umax
12. Calculez les rapports ᎏ
. Chaque résultat sera donné au dixième. Notez-les
Ueff
dans le tableau.
Umax (V)
8,48
7,07
5,66
4,24
2,83
1,41
Ueff (V)
6
5
4
3
2
1
Umax
ᎏ
Ueff
1,41
1,41
1,42
1,41
1,42
1,41
O B S E R VAT I O N E.
U
Ueff
U
Ueff
max
• De quelle valeur les rapports ᎏ
sont-ils le plus proches ? 0,7 ; 1 ; 12 ; 2 ; 2,5 ; π.
CONCLUS ION E.
• Les valeurs des tensions lues sur le voltmètre et les valeurs des tensions maximales
proportionnelles
déterminées à l’oscilloscope sont
. On appellera désor-
mais tension efficace la valeur de la tension lue sur le voltmètre.
• La relation entre la tension maximale et la tension efficace est Umax = Ueff ¥ 12.
• En France, la tension du courant délivrée aux utilisateurs a pour valeur efficace 230 V.
Pour vérifier cette valeur un électricien utilise un voltmètre .
40
25
©NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit
max
• Les rapports ᎏ
sont égaux .
4678_Chap_03:4568_Chap_01
18/04/09
10:55
Page 26
APPRENDRE À MESURER LA PÉRIODE
D’UNE TENSION SINUSOÏDALE
À L’OSCILLOSCOPE
Activité
4
MÉTHODE
Mesure d’une tension maximale
1. 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).
2. Relevez le calibre de la base de temps sur l’oscilloscope.
Sur le schéma : 20 ms par carreau.
3. Calculez la période en effectuant le produit des deux grandeurs précédentes.
Période : T = 4 × 20 = 80 ms
T = 0,080 s.
T
T
T
Écran de l'oscilloscope
.5 .2
1
2
5
10
20
50
100
200
ms
.1 50 µs
20
10
5
2
1
.5
.2
X-Y
Bouton de réglage du calibre
de la base de temps
1 Déterminez la période du signal représenté ci-contre si la
base de temps est réglée sur 0,5 ms par division.
T = 6 ¥ 0,5 = 3
T=
3 ms
T = 0,003. s
2 Un oscillogramme et le bouton de réglage de la base de temps ont été reproduits ci-dessous.
.5 .2
1
2
5
10
20
50
100
200
©NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit
ms
.1 50 µs
20
10
5
2
1
.5
.2
X-Y
a) Quel est le calibre de la base de temps utilisé ?
100 ms / div
b) Calculez la période du signal représenté ci-dessus.
T=
100 ¥ 5 = 500 ms
T = 0,5 s.
C H A P I T R E 3 • Les courants électriques dans la maison ou dans l’entreprise
26
41
4678_Chap_03:4568_Chap_01
Activité
18/04/09
5
Un oscilloscope
Des fils de
connexion
Page 27
ÉTABLIR LA RELATION ENTRE LA PÉRIODE
ET LA FRÉQUENCE
M O D E O P É R ATOI R E E.
Matériel
Un générateur de
fréquences (GBF)
10:43
1. Reliez les bornes rouge et
noire de l’entrée (CH1) de l’oscilloscope à la sortie (OUTPUT)
du générateur de fréquences.
GBF
1M 100k 10k 1k 100 10
1 INV
-20dB
MHz
kHz
Hz
OSCILLOSCOPE
Générateur de fréquences (GBF)
2. Réglez l’oscilloscope sur les
calibres suivants :
– base de temps : 5 ms / division ;
– tension : 5 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 100 Hz.
4.
Faites vérifier le circuit et les réglages par le professeur.
5. Allumez l’oscilloscope.
6. Allumez le générateur de fonctions.
7. Réglez le générateur de fonction de manière à obtenir un signal de fréquence 50 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.
10. Répétez les étapes 7 à 9 pour toutes les valeurs des fréquences indiquées dans le
tableau.
1
11. Pour chaque valeur des fréquences f, figurant dans le tableau, calculez ᎏ et
f
complétez le tableau.
50
100
250
500
750
1000
1250
1500
1
ᎏᎏ
f
2.10 – 2 10 – 2 4.10 – 3 2.10 – 3 1,33.10 – 3 10 – 3 8.10 – 4 6,67.10 – 4
T (s)
2.10 – 2 10 – 2 4.10 – 3 2.10 – 3 1,33.10 – 3 10 – 3 8.10 – 4 6,67.10 – 4
O B S E R VAT I O N 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 =
42
27
1
f
.
©NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit
f (Hz)
4678_Chap_03:4568_Chap_01
24/04/09
Acti vité
Document
16:16
Page 28
UTILISER DES ADAPTATEURS
DE COURANTS
6
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
HB- ES60 8A
+
AC_POWER ADAPTER
–
+
19,5V
–
INPUT/ENTRADA/ENTREE : AC 100-240 V
Entrée/Input :
220-240V
60W 50 Hz
OUTPUT/SALIDA/SORTIE : 19.5V
∼
Sortie/Output :
14,4 V 2,6 A
∼ 1.3A (1,3 A) 50/60 Hz
(19,5V) 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
T 2,5 A
DC 11 12S
+
Ni-MH & Ni-Cd 7,2-14,4V
Adapteur secteur pour un ordinateur portable utilisable
en France et dans le monde entier
1 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 ?
230 V et 240 V. Ce sont des tensions efficaces.
c) Quelle est la fréquence du courant distribué en France ? Quelle est sa période ?
f = 50 Hz ; T = 0,02 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 2,5 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 14,4 V et d’intensité 2,5 A.
©NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit
2 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 : 100 V.Umax = 141,4 V.
b) En France, la fréquence du courant électrique distribué aux usagers est de
50 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 = 1,67.10 – 5 s = 16,7 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
28
43
4678_Chap_03:4568_Chap_01
18/04/09
10:56
Page 29
E X E RC I C E S
EX E RCI C E S
Testez vos connaissances
Cochez la (ou les) réponse(s) correcte(s).
1 Une batterie délivre une tension :
❏ sinusoïdale
❏ alternative
❏ continue
x
2 Le signal laissé sur l’écran d’un oscilloscope par une tension continue est :
❏ une droite
❏ une sinusoïde
❏ une parabole
x
3 En quelle unité s’exprime la période ?
❏ En seconde
❏ En hertz
❏ En volt par division
x
8
.5 .2
1
2
5
10
20
50
100
200
ms
.1 50 µs
20
10
5
2
1
.5
.2
X-Y
Le bouton de réglage de la base de temps
d’un oscilloscope représenté ci-dessus
indique qu’une division représente:
x
x❏ 5.10
–1
4 En France, la fréquence du courant
alternatif du secteur est :
❏ 60 Hz
❏ 50 Hz
❏ 400 Hz
x
5 La période d’une tension alternative
sinusoïdale de fréquence 100 Hz est :
❏ 10 ms
❏ 10 s
❏ 10 µs
x
6
©NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit
7 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
❏ d’optimiser la mesure de la période
ms
❏ 5 ms
❏ 5.10–1 s
9 Pour mesurer une tension efficace, on
utilise :
❏ un voltmètre
❏ un oscilloscope
❏ un tensiomètre
x
10 Une tension efficace de 220 V correspond à une tension maximale de :
❏ 310 V
❏ 155 V
❏ 381 V
x
11 Une période et une fréquence sont
liées par la relation :
❏ f = T × 12
1
❏ T = ᎏᎏ
f
T
=
f
×
12
❏
d
x
Sur l’oscillogramme représenté ci-dessus, la distance d est proportionnelle à :
❏ la fréquence
❏ la période
❏ la tension maximale
x
12 La valeur efficace d’une tension alternative sinusoïdale est :
❏ négative
❏ nulle
❏ positive
x
C H A P I T R E 3 • Les courants électriques dans la maison ou dans l’entreprise
29
45
24/04/09
15:58
Page 30
Corrigés des exercices
22 1. Adaptateur 1
a) La tension est une tension alternative, périodique et sinusoïdale.
b) Umax = 3,3 ¥ 5 = 16,5 V.
c) T = 4 ¥ 5 = 20 ms ; T = 0,020 s.
d) f = 1 / 0,020 = 50 Hz.
13 1. 230 V est une tension efficace en volt ; 50 Hz
est une fréquence en hertz.
2. Le courant est un courant alternatif, le symbole
~ permet de l’affirmer.
14 Tension maximale :
Umax = Ueff ¥ 12 ; Umax = 230 ¥ 12 ; Umax = 325,27 V.
Fréquence : f = 1 /T ; T = 0,020 s ; f = 50 Hz.
2. Adaptateur 2
a) La tension est une tension continue.
b) La valeur de la tension est U = 2,4 ¥ 5 = 12 V.
