Fiche de travaux pratique en Physique
Dr. KATA N’Detigma
Travaux pratique de Physique
FaST- Université de Kara
Dr. KATA N’Detigma
Etude des diodes
Séance I : La diode à jonction
La dépendance du courant qui traverse une diode au silicium sur la valeur et la polarité de la
tension appliquée doit être examinée.
Liste de matériel.
une plaquette de montage à
éléments enfichables,
un interrupteur,
une douille porte-ampoule E10,
une ampoule, 12 V/0.1 A, E10, 1pc,
une résistance de 100 Ω,
un potentiomètre, 250 Ω,
une diode au silicium 1N4007,
un pont redresseur de 4 diodes,
deux connecteurs,
deux fils de connexion, 25 cm,
rouges,
deux fils de connexion, 25 cm,
bleus,
un fil de connexion, 50 cm, rouge,
un fil de connexion, 50 cm, bleu,
deux multimètres,
une alimentation stabilisée réglable
0…12V―, 6V~ , 12V~
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Figure 1
Procédure de la manipulation.
Réaliser le montage de la figure 1 en laissant l’interrupteur ouvert. Brancher la diode en
direct et choisir les calibres de 1 V― pour le voltmètre et 30 mA― pour l’ampèremètre.
Fixer le potentiomètre sur 0 en le tournant à fond vers la gauche et mettre en marche
l’alimentation. Régler la tension d’alimentation à 12 V continu et fermer l’interrupteur.
En jouant sur la résistance variable (potentiomètre) augmenter progressivement la
tension directe UD aux bornes de la diode, de 0 V à 0,7 V suivant l’incrémentation du
tableau 1 ci-dessous. Pour chaque incrément, mesurer le courant direct ID et porter les
valeurs obtenues dans le tableau 1.
Choisir ensuite le calibre de 300 mA― pour l’ampèremètre et augmenter la tension
directe UD au-delà de 0,7 V. Porter les mesures dans le tableau 1.
Ramener la tension directe UD à 0 V et choisir le calibre de 3 V―. Ouvrir l’interrupteur
et inverser les bornes de la diode (on tourne la diode de 180° en gardant fixe la polarité
de l’alimentation).
Fermer l’interrupteur et mesurer le courant inverse pour 1 V et 2 V puis, porter les
valeurs dans le tableau 1 (U est ici négative). Couper ensuite l’alimentation.
UD (V)
0
0.2
0.4
0.6
0.65
0.70
0.75
0.77
-1
-2
ID (mA)
Tableau 1
Interprétation des résultats
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1. Tracez le graphique de 𝐼𝐷 = 𝑓(𝑈𝐷 ) en utilisant les valeurs du tableau 1. Ce graphique
est appelé la caractéristique 𝐼(𝑈) de la diode au silicium étudiée.
2. Pourquoi les courbes du type celle que vous venez de tracer sont-elles appelées
caractéristiques courant-tension ?
3. Quelles propriétés de la diode déduisez-vous de la caractéristique 𝐼(𝑈) que vous avez
tracé en a°) ?
4. A quoi sert la résistance ballast de 100 Ω dans le circuit de la figure 1 ?
5. Quel est le rôle du potentiomètre dans le circuit expérimental ?
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Séance II : La diode Zener
Travail à faire :
Etudier le comportement d’une diode Zener en courant continu.
Matériel
une plaquette de montage,
un interrupteur,
une diode Zener 4.7 V,
une résistance de 100 Ω,
un potentiomètre, 250 Ω,
un fil de connexion, 25 cm, rouges,
un fils de connexion, 25 cm, bleus,
un fil de connexion, 50 cm, rouge,
un fil de connexion, 50 cm, bleu,
un multimètres A,
une alimentation stabilisée réglable
0…12V―, 6V~ , 12V~
Montage
Expérience 2
2.1
tourner le bouton du potentiomètre à
fond vers la gauche. Retourner la diode
Zener de façon à la mettre dans le sens
inverse.
2.2
A l’aide du potentiomètre faire
croître la tension aux bornes de la diode
Zener de 1 à 5 V par pas de 1 V. Mesurer
l’intensité correspondante. Noter les valeurs
mesurées dans le tableau 2.
Schéma 1
Expérience 1.
1.1
1.2
construire le circuit donné par le
schéma 1. Brancher d’abord le
voltmètre sur le générateur continu.
Tourner le bouton du potentiomètre
à fond vers la gauche.
Régler la tension de service sur 10
V. A l’aide du potentiomètre, faire
croitre la tension aux bornes de la
diode Zener de 0.1 à 0.8 V par pas
de 0.1 V. (calibre du voltmètre : 1V).
mesurer l’intensité correspondante
(calibre de l’ampèremètre : 3 mA,
basculer sur 300 mA avant de mettre
la tension à 0.8 V). Avec un seul
multimètre
:
faire
croitre
progressivement la tension, et après
chaque augmentation de tension
mesurer l’intensité. Attention à ne
pas oublier de régler alors le
multimètre en mode ampèremètre !
Reporter les valeurs dans le tableau
1.
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Observations/ Mesures
Tableau 1
Tension diode Z 0.1
𝑈𝐷 (𝑉)
Courant
direct
𝐼𝐷 (𝑚𝐴)
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Tableau 2.
Tension
𝑈𝐷 (𝑉)
Courant
𝐼𝐷 (𝑚𝐴)
diode
Z 1
2
3
4
5
inverse
Evaluation
1. Porter les résultats des mesures du tableau 1 sur le premier quadrillage et relier les points
par une courbe.
2. Porter les résultats des mesures du tableau 2 sur le second quadrillage et relier les points
par une courbe.
3. Comparer les valeurs mesurées et la courbe caractéristique 1 avec les résultats de la
diode au silicium
4. Comment se manifeste l’augmentation de la tension au-dessus de 4 V sur la diode Zener
en sens inverse
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Séance III : La diode électroluminescente
Travail à faire.
1. Mesurer la tension et l’intensité sur une diode luminescente rouge jusqu’à ce qu’elle
atteigne sa luminosité maximale.
2. Trouver avec la diode luminescente les pôles d’un générateur de courant continu.
Matériel
une plaquette de montage,
un interrupteur,
une diode luminescente, rouge,
une résistance 470 Ω,
une résistance 100 Ω
un potentiomètre, 250 Ω,
un fil de connexion, 25 cm, rouges,
un fils de connexion, 25 cm, bleus,
un fil de connexion, 50 cm, rouge,
un fil de connexion, 50 cm, bleu,
un multimètre A,
une alimentation stabilisée réglable
0…12V―, 6V~ , 12V~
Montage 1 (voir schéma 1)
Schéma 1…………………………………………………… Schéma 2….
Expérience 1
1. Construire le circuit du schéma suivant. Régler le potentiomètre de 250 Ohm à fond
vers la gauche.
2. Appliquer une tension de service de 3 V. a l’aide du potentiomètre, augmenter la tension
aux bornes de la diode luminescente de 0.3 à 1.8 V par pas de 0.3 V (calibre du
voltmètre : 3 V). mesure l’intensité correspondant et observer la diode luminescente.
Commencer par un calibre d’ampèremètre de 3 mA, et en changer quand il le faudra.
Avec un seul multimètre : faire croitre la tension par paliers ; après chaque augmentation
de tension mesurer l’intensité. Attention à ne pas oublier de régler alors le multimètre
en mode ampèremètre ! inscrire les observations et les valeurs mesurées dans le tableau.
Observation/ mesures 1
Tension diode UD (V)
Courant direct ID (mA)
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
1.8
Diode éclairée ?
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Montage 2 (voir schéma 2).
Expérience 2
2.1
2.2
Modifier d’après le schéma 2. La tension de service étant fixée à 3 V.
Utiliser maintenant le circuit pour indiquer la polarité d’un générateur continu : il
suffit de permuter les connexions du circuit de la diode.
Evaluation
1. Inscrire les valeurs mesurées sur le graphique (ci-dessous) et relier les points par une
courbe.
