582693614 Page 1 sur 6 Cours-TD n°2 IMRT2 2008-2009 REGIMES SINUSOIDAUX PERMANENTS Ce cours-TD est le prolongement du TP « courants et tensions variables » fait en première année. 1. RAPPELS : COURANTS ET TENSIONS VARIABLES Les tensions et intensités variables ont des valeurs non constantes au cours du temps . 1.1. Tensions variables particulières 1.1.a. Tension alternative C’est une tension qui change de signe au cours du temps : elle est donc alternativement positive puis négative. Une tension alternative peut également être symétrique quand elle varie de la même manière ( ou symétriquement ) dans les valeurs positives et négatives. 1.1.b. Tension périodique C’est une tension qui se reproduit identique à elle-même au cours du temps ; ceci se produit toutes les périodes : on note la période T ; son unité est la seconde . On définit également la fréquence f de la tension : c’est le nombre de périodes par seconde ; on 1 peut donc la calculer par la relation f ; l’unité de fréquence est le Hertz , de symbole Hz . T Remarque : 1 Hz = 1 s-1 1.2. Grandeurs caractérisant les tensions variables Préalable : les notations indiquées dans ce paragraphe sont impératives et doivent absolument être apprises et respectées. Valeur instantanée d’une tension variable 1.2.a. La valeur instantanée u est la valeur que prend la tension variable à un instant t donné : on la note en minuscules : on la visualise en général à l’oscilloscope Valeur efficace d’une tension variable 1.2.b. C’est la tension continue qui provoquerait la même dissipation d’énergie calorifique par effet Joule que la tension variable pendant la même durée ; on la mesure avec un voltmètre en position AC+DC ( alternative current + direct current ) On la note U ou Ueff Valeur moyenne d’une tension variable 1.2.c. C’est la tension continue qui provoquerait le même déplacement de charges que la tension variable pendant la même durée ; on la mesure avec un voltmètre en position DC ( direct current ) On la note <U> ou Umoy 1.3. Un cas particulier très important : les tensions sinusoïdales Les tensions sinusoïdales sont symétriques et périodiques. La valeur instantanée d’une tension sinusoïdale s’exprime ainsi : u U max .sin( Umax est la valeur maximale de la tension ( ou amplitude ) ( 2 .t ) est sa phase à l’instant t T ( ) est sa phase à l’instant t=0 ( ou phase à l’origine ) 2 .t ) T 582693614 Page 2 sur 6 Dans ce cas particulier de la tension sinusoïdale , il existe une relation simple entre U ( la valeur U efficace de la tension ) et Umax ( sa valeur maximale ) : U max 2 1.4. Les intensités variables Tout ce qui a été dit dans les paragraphes précédents pour les tensions variables peut être généralisé pour les intensités des courants variables ( non constants dans le temps ). On pourra donc de la même manière définir pour un courant variable : Son intensité instantanée i Les valeurs efficace I et moyenne Imoy de cette intensité variable De même les courants qui parcourent les circuits électriques alimentés par le secteur ont des I 2 intensités sinusoïdales d’expression i I max .sin( .t ) et de valeur efficace I max T 2 2. LES DIPOLES EN REGIME CONTINU 2.1. Rappels ( vus au TP n°2 de 1ère année ) La caractéristique d’un dipôle est la courbe reliant les variations de la tension UAB à ses bornes en fonction de l’intensité du courant I qui le traverse ( il faut alors préciser les conventions d’orientation de la tension et du courant ) . Quelques propriétés particulières des dipôles : Caractéristique passant par l’origine ( UAB = 0 quand I =0 ) : dipôle passif Caractéristique ne passant pas par l’origine ( UAB 0 quand I =0 ) : dipôle actif Caractéristique symétrique par rapport à l’origine : dipôle symétrique ( son comportement est identique quel que soit son sens de branchement ) 2.2. Le conducteur ohmique La caractéristique d’un conducteur ohmique est une droite passant par l’origine ; on en déduit la relation simple : UAB = R. I qui est la loi d’Ohm. Conditions d’application de cette loi : A B I R UAB Le courant rentre dans le dipôle par la borne A (c’est la convention