TP7

TP 7 physique : Terminale
Etude du dipôle RL
Objectifs.
- Etude de l’établissement ou de l'annulation du courant dans un circuit inductif.
- Mesure de l’inductance d’une bobine.
- Utilisation de l’oscilloscope.
I. Montage expérimental et observations préliminaires.
1. Compléter le schéma suivant en indiquant les branchements de l’oscilloscope permettant de
visualiser sur la voie 1 la tension uPM délivrée par le GBF et sur la voie 2 la tension uNM aux bornes du
résistor de résistance R. Représenter ces tensions par des « flèches tensions ».
GBF
R
M
L
i
N
P
Voie 1
Voie 2
2. Réaliser ce montage et les branchements de l’oscilloscope. (Se mettre sur DC à
l’Oscilloscope avec TRIG et AUTO allumés)
On prendra pour résistance R = 4 kΩ et l’on réglera la position du noyau de fer doux de la bobine pour
obtenir une inductance d’environ 0,2 H.
- Montrer qu’on observera sur la voie 2 la représentation de i = f(t) à un coefficient près. Quel est
ce coefficient ?
Appeler le professeur avant mise sous tension.
3. Régler le GBF pour obtenir une tension en « créneaux » variant entre 0 V et 6 V de fréquence
500 Hz
(L’amplitude de l’échelon de tension est Ue = 6 V utiliser l’offset sur le GBF)
Effectuer les réglages nécessaires (sur le GBF et sur l’oscilloscope) permettant d’observer l’établissement
puis l'annulation du courant dans la bobine.
Indiquer :
La sensibilité choisie sur la voie 1 : sv1 =.................
La sensibilité choisie sur la voie 2 : sv2 =.................
La sensibilité horizontale ou durée de balayage : dB =.................
4. Observations.
Représenter l’oscillogramme obtenu sur le schéma précédent.
- L’établissement et l'annulation du courant sont-ils instantanés ?
- Quels sont les paramètres qui, à votre avis, peuvent avoir une influence sur le retard à
l’établissement ou à l'annulation du courant. Préciser cette influence.
II. Influence des différents paramètres sur la constante de temps du dipôle R-L.
On se propose d’étudier la durée τ nécessaire pour que l’intensité atteigne 63% de sa valeur maximale.
Cette durée τ est appelée constante de temps du dipôle R-L.
Dans les mesures suivantes la résistance r de la bobine est très faible par rapport à la résistance R du
résistor mis en série. Dans ces conditions la résistance totale du dipôle est voisine de R.
L’amplitude de la tension en créneaux délivrée par le générateur étant maintenue à 6 V, pour quelle valeur
de la tension aux bornes du résistor a-t-on i = 0,63 Imax ?
1. Influence de l’inductance L sur la valeur de τ.
En conservant R = 4 kΩ mesurer τ pour différentes valeurs de L. Pour cela utiliser le bouton ×10
sur
l’oscilloscope et dans ce cas ne pas oublier de diviser par 10 le temps mesuré. Utiliser le bouton position
horizontale ↔ pour visualiser les courbes.
L (H)
τ (
τ/L(
0,2
0,3
0,4
0,5
)
)
- Conclure.
2. Influence de la résistance R sur la valeur de τ.
Ajuster l’inductance de la bobine à la valeur 0,2 H puis mesurer τ pour différentes valeurs de R.
R (Ω)
τ (
1000
2000
3000
4000
)
- Par quelle relation τ et R semblent-elles liées ? (Calcul de la 3ème ligne)
- Conclure.
3. Constante de temps du dipôle R-C.
Montrer que le rapport L/R représente un temps.
En utilisant les mesures précédentes, comparer τ et L/R.
L (H)
R (Ω)
L/R (s)
τ (s)
- Conclure.
III. Mesure de la constante de temps à la rupture de courant dans une bobine.
Soit la durée τ’ au bout de laquelle l’intensité ne vaut plus que37% de sa valeur initiale. L’amplitude de la
tension en créneaux délivrée par le générateur étant maintenue à 6 V, pour quelle valeur de la tension aux
bornes du résistor a-t-on i = 0,37 Imax ?
Mesurer τ’ pour L=0,2H et R = 4 kΩ. Comparer à τ . Conclure
IV. Mesure de l’inductance d’une bobine.
1. Proposer par écrit une méthode de mesure de l’inductance d’une bobine.
2. Mesurer l’inductance de la bobine fournie par le professeur.
Montage à faire au bureau par le prof:
C’est le deuxième TP d’électricité qui doit permettre aux élèves de se familiariser avec les montages
électriques et l’utilisation de l’oscilloscope.
La présentation de la bobine et les expériences fondamentales sur le retard à l’établissement du courant
et à son annulation ont été faites en cours (Passage du courant mis en évidence par une lampe).
La force électromotrice d’auto-induction est hors programme. Une expérience de cours aura permis de
justifier l’expression de la tension aux bornes d’une bobine u = r.i + L.(di/dt) dans le cas où le terme (r.i)
est négligeable devant L.(di/dt) et de définir le coefficient L. Pour cette expérience on utilisera le
montage classique :
GBF
L
R
Voie 1
Voie 2
TRIG et AUTO allumés
On obtient de bons résultats avec une bobine à noyau réglée aux environs de 0,14 H, une résistance R = 4
kΩ, le GBF délivrant une tension crête à crête de +ou-5 V en dent de scie avec une fréquence de 500 Hz.