2. Comment la diode doit-elle être polarisée pour qu’un passage du courant puisse se
produire ?
3. Sous quelle tension et quelle intensité la diode luminescente brille-t-elle le plus ?
4. A quoi sert la résistance ballast de 100 Ohm ?
5. Comparer les valeurs mesurées et la courbe caractéristique avec celles des diodes au
silicium et Zener.
6. Comment le montage 2 permet-il de distinguer les pôles positif et négatif d’un
générateur de courant continu ?
7. A quoi faut-il faire attention lorsqu’on veut tester la polarité d’un autre générateur ?
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Quelques applications des diodes
Séance IV : Redressement et filtre du courant alternatif.
Travail à effectuer
Construire un circuit redresseur avec quatre diodes (pont redresseur) et calculer la valeur de la
tension continue.
Matériel
Plaque e montage,
Interrupteur,
Pont redresseur,
Douille de lampe, E 10
Lampe à incandescente 12 V/ 0.1 A,
Résistance 1 kOhm,
Condensateur 47 µF,
Condensateur 470 µF non polarisé,
Support de pile R 14,
Pile 1.5 V,
Bobine 1600 spires,
Noyau de fer en U,
Noyau de fer en I,
Ecouteur 2 kOhm
Oscilloscope,
un fil de connexion, 25 cm, rouges,
un fils de connexion, 25 cm, bleus,
un fil de connexion, 50 cm, rouge,
un fil de connexion, 50 cm, bleu,
un multimètre A,
une alimentation stabilisée réglable
0…12V―, 6V~ , 12V~
Montage 1 (schéma 1).
Schéma 1……………………………………………….Schéma 2
Expérience 1
1. construire le circuit expérimental d’après le schéma. Le relier au générateur alternatif
12 V alternatif. Fermer l’interrupteur du circuit.
2. Observer l’intensité lumineuse de la lampe et mesurer la tension continue puis noter vos
observations
Evaluation.
1. Dessiner le chemin parcouru par le courant à travers les diodes, ceci pour chaque demionde.
2. Comment varie la tension continue dans le redresseur pleine-onde. Comparée à celle
dans le redresseur demi-onde.
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Montage 2 (schéma 2)
Expérience 2
1. Brancher l’écouteur brièvement sur la pile de 1.5 V, puis sur la sortie alternative 6 V de
l’alimentation. Noter les impressions auditives à la rubrique “observations“.
2. Construire le circuit en trois étapes :
a)
Alimentation 6 V alternative, redresseur à pont, résistance 1 kOhm. Brancher
l’écouteur après le redresseur et notre les sensations auditives.
b)
Placer en parallèle au redresseur et à l’écouteur d’abord un condensateur de 47
µF, puis un de470 µF. vérifier le bruit de fond avec l’écouteur. Attention à la
connexion correcte du condensateur polarisé de 47 µF.
c)
Remettre le condensateur de 47 µF et compléter le circuit par la bobine de 1600
spires, le noyau UI et le condensateur de 470 µF. vérifier à nouveau la sortie du
circuit avec l’écouteur.
3. Visionner à l’aide de l’oscilloscope les tensions d’entrée et de sortie du circuit.
Observations/Mesures
Pour 1) sur la pile :……………………………………………………………….
Sur l’alimentation 6 V alternative :…………………………………………..
Pour 2 a) sur le redresseur :…………………………………………………………..
Pour 2 b) sur le condensateur 47 µF :………………………………………………..
Sur le condensateur 470 µF :…………………………………………………
Pour 2 c) : à la sortie du circuit avec bobine et deux condensateur :………………
Evaluation
1. A partir des impressions auditives et du comportement temporel des courants continu et
alternatif, essayer de trouver une explication pour les différences d’impression
auditives.
2. Comparer l’impression lors du branchement de l’écouteur sur la pile (générateur de
courant continu) avec celle lors du branchement à la sortie du redresseur (courant
continu pulsatoire).
3. Que peut-on imaginer d’une radio qui serait alimentée par le courant continu obtenu par
le redresseur à pont.
4. Pourquoi le montage des deux condensateurs et de la bobine (drossel) est-il appelé filtre
en échelle ?
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Séance V : Stabilisation de la tension à l’aide de la diode Zener.
Travail à effectuer.
Stabiliser à l’aide d’une diode Zener la tension de service appliquée à une lampe.
Matériel
Plaque de montage,
Interrupteur,
Douille de lampe, E10,
Lampe à incandescence 4 V/0.01 A,
Résistance 68 Ohm,
Diode Zener 4.7 V,
un fil de connexion, 25 cm, rouges,
Montage
un fils de connexion, 25 cm, bleus,
un fil de connexion, 50 cm, rouge,
un fil de connexion, 50 cm, bleu,
un multimètre A,
une alimentation stabilisée réglable
0…12V―, 6V~ , 12V~
la lampe jusqu’à ce qu’elle s’éteigne
et observer le voltmètre. Observer la
variation des tensions de service et
de la lampe, ainsi que la clarté de la
lampe.
Evaluation.
Expérience.
1. Construire le circuit présenté sur le
schéma. Dans la première phrase, ne
pas mettre la lampe.
2. Fermer l’interrupteur du circuit.
Augmenter lentement la tension de
service jusqu’à 12 V. modifier
ensuite rapidement la tension dans
la plage 9…12 V. viser maintenant
la lampe et répéter le réglage de la
tension de service. Deviser ensuite
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1. Comparer la tension de service la
plus élevée avec la tension nominale
de la lampe.
2. Comparer la tension de service la
plus élevée avec la tension
maximale aux bornes de la lampe.
3. Essayer
d’expliquer
le
comportement
du
circuit
stabilisateur avec et sans la lampe à
incandescence.
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Etude électrique d’un transistor.
Séance VI : Caractéristique électrique d’un transistor.
Travail à faire :
1. Déterminer la caractéristique d’entrée à partir de la relation liant le courant de base à la
tension de base.
2. Déterminer la caractéristique de transfert à partir de la relation liant le courant de
collecteur au courant de base.
3. Déterminer la caractéristique de sortie à partir de la relation liant le courant de collecteur
à la tension de collecteur.
Matériel
Plaque de montage,
Interrupteur,
Résistance 68 Ohm,
Résistance 470 Ohm,
Potentiomètre 250 Ohm,
Transistor BC 337-40,
Câble de connexion 6 cm, blanc,
Câble de connexion 25 cm, rouge,
Câble de connexion 25 cm, bleu,
Câble de connexion 50 cm, rouge,
Câble de connexion 50 cm, bleu,
Alimentation 0 … 12 V / 6 V ̴, 12
V ̴
Multimère A
Montage 1 : (schéma 1)
……………Schéma 1……………………………Schéma 2……………………………..Schéma 3
Expérience 1
1.1
1.2
réaliser le montage représenté sur le schéma 1. Régler le potentiomètre sur 0, puis
appliquer une tension de service très précise de 3 V.
a l’aide du potentiomètre, augmenter la tension de base (UBE) par paliers, ainsi
qu’indiquer, de 0 V à 0.7 V et mesurer les valeurs correspondantes du courant de base
(IB). Pour la mesure du courant de base, utiliser, si l’ampèremètre en a un, le calibre µA
et convertir les valeurs en mA. Eviter les surcharges du calibre µA qui est très sensible.
Après avoir effectué les mesures, débrancher la tension de servie. Reporter les valeurs
mesurées dans le tableau.
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Observation/ mesures 1
Tension de base UBE (V)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Courant de base IB (mA)
Résistance RBE (ohm)
Evaluation
tracer d’après les valeurs mesurées, la caractéristiques d’entrée IB (UBE) du transistor.
A partir de quelle tension de base passe un courant de base mesurable ?
Calculer à l’aide de la loi d’Ohm, la résistance d’entrée du transistor pour les tensions
de base 0.6,… o.75 V. reporter les résultats dans le tableau du dessus.
1.1
1.2
1.3
Montage 2 (schéma 2)
Expérience 2
2.3
2.4
ôter le voltmètre du circuit. Basculer le multimètre de voltmètre en ampèremètre. Le
placer ensuite dans le circuit de collecteur à la place de la résistance de 68 Ohm.