récepteur ) R est la résistance du conducteur ohmique ( Unité de R : Ohms ( ) si UAB est en Volts et I en A ) 2.3. Le condensateur Un condensateur est constitué de deux armatures métalliques très proches l’une de l’autre et séparées par un isolant (papier paraffiné, air, électrolyte gélifié pour les condensateurs chimiques). D’un point de vue électrique, c’est donc un circuit ouvert. électrons + courant Charge du condensateur : Quand on soumet un condensateur à une tension continue, ses armatures accumulent simultanément des charges de signes contraires en quantités égales . Elles se chargent progressivement jusqu’à une charge maximale Le courant électrique circule donc pendant le temps de la charge. Il est maximum au début de la charge puis diminue progressivement jusqu’à devenir nul. 582693614 + Page 3 sur 6 Condensateur chargé : Quand le condensateur est complètement chargé, le courant ne circule plus et il existe entre ses armatures une tension U proportionnelle à la charge commune Q des armatures (charge du condensateur) ( la tension atteinte en fin de charge +Q U est égale à celle du générateur ) -Q Q U U et Q étant des grandeurs proportionnelles les rapports et U Q sont …………. Q On définit la capacité du condensateur C = U Unités : C en farad (F) ; Q en coulomb (C); U en volt (V) Remarques : 1 F est une valeur très élevée de capacité ; les capacités sont exprimées le plus souvent en F , nF et pF 1 F(microfarad) = ….. F ; 1 nF(nanofarad) = ….. F ; 1pF (picofarad) = …..F Calculer la charge finale d’un condensateur de capacité 100 F soumis à une tension de 5 V . Calculer la charge finale d’un condensateur de capacité 500 F soumis à une tension de 5 V . Calculer la charge finale d’un condensateur de capacité 100 F soumis à une tension de 10 V . Décharge du condensateur : Si on relie le condensateur chargé à un circuit fermé, les charges accumulées sur les armatures s’écoulent progressivement dans le circuit jusqu’à devenir nulles : le courant +Q condensateur se décharge. R Le courant électrique circule donc pendant le temps de la décharge. Il est -Q maximum au début de décharge puis diminue progressivement jusqu’à devenir nul. En fin de décharge , la charge Q du condensateur est …….., la tension U à ses bornes est ……………. Rapidité de charge ( ou de décharge ) : La durée de la charge ( ou de la décharge ) d’un condensateur dépend de sa capacité C et de la résistance R du circuit qui l’alimente : elle est sensiblement égale à 5.RC. Calculer ( en s puis en ms ) la durée de charge ( ou de décharge ) d’un condensateur de capacité 20 nF à travers une résistance de 200 k ? Oscillogramme de charge (par une tension de 3 V) 3. de décharge 582693614 Page 4 sur 6 3. LES DIPOLES EN REGIME SINUSOÏDAL PERMANENT 3.1. Comment caractériser le comportement d’un dipôle en régime sinusoïdal ? 3.1.a. Régime sinusoïdal permanent Quand un dipôle est soumis à une tension sinusoïdale de façon permanente, on dit qu’il est en régime sinusoïdal permanent ( ou en régime sinusoïdal forcé ). On observe alors que la tension u aux bornes d’un dipôle et l’intensité i du courant qui le traverse sont également des grandeurs sinusoïdales de même fréquence f que la fréquence imposée par le générateur sinusoïdal qui l’alimente. Le comportement dipôle est forcément différent de celui qu’il peut avoir en régime continu, puisque la tension qui l’alimente ne cesse de changer . Pour la tension du secteur ( U = 220 V efficaces ; f = 50 Hz ), combien de fois par seconde la tension d’alimentation change-t-elle de sens ? Entre quelles valeurs extrêmes évolue-t-elle ? Combien de fois par seconde une tension de fréquence 1 kHz change-t-elle de sens ? Même question quand sa fréquence vaut 10 kHz puis 100 kHz . On conçoit bien qu’un dipôle n’aura sans doute pas le même comportement quand sa fréquence d’alimentation augmente. En effet, si on augmente la fréquence du générateur, cela impose au dipôle d’évoluer de plus en plus vite et de changer de plus en plus vite d’état. Dans le cas du régime sinusoïdal permanent , on étudiera comment varie le comportement du dipôle quand on fait varier la fréquence qui l’alimente. 