II. Influence des différents paramètres sur la constante de
publicité
Terminale S TP de Physique 16. Étude du dipôle R-L 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. On admettra que la tension aux bornes d’une bobine de résistance interne r et d’inductance L est donnée par uBt) = L di(t)/dt + ri(t) 1. Compléter le schéma suivant en indiquant les branchements de l’oscilloscope permettant de visualiser sur la voie 1 la tension uG délivrée par le GBF et sur la voie 2 la tension uR aux bornes du résistor de résistance R. Représenter ces tensions par des « flèches tensions ». 2. Réaliser ce montage et les branchements de l’oscilloscope. On prendra pour résistance R = 1 k et l’on réglera la position du noyau de fer doux de la bobine pour obtenir une inductance d’environ 0,1 H. - Montrer qu’on observera sur la voie 2 la représentation de i = f(t) à un coefficient près. Quel est ce coefficient ? 3. Régler le GBF pour obtenir une tension en « créneaux » variant entre 0 V et 6 V. (L’amplitude de l’échelon de tension est Ue = 6 V) Effectuer les réglages nécessaires (sur le GBF et sur l’oscilloscope) permettant d’observer l’établissement puis l'annulation du courant dans la bobine. Appeler votre professeur de physique préféré du moment avant mise sous tension. 4. Observations. Représenter l’oscillogramme obtenu. - 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 nécessaire pour que l’intensité atteigne 63% de sa valeur maximale. Cette durée 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 R-L 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 . En conservant R = 1 k mesurer pour différentes valeurs de L. L (H) ( /L( 0,1 ) ) - Conclure. 0,2 2. Influence de la résistance R sur la valeur de . Ajuster l’inductance de la bobine à la valeur 0,1 H puis mesurer pour différentes valeurs de R. R () ( 1000 2000 3000 ) - Par quelle relation et R semblent-elles liées ? (calcul de la 3ème ligne) - Conclure. 3. Constante de temps du dipôle R-L. Montrer que le rapport L/R représente un temps. En utilisant les mesures précédentes, comparer et L/R. L (H) R () L/R (s) (s) - Conclure. III. Visualisation de l’intensité circulant dans le circuit à l’aide de l’ordinateur Lancer le logiciel Généris situé dans le répertoire Jeulin du menu démarrer. Réaliser le montage suivant : le générateur continu sera réglé sur 6V, la bobine sera utilisée sans son noyau de fer doux (dans un premier temps) et on choisira R = 10. - La borne (-) du générateur sera branchée aux bornes noires des 2 entrées 1 et 2 de l’interface Exao4. - Les bornes rouges des 2 voies seront branchées comme indiqué sur le schéma ci-dessous. Paramétrage de l’acquisition. Sélectionner les deux voies (directe / et directe //). Mode d’acquisition : f(t) Durée : 10 ms Nombre de points : 201 Cocher synchro et affichage en temps réel. Synchronisation. Voie : Directe // Niveau : 1 (sous-entendu 1 V) Cocher croissant Lancer l’acquisition Refaire l’acquisition en faisant varier R et L et retrouver les résultats obtenus précédemment. ETUDE DU DIPÔLE R-L A) Place et objectifs du TP. 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 Voie 2 R Voie 1 On obtient de bons résultats avec une bobine à noyau réglée aux environs de 0,16 H, une résistance R = 10 k, le GBF délivrant une tension crête à crête de 6 V en dent de scie avec une fréquence de 500 Hz. (Comme la tension aux bornes de la bobine peut être un peu brouillée par des parasites HF, il ne faut pas trop amplifier le signal de la voie 2). La résistance R doit être grande de telle sorte que le GBF se comporte comme un générateur de courant vis à vis du dipôle. On expliquera aux élèves que le résistor permet de visualiser sur la voie 1 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 Inv sur la voie 2). Avec les valeurs proposées, la tension aux bornes de la bobine est voisine de 0,1 V. On peut montrer que cette tension est proportionnelle à (di/dt) en réglant le GBF sur une fréquence de 1000 Hz puis de 1500 Hz : on obtient dans ces cas ubobine = 0,2 V puis ubobine = 0,3 V. On peut également faire varier Imax . Remarque : Le TP n’étant pas très long, cette expérience peut être faite par le professeur en début de séance. Les élèves connaissent donc la relation u = r.i + L.(di/dt) aux bornes d’une bobine. 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. B) Déroulement de la séance. Les problèmes liés à l’utilisation d’une tension en créneaux seront traités comme au TP 06. 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). II. Influence des différents paramètres sur la constante de temps du dipôle R-L. Contrairement à ce qui a été fait pour le dipôle R-C on ne justifiera pas à priori le coefficient 0,63. 1. Influence de l’inductance L sur la valeur de . 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 . 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-L. En rassemblant les mesures des deux tableaux précédents on doit constater que L/R. On notera en conclusion : on appelle constante de temps d’un dipôle R-L le nombre = L/R.