15 T = 1 / f ; T = 1 / 60 ; T = 0,0167 s ; T = 16,7 ms.
Umax = Ueff ¥ 12 ; Ueff = Umax / 12 ; Ueff = 141,4 / 12 ;
Ueff = 100 V.
3. Seul l’adaptateur 2 fonctionne correctement
car c’est le seul qui délivre en sortie une tension
continue.
16 T = 0,0025 s ; f = 1 / T ; f = 1 / 0,0025 = 400 Hz.
23 1. L’agent a utilisé un voltmètre, il mesure une tension efficace.
17 1. Tension maximale : Umax = 6,81 V.
2. Période du courant : T = 0,0025 s ; T = 2,5 ms.
3. Intervalle de temps entre C et D :
0,003 750 – 0,001 250 = 0,002 5 s.
4. L’intervalle de temps entre C et D est égal à la
période.
2. Avec un oscilloscope, il aurait déterminé une
tension maximale de valeur :
Umax = 24 ¥ 12 = 33,94 V.
24 1. Calibre choisi pour la base de temps : 5 ms/div.
2. Signal 1 : T = 4 ¥ 5 = 20 ms ; T1 = 0,020 s.
Signal 2 = : T = 4 ¥ 5 = 20 ms ; T2 = 0,020 s.
18 1. Les tensions observées sont des tensions
alternatives sinusoïdales.
2.a) Valeur maximale et efficace des tensions :
Umax = 2,5 ¥ 2 = 5 V
3. Fréquence des signaux 1 et 2 :
f = 1 / T f1 = f2 = 1 / 0,020 = 50 Hz.
Ueff = 5 / 12 = 3,54 V
4.a) Calibre des tensions à l’entrée du
transformateur : 5 V / div.
b) Calibre des tensions à la sortie du
transformateur : 2 V / div.
Umax = 3,5 ¥ 0,5 = 1,75 V Ueff = 1,75 / 12 = 1,24 V
Umax = 3 ¥ 5 = 15 V
Ueff = 15 / 12 = 10,61
b)
T = 4 ¥ 5 = 20 ms T = 0,020 s
f = 1 / 0,020 = 50 Hz
T = 6 ¥ 0,5 = 3 ms T = 0,003 s
f = 1 / 0,003 = 333,33 Hz
EXERCICES
5.a)Tension maximale U1max du courant à l’entrée du
transformateur : U1max = 3,5 ¥ 5 = 17,5 V.
b) Tension maximale U2max du courant à la sortie du
transformateur : U2max= 1,8 ¥ 2 = 3,6 V.
T = 0,2 ¥ 5,5 = 1,1 ms T = 0,0011 s f = 1 / 0,0011 = 909,09 Hz
6.a)Tension efficace U1eff du courant à l’entrée du
transformateur : U1eff = 17,5 / 12 = 12,37 V.
b) Tension efficace U2eff du courant à la sortie du
transformateur : U2eff = 3,6 / 12 = 2,55 V.
19 Tension maximale du courant : Umax = 3 ¥ 5 = 15 V.
Tension efficace du courant :
Ueff = Umax / 12 Ueff = 15 / 12 = 10,6 V.
7. U1max / U1max = 3,6 / 17,5 = 0,206 et f = 50 Hz, le
transformateur est commercialisable.
20 Période du courant : T = 4 ¥ 5 = 20 ms ; T = 0,020 s.
Fréquence du courant :
f = 1 / T ; f = 1 / 0,020 = 50 Hz.
25 1. Umax représente une tension maximale et f une
fréquence.
2. À l’aide d’un voltmètre on détermine une tension
efficace.
21 1. La tension observée par Élise est une tension
continue.
2. Valeur de la tension : U = 2,4 ¥ 2 = 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. Calibre des tensions lors de la mesure :
Umax = 6,4 V.
3,2 divisions représentent 6,4 V, une division
représente 2 V, le calibre des tensions est 2V/div.
46
30
©NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit
4678_Chap_03:4568_Chap_01
4678_Chap_03:4568_Chap_01
24/04/09
16:12
Page 31
EXERCICES
4. Période : f = 40 Hz ; T = 0,025 s ; T = 25 ms.
©NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit
5. Calibre de la base de temps lors de la mesure :
T = 25 ms.
5 divisions représentent 25 ms ; une division représente 5 ms, le calibre des tensions est 5 ms/div.
RÉPONSES AUX QUESTIONS DE LA PAGE 37
1. Du courant alternatif.
2. Du courant continu.
C H A P I T R E 3 • Les courants électriques dans la maison ou dans l’entreprise
31
47