Régler le potentiomètre sur 0.
Augmenter le courant de la base par paliers de 5 µA jusqu’à 50 µA, et mesurer les
valeurs correspondantes du courant de collecteur. Reporter les valeurs dans le
tableau. Après avoir effectué les mesures, débrancher la tension de service.
Observations/Mesures 2
Courant de base IB (µA)
5
10
20
30
40
50
Courant de collecteur IC (mA)
Evaluation
2.1 Tracer d’après les valeurs mesurées, la caractéristique de transfert IC (IB) du transistor.
2.2 Quel est l’effet du courant de base sur le courant de collecteur ?
2.3 Comparer la variation du courant de base de 30 µA à 40 µA avec la variation
correspondante du courant de collecteur, après avoir converti cette dernière de mA en
µA.
2.4 Trouver le coefficient d’amplification de faibles signaux du transistor en divisant
l’augmentation du courant de collecteur par l’augmentation du courant de base.
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Montage 3 (schéma 3)
Expérience 3
3.1 Transformer le circuit d’après le schéma 3. Régler le potentiomètre sur 10 (O V). utiliser
pour la mesure du courant de collecteur uniquement le calibre 300 mA. L’interrupteur
étant ouvert, appliquer une tension de service de 3 V.
3.2 Augmenter la tension collecteur-émetteur (UCE) par paliers de 0.1 V. Mesurer à chaque
fois le courant de collecteur correspondant (IC). Reporter les valeurs mesurées dans le
tableau. Après avoir effectué les mesures, débrancher la tension de service.
Observations/ Mesures 3
Tension de collecteur UCE Courant de collecteur IC Résistance RCE (Ohm)
(V)
(mA)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2
1.4
2.0
Evaluation
3.1
tracer d’après les valeurs mesurées, la caractéristique de sortie IC (UCE) du transistor.
3.2
A partir de quelle tension de collecteur, le courant de colleteur n’augment-t-il que
faiblement ?
3.3
Calculer, d’après la loi d’Ohm, pour les tensions 0.3 V, 0.6 V, 0.9 V et 1.2 V, la valeur
de la résistance. Reporter ces valeurs dans le tableau.
3.4
Comment interpréter la résistance de sortie du transistor ?
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Quelques applications du transistor
Séance VII : Amplification du courant alternatif avec le transistor.
Travail à faire :
Amplifier à l’aide d’un circuit à base de transistor un courant alternatif à fréquence acoustique.
Matériel
Plaque de montage,
Interrupteur,
Résistance 100 Ohm,
Résistance 470 Ohm,
Résistance 47 kOhm,
Potentiomètre 10 kOhm,
Condensateur 47 nF,
Transistor BC337-40,
Bobine 400 spires,
Bobine 1600 spires,
Noyau de fer en U,
Noyau de fer en I,
Ecouteur 2 kOhm,
Câble de connexion 6 cm, blanc,
Câble de connexion 15 cm, blanc,
Câble de connexion 25 cm, rouge,
Câble de connexion 25 cm, bleu,
Câble de connexion 50 cm, rouge,
Câble de connexion 50 cm, bleu,
Alimentation 0 … 12 V / 6 V ̴, 12
V ̴
Montage
Expérience
1. Réaliser le montage représenté sur le schéma. Commencer par laisser ouvert
l’interrupteur du circuit. Ne pas mettre au début le condensateur de 47 nF, ni l’écouteur
sur le câble du collecteur.
2. Brancher une tension alternative de 6 V. placer l’écouteur en parallèle à la résistance
100 Ohm, et noter l’intensité du bruit de fond.
3. Connecter à nouveau le condensateur à la base du transistor. Brancher l’écouteur sur le
câble de collecteur du transistor. Régler la tension de service sur 12 V. A l’aide du
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potentiomètre 10 kOhm du diviseur de tension, essayer de trouver l’intensité sonore
maximale. Comparer les intensités sonores à l’entrée et à la sortie.
Evaluation.
1.
2.
3.
4.
D’où provient le bruit de fond ?
Comment est réglé le point de fonctionnement du transistor ?
D’où vient l’effet d’amplification du transistor ?
Quel est le rôle du condensateur de 47 nF ?
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Séance VIII : Transistor comme amplificateur de commutation.
Travail à faire
Tester différentes fonctions de commutation du transistor NPN.
Matériel
Plaque de montage,
Câble de connexion 6 cm, blanc,
Interrupteur,
Câble de connexion 15 cm, blanc,
Commutateur,
Câble de connexion 25 cm, rouge,
Douille de lampe E10,
Câble de connexion 25 cm, bleu,
Lampe à incandescence 12 V/ 0.1 A,
Câble de connexion 50 cm, rouge,
Résistance 1 kOhm,
Câble de connexion 50 cm, bleu,
Résistance 10 kOhm,
Multimètre A,
Potentiomètre 250 Ohm,
Alimentation 0 … 12 V / 6 V ̴, 12 V
Transistor BC337-40,
Montage 1 (schéma 1)
Schéma 1
Schéma 2
Schéma 3
Expérience 1
1.1.Réaliser le montage expérimental représenté sur le schéma 1. Appliquer une tension de
service de 12 V.
1.2.Allumer et éteindre la lampe du circuit de collecteur en faisant varier la tension de
commande. Mesurer la tension de commande pour état d commutation et marque l’état de
la lampe dans le tableau sur la page suivante.
Montage 2 (schéma 2)
Expérience 2
Transformer le montage d’après le schéma 2.
2.1.
2.2. A l’aide du commutateur relier la base une fois au pôle négatif et une fois au pôle positif.
Noter l’état de la lampe.
Montage 3 (schéma 3)
Expérience 3
3.1.Modifier le circuit d’après le schéma 3.
3.2.Fermer et ouvrir l’interrupteur dans le circuit de base. Noter l’état e la lampe.
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Observations / Mesures.
Etat de la base
Lampe
Allumée
Eteinte
1) Au-dessous de la tension seuil
A l’obtention de la tension seuil
2) Base reliée au plus
Base reliée au moins
3) Interrupteur de base ouvert
Interrupteur de base fermé
Evaluation
Comment sont déclenchées les fonctions de commutation du transistor ?
a. Dans l’expérience 1 :
b. Dans l’expérience 2 :
c. Dans l’expérience 3 :
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Séance IX : Déclenchement des processus de commutation avec de
la lumière.
Travail à effectuer
Construire un circuit à base de transistor permettant de déclencher des processus de
commutation avec de la lumière.
Matériel
Plaque de montage,
Interrupteur,
Douille de lampe E10,
Lampe à incandescence 12 V/ 0.1 A,
Résistance 1 kOhm,
Potentiomètre 10 kOhm,
Photorésistance LDR 05,
Transistor BC337-40,
Câble de connexion 6 cm, blanc,
Câble de connexion 15 cm, blanc,
Câble de connexion 25 cm, rouge,
Câble de connexion 25 cm, bleu,
Câble de connexion 50 cm, rouge,
Câble de connexion 50 cm, bleu,
Multimètre A,
Alimentation 0 … 12 V / 6 V ̴, 12 V
Montage
dessous du seuil, de telle sorte que la
lampe ne s’allume pas encore.
Mesurer la tension de commande
2)… 5), observer la lampe et porter
les valeurs dans la rubrique
observations/mesures.
3. Projeter une ombre sur la
photorésistance,
ou
découvrir
totalement.
4. Placer la photorésistance au-dessus
du potentiomètre dans le circuit et
régler la tension de commande de
telle sorte que la lampe s’allume
juste à partir de ce réglage.
5. Obscurcir
maintenant
la
photorésistance
en
prenant
l’élément ente le pouce et l’index.
Expérience
1. Réaliser le montage expérimental
représenté sur le schéma. Appliquer
une tension de service de 12 V.
2. Eclairer la photorésistance. Régler
la tension de commande avec le
potentiomètre 10 kOhm juste en-
Observations/ Mesures.