3.1.b. Impédance et déphasage Pour comprendre le fonctionnement du dipôle, on va donc étudier : 2 2 .t ) U . 2.sin( .t ) La tension à ses bornes : u U max .sin( T T 2 2 .t ') I . 2.sin( .t ') L’intensité du courant qui le traverse : i I max .sin( T T Pour faire cette étude, on utilise ( comme en continu ) la convention récepteur pour le fléchage de u et de i. i Compléter sur le schéma ci-contre le fléchage de i en respectant la convention récepteur dipôle u Pour caractériser simplement u et i , on étudie deux grandeurs : le déphasage de la tension u par rapport au courant i ( noté u / i ) et l’impédance du dipôle ( notée Z ). A. Impédance du dipôle U I ( U : valeur efficace de la tension u à ses bornes ; I : valeur efficace de l’intensité i qui le parcourt ) L’impédance Z d’un dipôle est défini par la relation Z 582693614 Page 5 sur 6 Remarque : on peut faire l’analogie entre la définition de la résistance en continu R U et de I U I l’impédance en sinusoïdal Z L’unité de l’impédance est par conséquent la même que celle de la résistance : ………….. de symbole ………………. ( à condition que U soit exprimée en …….. et I en ……… ) En continu , on avait également défini la conductance G par G on définit de même l’admittance A d’un dipôle par A 1 Z 1 ( unité 1 ) ; en sinusoïdal, R ( unité 1 ) . Pour mesurer l’impédance d’un dipôle , comment doit-on procéder d’un point de vue expérimental ? B. Déphasage de u par rapport à i le déphasage u / i comme la différence entre la phase de Mathématiquement , on définit 2 2 .t ) et celle de i I . 2.sin( .t ') . T T On a par conséquent u / i .................. .................. .... .... u U . 2.sin( Voici quelques cas particuliers de déphasage : u et i sont en phase Déterminer, la période, la fréquence et la valeur efficace de u et de i On trouve ce cas pour des déphasages égaux à 0, mais également 2, 4, 62, -4, -6 etc… car la période de la fonction sinus est égale à 2 ( un déphasage de 2 ne change donc rien ) Conclusion : un décalage ( en temps ) d’une période équivaut à un déphasage ( en phase ) de 2 radians. u et i sont en opposition de phase Déterminer, la période, la fréquence et la valeur efficace de u et de i On trouve ce cas pour des déphasages égaux à -, -3, - 5 etc… , 3, 5, 582693614 Page 6 sur 6 Détermination expérimentale du déphasage : Pour déterminer le déphasage u / i de u par rapport à i, on doit observer les oscillogrammes de u et de i et graduer l’axe horizontal en radians . Pour cela, on utilise la correspondance vue auparavant : un décalage ( en temps ) d’une période équivaut à un déphasage ( en phase ) de 2 radians. → Exemple 1 : on observe que la tension u s’annule 2 ms après l’intensité i .La tension u est donc en retard sur l’intensité i : le déphasage u / i est donc négatif. Une période correspond ici à 8 carreaux. Pour les déphasages, on donc 8 carreaux pour 2 radians Pour 1 carreau, le déphasage est donc de 2 donc de . 8 4 Le déphasage est ici de 1 carreau ( en retard ) : on a donc u / i 4 → Exemple 2 : déterminer le déphasage u / i dans le cas ci-contre . Applications : 1. Un générateur impose aux bornes d'un dipôle une tension sinusoïdale : u = 25.cos (100.t) ( u en V ). L'intensité instantanée du courant qui traverse ce dipôle s'écrit : i = 0,5.cos (2.f.t – /4) ( i en Ampère ) a) Calculer l'intensité efficace et la tension efficace aux bornes de ce dipôle b) Déterminer la fréquence de la tension ; en déduire celle de l’intensité du courant c) Déterminer le déphasage u / i de la tension par rapport à l'intensité d) Calculer l'impédance Z du dipôle 2. Les 3 oscillogrammes ci-dessous représentent les variations de la tension et de l’intensité d’un dipôle en régime permanent ( oscillogramme 1 : i ( 1 mA /div); oscillogramme 2 : u ( 5 V /div)) . Pour chaque cas , déterminer : a) La fréquence et les valeurs efficaces de la tension u et de l’intensité i b) L'impédance Z du dipôle ( et son admittance A ) c) Le déphasage u2 / u1 de la tension u2 par rapport à la tension u2 Base de temps : 0,20 ms.div-1 1 ms.div-1 10 s.div-1