On expliquera aux élèves que le résistor permet de visualiser l’intensité du courant au coefficient R près.
Etant donné l’orientation du circuit, la voie 2 visualise -ubobine. (On peut éventuellement utiliser la touche –
CH2 sur la voie 2). db = 0,5V .div-1
Si on utilise aussi la touche add en faisant bien attention que sva=svb=la même valeur (2V.div-1) on va
mesurer ug –uL =uR
Avec les valeurs proposées, la tension aux bornes de la bobine est voisine de ± 0,5 V.
On peut montrer que cette tension est proportionnelle à (di/dt) en réglant le GBF sur une fréquence de
1000 Hz: on obtient dans ces cas ubobine = ± 1 V. (changer sva=svb=0,5V.div-1 pour bien lire)
On peut également faire varier Imax en prenant R=2000 Ohms dans ces cas ubobine = ± 1 V .
On pourra facilement le changer ensuite pour montrer aux élèves ce qu’ils doivent
trouver
CORRECTION
L’objectif principal est l’étude de l’établissement du courant dans un dipôle R-L et son utilisation pour la mesure
de l’inductance d’une bobine.
Les objectifs secondaires sont à peu près les mêmes que dans le TP précédent : réalisation de montages
électriques, utilisation de l’oscilloscope pour visualiser les variations d’une tension ou d’une intensité, mesures à
l’oscilloscope.
Problèmes liés à l’utilisation du GBF.
Un minimum d’explications devra être donné aux élèves.
L’ouverture et la fermeture d’un circuit RL sont des phénomènes transitoires. Etant donné la faible persistance
des « images » obtenues sur un écran d’oscilloscope, il est nécessaire de réaliser ces phénomènes de façon
périodique pour en obtenir une représentation observable. C’est la raison pour laquelle on va utiliser une tension
en « créneaux ».
La plupart de nos GBF possèdent un réglage de la tension de décalage (offset). Si ce n’est pas le cas le
professeur peut montrer à l’aide d’une expérience que le fait d’ajouter une tension constante décale
verticalement les courbes obtenues sans modifier leur forme.
B) Déroulement de la séance.
I. Montage expérimental et observations préliminaires.
1. Ce schéma sera l’occasion de vérifier que les élèves utilisent correctement les flèches tension.
2. On rappellera aux élèves que l’oscilloscope permet uniquement de visualiser des tensions.
Les bobines à inductance ajustable sont très utilisées dans les montages électroniques en particulier dans les
postes de radio. Il serait bon d’en montrer.
3. Il est bon de laisser les élèves tâtonner pour obtenir des réglages convenables et découvrir le
phénomène. Il faudra bien sûr insister sur le fait que si les courbes obtenues ressemblent étrangement à celles
du TP précédent, elles ne représentent pas du tout le même phénomène !
4. On demande aux élèves de prévoir l’influence de L et de R sur le retard à l’établissement du courant.
Il ne faudra pas donner la réponse avant d’avoir fait les mesures (L’influence de R sera probablement une
surprise).
Se mettre sur DC à l’Oscilloscope avec TRIG et AUTO allumés)
La sensibilité choisie sur la voie 1 : sv1 =2V.div-1
La sensibilité choisie sur la voie 2 : sv2 = 2V.div-1
La sensibilité horizontale ou durée de balayage : dB =0,5 ms.div-1
II. Influence des différents paramètres sur la constante de temps du dipôle R-L.
1. Influence de l’inductance L sur la valeur de τ.
Pour les valeurs de L inférieure à 0,5 H les mesures donnent de bons résultats. Au delà c’est moins bon, peut
être en raison d’un mauvais étalonnage des bobines ou de l’influence du noyau .
2. Influence de la résistance R sur la valeur de τ.
Il est probable que les élèves seront surpris par le résultat. C’est la raison pour laquelle le travail à effectuer à
la troisième ligne du tableau n’est pas indiqué. Les mesures donnent ici de très bons résultats.
3. Constante de temps du dipôle R-C.
En rassemblant les mesures des deux tableaux précédents on doit constater que τ ≅ L/R.
On notera en conclusion : on appelle constante de temps d’un dipôle R-L le nombre τ = L/R.
III. Mesure de l’inductance d’une bobine.
On fournira aux élèves une bobine de transformateur démontable.
Avec une bobine de 5000 spires on utilise la résistance de × 1000 ohms
Avec une bobine de 1000 spires on utilise la résistance × 100 ohms
Remarque : Aux élèves qui auront achevé l'étude avant la fin de la séance, on proposera d’écrire l’équation
différentielle du circuit et de trouver la solution en utilisant les analogies avec l’équation différentielle obtenue
pour la réponse d'un dipôle R-C soumis à un échelon de tension. On justifiera alors la valeur i = 0,63.Im pour t =
τ = L/R.
Matériel : Pour 9 groupes et un aussi au bureau
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GBF
Bobine avec fer doux
Une bine de 5000 spires pour 3 groupes et une bobine de 1000 spires pour les autres
R × 1000 Ohms × 100 ohms
Oscillo
Fils
Une bobine de transfo
+ ordinateur mobile avec
• Géné 4V
• Bobine avec fer doux
• 2 R × 1000 Ohms
• Fils
• Interrupteur poussoir
• diode