Pour 2.)
V
la tension de commande juste au-dessous de la tension seuil est de ……..
Pour 3.)
la
tension
lampe………………………..
Pour 4.)
……………… V
de
commande
est
de
…………
V.
la
la tension de commande juste au-dessus de la tension seuil est de
Pour 5.)
la tension de commande est de ………………… V. La lampe
…………………………
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Evaluation
1. Comment se comporte une photorésistance lorsqu’elle est éclairée ?
2. Comment se manifeste sa variation de résistance pour la tension de commande et l’état
de commutation du transistor, lorsque la photorésistance se trouve dans la partie
inférieure du diviseur de tension ?
3. Comment se manifeste sa variation de résistance pour la tension de commande et l’état
de commutation du transistor, lorsque la photorésistance se trouve dans la tranche
supérieure du diviseur de tension ?
4. Pourquoi le réglage de départ de la tension de commande doit-il être toujours proche de
la tension seuil ?
5. Quel est l’avantage de ce système de commande par rapport à une commutation
mécanique ?
6. Chercher des exemples d’applications réelles ou potentielles pour ce type de montage.
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Séance X : Oscillations électriques
Travail à effectuer
Etudier l’interaction entre un condensateur chargé et une bobine dans un circuit électrique
fermé.
Matériel
Plaque de montage,
Interrupteur,
Résistance 10 kOhm,
Résistance 47 kOhm,
Potentiomètre 10 kOhm,
Condensateur 47 µF,
Condensateur 470 µF,
Bobine 1600 spires,
Noyau de fer en U,
Noyau de fer en I,
Transistor BC337-40,
Câble de connexion 6 cm, blanc,
Câble de connexion 15 cm, blanc,
Câble de connexion 25 cm, rouge,
Câble de connexion 25 cm, bleu,
Câble de connexion 50 cm, rouge,
Câble de connexion 50 cm, bleu,
Multimètre A,
Alimentation 0 … 12 V / 6 V ̴, 12 V
Montage
Expérience
1. Construire le circuit oscillant et le montage d’amplification de mesure en suivant le
schéma. Les nombres dans les carrés donnent les longueurs de câbles testées. Ouvrir
l’interrupteur du circuit oscillant.
2. Mettre la tension de service à 12 V et régler l’amplificateur de mesure, via le diviseur
de tension, de telle sorte qu’aux bornes de la résistance de collecteur soit appliquée une
tension de 6 V.
3. Pour charger le condensateur, on relie brièvement ses fils d’amenée aux pôles du circuit
amplificateur. Attention ! il faut respecter la polarité correcte ! séparer le condensateur
du générateur et le retrancher dans le circuit oscillant.
4. Fermer l’interrupteur du circuit oscillant et observer attentivement l’aiguille du
multimètre dans le circuit amplificateur de mesure.
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Dr. KATA N’Detigma
5. Répéter deux fois l’expérience. La refaire ensuite trois fois avec le condensateur de 47
µF.
Observations/ Mesures
Pour 4.)
……………………………………………
Pour 5.)
…………………………………………
Evaluation
1. A quoi doit-on s’attende quand le condensateur « chargé » est placé dans le circuit
oscillant et que l’interrupteur est fermé ?
2. Que déduire de l’oscillation de l’aiguille du multimètre ?
3. Quelle influence ont des condensateurs de capacités différentes sur le processus dans le
circuit oscillant ?
4. Pourquoi les oscillations décroissent-elles si rapidement ?
Séance XI : Le condensateur
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TP N°1
N°1 : INDUCTION ELECTROMAGNETIQUE
1. Définitions
Il existe dans la nature des matériaux capables d’attirer des morceaux de fer : ce sont des
aimants. La propriété physique responsable de ce phénomène est le magnétisme. Les zones où
est concentré le magnétisme sont appelées pôles de l’aimant. Un aimant possède deux pôles : un
pôle Nord et un pôle Sud. Alors que deux pôles de même nature se repoussent, deux pôles de
nature différente s’attirent.
Oersted a constaté qu’un conducteur traversé par un courant continu dévie une aiguille
aimantée placée à proximité. Le sens de déviation change avec le sens du courant. Ceci
s’explique par la modification de l’espace environnant le conducteur par un champ vectoriel
. Le champ magnétique est donc le fait du déplacement
appelé champ d’induction magnétique des particules chargées.
: loi de Biot et Savart
2. Champ magnétique au voisinage d’un conducteur traversé par un courant électrique est
Le champ magnétique déterminée par la loi de Biot et Savart. Pour une densité de :
i.
ii.
iii.
=
courant linéique : =
courant surfacique : =
courant volumique : ∧
(1)
∬ ∧ (2)
∭ ∧ (3)
Dans le système d’unité international, il s’exprime en tesla (T). s’exprime en /
"#$ = 0 et que donc "#$ = &'( )"#$,
est à flux conservatif, d’où On montre que ! avec )"#$ le potentiel vecteur.
:
#
déplacement de charge. Il en est de même lorsqu’il déplace l’un des circuits. Ce phénomène
appelé induction magnétique est définie comme la différence de potentiel -"($, fem induite, qui
apparaît aux bornes d’un conducteur, lorsque le flux magnétique qui le traverse varie. Cette fem
est telle que le courant qu’il induit crée un flux qui s’oppose au flux qui lui a donné naissance.
Le flux magnétique s’exprime en Weber dans le système d’unité international. Si . est le flux
crée par le circuit *+ , la tension induite s’écrit : -"($ = −
02
dans le circuit *, .
Cette variation de flux se fait de deux manières :
i. pour un champ magnétique constant, la variation du flux est due au déplacement ou à la
déformation du circuit électrique : c’est l’induction de Lorentz.
ii. pour un circuit électrique fixe, la variation du flux est due à la variabilité du champ
magnétique : c’est l’induction de Neumann.
*+ est l’inducteur et *, est l’induit. L’interaction électromagnétique entre les deux circuits
entraîne un phénomène de couplage illustré par des coefficients, qui ne dépendent que de la
géométrie des circuits : ce sont les coefficients d’inductance mutuelle #.
Par exemple, en observant les circuits de la figure 2, on remarque que chaque circuit délimite
une surface + pour le premier circuit et, , pour le second. Les circuits étant filiformes, le
+ "#, $ =
champ magnétique crée par *+ en un point #, de , s’écrit : Le flux crée par ce champ à travers le circuit *, s’écrit :
+ "#, $ , = ∬ &'(
)+ "#, $ , =
.+, = ∬ .+, =
4
54
)+ "#, $ , = 8 De même : .,+ = 8
53
4
54
073 074
9 + = #+, +
54 53 3 4
074 073
9 , = #,+ ,
54 4 3
53 +
)+ "#, $ , ; )+ "#, $ =
+ ∧
63
3 4
3 4 .
073
53 3 4
(4)
(5)
:+ #, et :, #+ étant la distance qui sépare les deux circuits, on a donc : #+, = #,+ qu’on
appelle coefficients d’inductance mutuelle.
+
#,
*,
Figure 1
3. Induction magnétique - Inductance
A la suite des observations d’Oersted, M. Faraday met en évidence en 1831 l’interaction entre
deux circuits électriques par une série d’expériences.
Il considère deux circuits électriques *+ et *, . *+ est alimenté par un générateur de tension
continue tandis que *, ne comporte pas de générateur. Il constate qu’à l’ouverture ou à la
fermeture du circuit *+ , l’aiguille du galvanomètre du circuit *, dévie, traduisant un
01
Figure 2
+
:+
*+
Un circuit traversé par un courant s’auto-induit. Les selfs (bobine, solénoïde) sont les circuits
dans lesquels ce phénomène est amplifié et le coefficient d’inductance propre appelé self se
note ;. Le flux s’écrit : . = ;
;
En convention récepteur, la tension aux bornes de la self s’écrit :
<=
01
02
= ; , . est le flux créé par le courant (voir figure 3).
06
02
<
Figure 3
1
il est le siège d’un champ d’induction magnétique = U = loin de ces extrémités, où
U = S⁄ℓ est le nombre de spires par unité de longueur.
4. Force de Laplace
Le flux qui traverse chacune des spires est W = . Pour l’ensemble des S spires, . = S.
Un conducteur électrique placé dans
et traversé
un champ magnétique par un courant
subit l’effet de la
.
force de Laplace : = =
∧ Pour un conducteur rectiligne, de
longueur , la force de Laplace est
, de
(voir figure 4) : = = ∧ module : = = sin (A),
avec
A = ( , )
En convention récepteur, la tension à ses bornes est : < = ℰ =
ℰ = S
Figure 4
Figure 5
, C = . Le circuit dans son
Dans le cas où le conducteur forme un angle droit avec déplacement est soumis à une variation de flux magnétique. La variation de flux est :
∆. = .E − .F = GE − F H = . (voir figure 5).
Le travail de la force de Laplace est donc : W= Δ.
5. Champ d’excitation magnétique – Densité d’énergie magnétique
est lié à la matière et au champ d’excitation magnétique .
Le champ d’induction magnétique Il est, en effet la réponse du milieu à l’application du champ d’excitation magnétique, qui lui,
est seulement lié aux sources de champ, c’est-à-dire aux courants.
crée au sein du matériau un champ
Dans un milieu magnétique, l’application de d’aimantation J tel que : = + J. J est l’aimantation du matériau et s’écrit : J = L = , avec la
avec L, la susceptibilité magnétique du matériau. Ainsi, on peut écrire que : perméabilité du matériau.
Suivant les valeurs de L, on peut classer les matériaux magnétiques en trois grands groupes :
L<0
Diamagnétique
02
= S
0X
02
En négligeant la résistance des fils de bobinage, la puissance reçue en l’espace de temps ( est :
Cette force effectue un travail C = = = = , lorsque le conducteur se déplace sur une
longueur . (figure 5)
Tableau 1
01
L>0
Paramagnétique
L≫0
Ferromagnétique
. et directement proportionnels et
Dans le vide et dans la plupart des matériaux, J = 0
colinéaires, obéissent au principe de superposition : le milieu est dit amagnétique. Le champ
d’induction magnétique est simplement qualifié de champ magnétique sans aucune précision.
, le milieu est purement magnétique : est le même partout si le milieu est
Lorsque J ≠ 0
et J sont colinéaires ; la relation qui relie ces trois
, homogène. Si en plus il est isotrope, grandeurs devient simplement scalaire : = + J = Q = , Q =
est la
Considérons cette fois un solénoïde de longueur ℓ, de section , comportant S spires et placé
dans l’air. Placé dans un circuit en série avec un générateur de force électromotrice ℰ constante,
perméabilité relative du milieu. Elle est sans dimension.
0X
02
.
magnétique, ici dans l’air du solénoïde est : C = S = . = ℓ , d’où la densité
volumique d’énergie magnétique : YZ = .
Dans un milieu homogène, linéaire et isotrope, la densité d’énergie magnétique est :
1
1 , 1 ,
=
YZ = = 2
2 2
Dans un milieu non linéaire ( est fonction de ), il faut intégrer l’expression YZ = pour obtenir la densité d’énergie magnétique.
. L’énergie emmagasinée dans le volume du solénoïde, en fait dans l’espace
6. Circuits électrique magnétiquement couplés - Transformateur
6.1. Circuits magnétiques
6.1.1. Définitions
Ils sont basés sur l’utilisation des matériaux
ferromagnétiques dans le but d’obtenir en un endroit
. Pour
de l’espace un champ d’induction magnétique ce faire, on crée un champ d’excitation magnétique avec les bobines qu’on transporte (canalisation) vers
la zone d’utilisation (entrefer).
1.
2.
3.
Création de H
Canalisation
Entrefer
Figure 6
la bobine crée le champ .
la culasse, de part sa grande perméabilité
par rapport à l’air joue le rôle d’un tube de champ en canalisant les lignes de champ
vers la zone d’utilisation.
la zone d’interaction avec l’extérieur, l’entrefer.
Le principe de fonctionnement est le suivant :
6.1.2. Force Magnétomotrice
Tout comme dans les circuits électriques où on définit la force électromotrice qui est la
circulation du champ électrique ] , on définit aussi pour les circuits magnétiques la force
magnétomotrice ^. Ainsi, la force magnétomotrice est la circulation du champ d’excitation
magnétique autour d’un contour fermé * (ligne de champ), définie à partir du théorème
. Le sens de ^ est défini à partir de la règle du tire bouchon,
d’Ampère : ^ = S =
5
suivant le sens de parcours sur *.
2
De même à partir des propriétés intrinsèques du matériau, on peut établir en tout point _ du
` = ` a` et S =
contour * : On définit la quantité : ℛ =
Xb
5 b
07
5 b b
=
1
5 b b
=.
07
5 b b
qu’on appelle reluctance du circuit magnétique. Elle
dépend de la géométrie du contour * et de la nature du matériau.
Pour un barreau de longueur , de perméabilité et de section , la reluctance est : ℛ =
6.1.3. Loi d’Hopkinson
7
.
^ = S = ℛ.
En combinant la force magnétomotrice à la reluctance, on obtient la loi d’Hopkinson :
La reluctance ℛ ne dépend que de la géométrie du circuit et de la force magnétomotrice
représente l’excitation qui va générer le flux au sein du circuit mais est indépendante de sa
géométrie. On est dans le cas typique d’un circuit électrique : d = e ⇔ ^ = ℛ..
6.1.4. Analogie circuit électrique – circuit magnétique
Tableau 2
= g]
Electrocinétique des milieux linéaires
= h ! = 0
= 0
&'(
.=h = 0
!
= 0
&'(
Lignes de courant Lignes de champ Champ électrique ]
Champ magnétique Conductivité g
Intensité électrique
Loi d’Ohm
= Magnétostatique des milieux linéaires
Perméabilité Flux magnétique .
Loi d’Hopkinson
6.1.5. Circuits couplés magnétiquement : inductance mutuelle
Soient deux circuits P (primaire) et S (secondaire) couplés magnétiquement, parcourus par des
courants respectivement i et j , variables.
On note :
.i le flux total qui traverse le circuit primaire et .j , celui qui traverse le secondaire.
Wi le flux qui traverse une spire du primaire et Wj , celui qui traverse une spire du secondaire.
;i le coefficient d’inductance propre du primaire et ;j , celui du secondaire.
# le coefficient d’influence mutuelle.
Compte tenu du fait que les flux créés par les courants i et j sont dans le même sens, on a :
.i = ;i
i
+#
j
et .j = ;j j + #
i
Le coefficient d’influence mutuelle peut être défini de deux manières : # = k n
# = p mq
1
Fl
Fm o
CZ = r.i
+
,
1l
Fm F o
l
. Pour le système P et S, l’énergie magnétique s’écrit :
i
+ .j j s = r;i
+
,
i
+ # js
+ r;j j + # i s j , d’où :
+
i
,
tu
Fm4
= ;i
+
,
Fl4
Fm4
+ ;j + #
+
,
Ce trinôme du second degré en 8 9 doit être positif quelle que soit la valeur de
Fl
Fm
conséquent, son discriminant doit être négatif ⇒
#,
− ;i ;j < 0, d’où |#| < x;i ;j .
6.1.6. Equation aux impédances des circuits couplés
En nous plaçant dans le cas où les deux circuits sont
traversés par des courants variables, sinusoïdaux de même
pulsation y, on a : !i =
!j =
01m
02
01l
02
!i
, la tension aux bornes de P et
complexe : !i = zy;i i + zy#
comme le montre la figure 7.
et !j = zy# j + zy;j j ,
, celle aux bornes de S. En adoptant la notation
j
et
i
i.
Fl
Fm
Par
j
!j
Figure 7
Il a été montré que |#| < x;i ;j . Ceci permet de définir un coefficient {, compris entre 0 et 1
appelé coefficient de couplage, très important dans la classification des différents types de
6.1.7. Coefficient de couplage
couplage. Ainsi, par définition : { =
||
x|l |m
.
Si uniquement le primaire est alimenté (
= 0)
j
;i =
.i = ;i i ~
Fl
~ : seule une partie des lignes de champ qui traverse P traverse S
⇒
On a : }
1m
.j = # i
#=
1l
Fl
et donc : |.j | = A+ .i avec 0 < A+ < 1, d’où
;i =
1l
Fl
|#| = A+
Si uniquement le secondaire est alimenté (
= 0)
i
~: ⇒
1l
Fl
#=
.i = # j ~
Fm ~
On a : }
⇒
: seule une partie des lignes traverse qui S traverse P et donc :
1m
.j = ;j j
;j =
1l
Fm
.i = A, |.j |, avec 0 < A, < 1, d’où
;j =
|1m |
Fm
|#| = A,
~ ⇒ |#| = l A, ;j (b)
|1m |
Fm
m
(a) x (b) ⇒ #, = A+ A, ;i ;j ⇒ |#| = √A+ A, × x;i ;j et { = √A+ A,
3
6.2. Transformateurs
Le transformateur monophasé est un ensemble de deux bobinages sur un cadre en feuillets
(pour éviter l’échauffement par les courants de Foucault) d’un matériau ferromagnétique
permettant d’assurer la canalisation du flux. Le premier bobinage appelé primaire ou bobine de
champ ou l’inducteur est lié à la source de tension et comporte Ui spires. Le second appelé
secondaire ou l’induit est lié à la charge et comporte Uj spires (voir figure 7).
6.2.1. Transformateur sans pertes de flux
Chaque spire du primaire et du secondaire est traversée par le même flux W. On suppose qu’il
n’y a pas de perte ni dans les fils de bobinage, ni dans les feuillets ferromagnétiques. Ainsi, le
flux total traversant chaque bobine ne dépend que de son nombre de spires : .i = Ui W et
.j = Uj W et par conséquent :
l
m
=
l
m
= , avec le rapport de transformation.
+
Z
Suivant les valeurs de , !j peut être plus grand ou plus petit que !i ou égal à !i : tel est le
principe du transformateur. On a donc : # = ;i et # = m, l’équation aux impédances
|
Z
!̅i = z;i y̅i + z#y̅j ~
l
⇒ !̅i = z;i y̅i + z;i y̅j et ̅i =
− ̅j .
donne : }
|l
!̅j = z#y̅i + z;j y̅j
̅i est la somme de deux termes dont le premier représente le courant qui passe dans le primaire
à vide (̅j = 0), on a : ̅i = ̅ =
l
|l
.
6.2.2. Transformateur idéal
Un transformateur est dit idéal ou parfait lorsqu’il est sans perte de flux (A+ = A, = { = 1$ et,
que son inductance dans le circuit primaire est infinie (infiniment grande). Ses propriétés sont
m
l
résumées ainsi : ̅m
̅l
=
=−
+
Z
~
Le transformateur est l’une des applications importantes de l’induction magnétique. En effet la
distribution de l’électricité sur de grandes distances nécessite des lignes hautes tensions. Il est
indispensable d’élever la tension à la production et de l’abaisser suivant les besoins du
consommateur. Pour ce faire, les transformateurs sont indispensables car ce sont eux qui
permettent d’effectuer ces opérations.
Il s’agit dans cette manipulation d’appréhender ce phénomène et éventuellement d’entrevoir
quelques unes de ses applications.
2. Manipulation
2.1. Champ d’induction magnétique
Exercice 1 : Effets magnétiques d’un conducteur rectiligne
Matériel
Le dispositif expérimental est composé de :
- une (1) plaquette avec borne 4 mm
- un (1) câble de connexion, 50 cm, bleu
- un (1) interrupteur
- une (1) boussole
- un (1) câble de connexion, 25 cm, rouge
- un (1) câble de connexion, 25 cm, bleu
- un (1) câble de connexion, 50 cm, rouge
- un (1) multimètre analogique
-une (1) source d’alimentation 0…12 v, 6 v~, 12 v~
Procédure et réalisation
Réaliser le montage de la figure 1.1 et choisir pour l’ampèremètre le calibre 3 ).
Connecter le plus petit fil de connexion, diagonalement de sorte qu’il soit rectiligne
comme le montre la figure 1.1. Positionner ensuite la plaque de montage de sorte que le
conducteur ‘’rectiligne’’ soit disposé suivant la direction Nord-Sud.
2. Limiter le courant du générateur à 2 ).
3. Régler le générateur à 0 < et le mettre en marche.
4. Fermer l’interrupteur et ajuster le courant du
générateur à 1,8 ).
5. Ouvrir l’interrupteur et placer la boussole sous le
conducteur rectiligne disposé suivant la direction
Nord-Sud.
6. Fermer le circuit et observer la boussole.
7. Ouvrir et fermer le circuit plusieurs fois tout en
Figure 1.1
observant l’aiguille de la boussole. Noter les
observations à Ob1.1. Faire un schéma (Schéma 1.1) de l’aiguille de la boussole (Nord et
Sud) en relation avec les pôles du générateur (+ et -).
8. Le circuit étant toujours fermé, placer la boussole au dessus du fil et observer son
aiguille. Noter les observations à Ob1.2. De même faites le schéma (Schéma 1.2) de
l’aiguille par rapport au fil rectiligne).
9. Eloigner la boussole du dessus du fil et observer la déviation de l’aiguille. Ensuite, placer
la boussole en dessous du fil et l’éloigner vers le bas. Se faisant, observer la déviation de
l’aiguille. Noter les observations à Ob1.3.
10. Placer la boussole parallèlement au conducteur et la déplacer le long de celui-ci en
observant l’aiguille. Noter les observations à Ob1.4.
11. Enfin, placer la boussole au-dessous du fil, ouvrir le circuit, inverser les polarités du
générateur et de l’ampèremètre, fermer le circuit, observer l’aiguille et noter les
observations à Ob1.5.
12. Ramener la tension du générateur à 0 <.
1.
Remarque :
Court-circuiter un générateur, c’est-à-dire brancher directement les bornes d’un générateur
entre elles est très dangereux (électrocution, incendie, …). Ici, le montage en court-circuit est
nécessaire en ce sens qu’il permet de faire passer un courant relativement important pour
dévier l’aiguille de la boussole. A l’intérieur des générateurs de courant continu utilisés, le
courant est limité ou réglé électroniquement limitant les risques du branchement en courtcircuit. Il ne faut donc faire ce branchement qu’un très court instant.
4
Exercice 2 : La bobine en tant qu’électro-aimant
Montrer qu’une bobine traversée par un courant se comporte comme un barreau aimanté, et
découvrir la dépendance de l’intensité de ce champ d’induction magnétique.
Matériel
Au matériel précédent, il faut y ajouter :
- une (1) bobine de 400 spires
- une (1) bobine de 1600 spires
- un (1) noyau de fer en I
- un (1) bloc de connexion
- un (1) câble de connexion, 25 cm, rouge
- un (1) câble de connexion, 25 cm, bleu
- un (1) papier blanc format A4
- des trombones
Procédure et réalisation
1. Tracer deux droites orthogonales sur la feuille de papier et placer la boussole au-dessus de
2.
3.
4.
5.
6.
7.
l’intersection des deux droites, de sorte que son pivot coïncide avec l’intersection des
deux droites. Tourner le papier jusqu’à ce que l’aiguille de la boussole soit suivant la
petite droite. Marquer N et S aux
extrémités de l’aiguille. Ne plus
changer la position de la feuille.
Placer le barreau aimanté à 10 de
la boussole, comme le montre la figure
2.1 et dessiner deux lignes de champ
Figure 2.1
(en pointillé sur la figure 2.1).
Déplacer la boussole lentement autour
du barreau, le long des lignes de
champ tout en observant l’aiguille de
la boussole. Noter vos observations à
Ob2.1
Faire le montage de la figure 2.2, avec
au début l’interrupteur ouvert.
Connecter la bobine de 1600 spires
Figure 2.2
entre les deux longs câbles de
connexion et choisir le calibre 300 ).
Enlever le barreau aimanté et placer la bobine à sa place. Ramener la boussole à sa
position initiale (à l’intersection entre les lignes). Réarranger si nécessaire.
Vérifier que la tension du générateur est réglée à 0 <. Fermer le circuit. Augmenter la
tension du générateur jusqu’à ce que le courant atteigne 250 ). Lentement en observant
l’aiguille de la boussole, rapprocher la bobine et la boussole. Noter ce que vous observez à
Ob2.2.
Déplacer lentement la boussole autour de la bobine, le long des lignes de champs
dessinées tout en observant le mouvement de la boussole. Comparer ce que vous observez
à ce que vous avez observé à Ob2.1. Noter vos observations et le résultat de la
comparaison à Ob2.3.
aux intensités successives de courant suivantes : 250 ), 150 ), 50 ) ; dans chaque
cas, marquer convenablement les positions des extrémités de l’aiguille sur la feuille de
papier (par exemple par des pointillés). Noter vos observations à Ob2.4.
9. Ouvrir l’interrupteur. Régler la tension du générateur à 0 < et remplacer la bobine de 1600
spires par celle de 400 spires.
10. Fermer le circuit. Observer la déviation de l’aiguille de la boussole à 50 ), 150 ) et
250 ). Convenablement, marquer les positions des extrémités de l’aiguille de la
boussole sur une feuille de papier (par exemple par des traits). Comparer les déviations à
celles de la bobine de 1600 spires et noter vos observations à Ob2.5.
11. Glisser le noyau de fer dans la bobine. Comparer la déviation de l’aiguille de la boussole
avant et après le glissement du noyau de fer et noter les observations à Ob2.6.
12. Remplacer l’ampèremètre par un bloc de connexion et inverser les pôles du générateur.
Observer la déviation de l’aiguille de la boussole et noter vos observations à Ob2.7.
13. Déposer des trombones sur la feuille de papier et approcher la bobine avec le noyau de fer
près d’elles. Noter vos observations à Ob2.8.
14. Ramener le générateur de tension à 0 <.
8. Ramener la boussole à sa position initiale. Noter la déviation de l’aiguille de la boussole
Exercice 3 : Production d’une tension électrique
Nous avons vu qu’un conducteur traversé par un courant électrique fait dévier une aiguille
aimantée. Il s’agit ici de voir si l’inverse est possible, c’est-à-dire si la transformation de
l’énergie électrique en énergie mécanique est réversible ?
Matériel
Au matériel précédent, il faut y ajouter :
- un aimant (attelage) en I de longueur 72 mm
- un attelage de serrage
- une aiguille de galvanomètre
- une échelle de galvanomètre
- un cran de connexion avec prise
Procédure et réalisation
1. Assembler le modèle de galvanomètre comme le montre la
figure 3.1 et le placer dans le coin supérieur droit de la
plaquette de montage (le cercle avec la flèche à l’intérieur
est le symbole du galvanomètre).
2. Brancher le circuit suivant le schéma de la figure 3.2 placer
le galvanomètre aussi loin que possible de la bobine.
3. Successivement, suivre les étapes de la procédure. A chaque
étape, observer la déviation de l’aiguille du galvanomètre et
noter les observations dans le tableau 3.1.
Remarque : Les mouvements des étapes A à D et F à G doivent
être aussi rapides que possible.
Figure 3.1
5
A. Déplacer l’aimant avec le pôle Nord dans la bobine
B. Sortir l’aimant de la bobine
C. Déplacer l’aimant avec le pôle Sud à l’intérieur de
la bobine.
D. Sortir l’aimant de la bobine.
E. Faire des mouvements rapides de va et vient de
l’aimant à l’intérieur de la bobine
F. Rapprocher la bobine de l’aimant
G. Eloigner la bobine de l’aimant
H. Laisser l’aimant dans la bobine
I. Avec l’aimant dans la bobine, faites faire à l’aimant
une rotation tout en ne le déplaçant pas.
7. Placer l’attelage dans les deux bobines à la même distance et encore, fermer puis ouvrir le
Figure 3.2
Exercice 4 : Un électroaimant peut-il induire une tension ? Comment ?
Matériel
Au matériel précédent, il faut y ajouter :
- un bloc de connexion
- un noyau de fer en U
Procédure et réalisation
- un câble de connexion rouge de 50
- un câble de connexion bleu de 50
1. Garder le galvanomètre assemblé.
2. Brancher le circuit comme le montre la figure
3.
4.
5.
6.
4.1, d’abord avec l’interrupteur ouvert et sans
l’attelage dans la bobine de 400 spires ; utiliser
le câble de 50 pour connecter le
galvanomètre à la bobine d’induction (1600
spires). Placer la bobine d’induction et la bobine
de champ devant la plaquette de montage.
Choisir le calibre 3 ) pour l’ampèremètre.
Mettre en marche le générateur et le régler à
4 <. Fermer le circuit.
Figure 4.1
Déplacer les bobines de champ et d’induction le
plus rapidement possible, l’une vers l’autre et en
les éloignant l’une de l’autre (le long de leur axe et perpendiculairement à leur axe), tout
en observant la déviation de l’aiguille du galvanomètre. Noter les observations à Ob4.1.
Noter aussi la valeur de l’intensité du courant.
Insérer l’attelage en I dans la bobine de champ et faire les mêmes mouvements que
précédemment. Noter les observations à Ob4.2.
Placer les bobines, l’une à la suite de l’autre comme le montre la figure 4.1. Ouvrir et
fermer l’interrupteur, et noter vos observations à Ob4.3.
circuit. Noter les observations à Ob4.4.
8. Fixer la bobine de champ et
d’induction dans le noyau en U (voir
figure 4.2). Ouvrir et fermer le
circuit. Noter les observations à
Ob4.5. Bien observer et noter
l’amplitude de la déviation de
l’aiguille du galvanomètre.
Figure 4.2
9. Le circuit étant fermé, faire varier la
tension du générateur de 0 < à 4 < ; noter vos observations à Ob4.6.
10. Régler la tension du générateur à 0 < et sélectionner le calibre 300 ) du multimètre;
placer l’attelage sur le noyau en U.
11. Ajuster la tension du générateur pour avoir un courant de 100 ), puis ouvrir et fermer le
circuit ; observer la déviation de l’aiguille du galvanomètre et la comparer à ce que vous
avez noté à Ob4.5. Noter vos observations à Ob4.7.
12. Ajuster la tension du générateur pour avoir un courant de 200 ), puis ouvrir et fermer le
circuit. Observer la déviation de l’aiguille du galvanomètre et la comparer à l’observation
précédente. Noter les observations à Ob4.8.
13. Régler la tension du générateur à 0 <.
Exercice 5 : Le Transformateur monophasé
Le dispositif expérimental est composé du matériel auquel il faut ajouter :
- d’un (1) interrupteur
- de deux (2) bobines
- d’un (1) noyau de fer en U
- d’un (1) noyau de fer en I
- de deux (2) multimètres A
Remarque : Choisir la bobine de couleur rouge comme la primaire et la bobine jaune comme la
secondaire.
Procédure et réalisation
1. Réaliser le montage de la figure 5.1 avec la bobine du primaire (P)
3
K
2
e(t)
<F
1
Figure 5.1
-F
Spire (fil électrique
enroulé sur le fer doux
6
2. Enlacer la bobine du primaire avec une spire faite avec un fil conducteur : -i est la
tension lue par le multimètre. Remplir le tableau 2.
3. Déplacer la spire le long du circuit magnétique (voir figure 5.1). Relever la tension
induite par en position 1, 2 et 3 pour <i = 6 V : - =
4.
5.
3 4
. Calculer A+ =
Faire de même avec la bobine du secondaire (S). Déterminer Uj et A, .
Réaliser le montage de la figure 5.2
K
A
<i
e(t)
V
V
S
P
<j
l
Calculer
l
m
et la comparer avec ~ 9
l
m 6 o
l
. Conclure.
6. Faire le montage de la figure 5.3 avec la bobine rouge.
Q5.4 Calculer la self inductance de la
K
A
bobine à partir d’une mesure de
courant et de tension.
Q5.5 Déterminer la reluctance e du
<i
circuit magnétique.
e(t)
Q5.6 Déterminer la perméabilité du
milieu ferromagnétique et la
Figure 5.3
perméabilité relative Q .
Figure 5.2
Dresser le tableau 5.1 :
<i (V)
i
m
Tableau 5.1
m
l
et la comparer à ~ m
l
6m o
, conclure
On alimente la bobine S. Dresser le tableau 5.2 pour
<j (V)
j
(mA)
6V
~ <j
<i 6 o
(mA)
Calculer
4V
<j
<i
4V
i
=0
6V
<i
~
<j 6
Tableau 5.2
l o
7
UNIVERSITE DE KARA
Faculté des Sciences et Technique
(FaST)
Nom et Prénom du Trinôme :
Année académique :…………………..
Manipulation N :………………………
Date :…………………………………..
Filière
Groupe de TP
1.
2.
3.
FICHE DE TRAVAUX PRATIQUES DE PHYSIQUE
Titre de la manipulation : INDUCTION ELECTROMAGNETISME
1. Introduction
…………………………………………………………………………………………………………………………...………….
..……………………………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
2. Objectifs de la manipulation
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
8
3. Résultats des mesures
Exercice 1 : Effets magnétiques d’un conducteur rectiligne
Observations
Ob1.1………………………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ob1.2…………………………………………………………………...
………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………….
Ob1.3…………………………………………………………………...
………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………….
Schéma 1
Ob1.4…………………………………………………………………...
………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………….
Ob1.5…………………………………………………………………...
………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………….
Schéma 2
Exploitation des résultats
Q11 : Quelle conclusion peut-on tirer des observations 1, 2, 3 et 5 ?
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Q12 : La forme des lignes de champ entourant le conducteur rectiligne peut être déduite des observations 1, 2, 4 et des schémas
1 et 2. Décrire ces lignes de champ.
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Q13 : Le schéma 3 montre comment l’on utilise la règle de la main droite pour déterminer le sens
des lignes de champ entourant un conducteur rectiligne. Formuler la.
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
.……………………………………………………………………………………………………..
Schéma 1
9
Exercice 2 : La bobine en tant qu’électro-aimant
Observations
Ob2.1.…………………………………………………………………………………………………………………………….…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………….…...
Ob2.2……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………….…...
Ob2.3……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ob2.4……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ob2.5……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ob2.6……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ob2.7……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ob2.8……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Exploitation des résultats
Q2.1. Que peut-on conclure des observations Ob2.2, Ob2.3 et Ob2.8 pour une bobine traversée par un courant électrique ?
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
...…………………………………………………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………………………………………………………
10
Q2.2. De quoi dépend l’intensité du champ magnétique créé par une bobine traversée par un courant? Exprimer cette
dépendance en termes de ‘’Le …, le…’’
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
...………………………………………………………………………………………………………………………………….…
Q2.3. La bobine traversée par le courant électrique est appelé électroaimant. Donner les avantages et les inconvénients d’un
électroaimant par rapport à un aimant permanent.
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Q2.4 Donner des exemples d’utilisation de l’électroaimant.
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Exercice 3 : Production d’une tension électrique
Tableau 1
Mouvement
Déviation de l’aiguille
(à gauche/à droite ; grande/petite)
A. Déplacer l’aimant avec le pôle Nord dans la bobine
B. Sortir l’aimant de la bobine
C. Déplacer l’aimant avec le pôle Sud à l’intérieur
D. Sortir l’aimant de la bobine
E. Faire des mouvements rapides de va et vient de l’aimant à
l’intérieur de la bobine
F. Rapprocher la bobine de l’aimant
G. Eloigner la bobine de l’aimant
H. Laisser l’aimant dans la bobine
I. Avec l’aimant dans la bobine, faites faire à l’aimant une rotation
tout en ne le déplaçant pas.
Exploitation des résultats
Q3.1. La tension indiquée par le galvanomètre est appelée tension induite et le processus au cours duquel elle est produite est
appelé induction électromagnétique.
Q3.1.1 De quoi dépend la direction de la tension induite, eu égard aux observations faites de A à D ?
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Q3.1.2 De quoi dépend l’intensité de la tension d’induction, eu égard aux observations faites à E ? (Répondre en utilisant :
‘’Le, … le…’’
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Q3.2 Quelle conclusion peut-on tirer de la comparaison des étapes A à D avec les situations en F et G ?
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
11
Q3.3 Durant le mouvement de l’aimant et de la bobine (bobine à induction) l’une par rapport à l’autre, le champ magnétique
environnant la bobine change. Dans les étapes H et I, il ne paraît pas changer. De ce fait, répondez à la question : à quelles
conditions y a-t-il une tension induite ?
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Exercice 4 : Un électroaimant peut-il induire une tension ? Comment ?
Observations
Ob4.1.…………………………………………………………………………………………………………………………….…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………….…...
Ob4.2……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………….…...
Ob4.3……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ob4.4……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ob4.5……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ob4.6……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ob4.7……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ob4.8……………………………………………………………………………………………………………………………..…
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
12
Exploitation des résultats
Q4.1 De quelles façons, principalement la tension d’induction a été générée dans cette expérience ?
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Q4.2 Aussi, que faut-il nécessairement pour générer une tension induite dans une bobine?
……………………………………………………………………………………………………………………………………....
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Q4.3. A quoi est-on parvenu par l’usage de l’attelage, du noyau en U et finalement de l’association noyau en U et attelage ?
……………………………………………………………………………………………………………………………………....
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Q4.4 Pourquoi la tension d’induction est maximale lorsque l’ensemble des deux bobines est fixé sur un support fermé en fer
(noyau en U et attelage) ?
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Exercice 5 : Le transformateur monophasé
Exploitation des résultats
Ob5.1 Pour la bobine du primaire : remplir le tableau 2
<i
-i
Tableau 2
4V
<i
-i
Le nombre de spires de la bobine primaire : Ui =
6V
l
l
Conclusions
=
Détermination de la fraction A+ lorsqu’on alimente seulement le primaire :
- =
3 4
=
A+ = =
l
Ob5.2 Pour la bobine du secondaire : remplir le tableau 3
Tableau 3
<j
-j
4V
6V
Conclusions
<j
-j
Détermination de la fraction A+ lorsqu’on alimente seulement le primaire :
- =
3 4
=
A, = =
m
13
Ob5.3 Remplir le tableau 5.1 pour seulement la bobine primaire alimentée :
Tableau 5.1
i
Calculer
m
l
<j
(mA)
m
=
=0
4V
<i (V)
~ <j
<i 6 o
j
6V
et la comparer à ~ m
l
6m o
=
Conclure : ………………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ob5.4 Remplir le tableau 5.2 pour seulement la bobine secondaire alimentée :
Tableau 5.2
Calculer
l
m
<j (V)
<i
j (mA)
<
~ i
<j 6 o
l
=
4V
et la comparer avec ~ l9
m 6 o
l
i
=0
6V
=
Conclure :……………………………………………………………………………………………………………………….......
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Q5.1 Etablir l’expression de { :
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Calculer sa valeur : { =
et la comparer à la valeur de √A+ A, =
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Q5.2 Calculer : ;i =
Q5.3 Calculer :
|m
|l
=
et ;j =
,
et comparer à m =
l
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Calculer { à partir des valeurs de #, ;i et ;j . : { =
#=
Comparer à la valeur de { obtenue à Q5.1 : ………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
14
En utilisant les mesures faites avec la bobine rouge (montage de la figure 5.3) :
Q5.4 Calculer la self inductance de la bobine à partir d’une mesure de courant et de tension :
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Q5.5 Déterminer la reluctance e du circuit magnétique :
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
Q5.6 Déterminer la perméabilité du milieu ferromagnétique et la perméabilité relative Q :
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………
15
