Chapitre I : Courant électrique et méthodes de mesure
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Chapitre I : Courant électrique et méthodes de mesure I - Différents types de courant électrique : Le courant électrique représente le déplacement ordonné des porteurs de charges (électrons dans le cas des conducteurs). La manière avec laquelle ce déplacement se produit détermine le type de courant. Les principaux types de courant sont : Le courant continu, le courant alternatif et le courant pulsatif. 1- Courant continu : C’est un courant de valeur et de sens constants. Les piles et les accumulateurs sont les principales sources de courant continu. La représentation du graphe de ce courant en fonction du temps est donnée sur la figure suivante. 2- Courant Alternatif : C’est un courant dont la valeur et le sens changent périodiquement. Il passe d’une valeur maximale positive à une valeur minimale tout en passant par zéro. Puis il repasse par zéro et arrive à la valeur positive maximale et le cycle se répète. I(A) t(s) 3- Courant pulsatif : C’est un courant dont la valeur change périodiquement, mais dont le sens reste toujours le même. I(A) t(s) Ce graphe représente un court pulsatif obtenu par le redressement du courant alternatif. II- Courant Continu : 1- Intensité du courant électrique : L’intensité du courant électrique est la quantité de charges électriques dq qui traverse un conducteur pendant un temps dt. Elle s’exprime comme : Son unité est l’Ampère (A). La charge est donnée en Coulomb et le temps en seconde. 2- Circuit électrique : Un circuit électrique comporte au moins : - un générateur ; - un récepteur ; - un organe d'ouverture et de fermeture ; - des fils conducteurs Et parfois : - des organes de protection - des appareils de mesures 3- Un peu de vocabulaire - Dipôle : le générateur, le récepteur et l'interrupteur possèdent 2 bornes : ce sont des dipôles. Remarque : le transistor NPN possède trois bornes : c'est un tripôle. - Nœud électrique : c'est le point d'un circuit réunissant au moins deux fils de connexion. - Branche : c'est une portion de circuit comprise entre deux nœuds consécutifs et contenant un ou plusieurs appareils (ABC, DE). - Maille : c'est une boucle fermée (ABCEDA). 4- Sens conventionnel du courant électrique Le courant électrique est orienté du pôle au pôle - à l'extérieur du générateur 4.1- Mesure du courant: L'intensité d'un courant électrique se mesure à l'aide d'un ampèremètre placé en série dans le circuit. Schéma d’un circuit électrique permettant la mesure du courant électrique. 5- Loi des intensités (loi des nœuds). La somme des courants entrant dans un nœud est égale à la somme des courants qui sortent de ce nœud. 6- Tension ou différence de potentiel (d.d.p). a- Définition On appelle tension électrique entre deux points A et B d'un dipôle la différence de potentiel électrique entre les deux bornes. UAB = VA - VB b- Mesure d’une tension : La différence de potentiel aux bornes d’un élément électrique dans le circuit se mesure avec un voltmètre placé en parallèle avec cet élément. L'unité de mesure de la tension électrique est le Volt (V) c- Loi d’addition des tensions : Dans la branche ABC : UAB = VA - VB ; UBC = VB - VC ; UAC = VA - VC donc : UAC = UAB + UBC Dans la maille ABCDEA (Loi des Mailles): UAB + UBC + UCD + UDE + UEA = 0 Remarque : La loi d'additivité des tensions est analogue à la relation de Chasles. UAB est une grandeur algébrique : UAB = – UBA. III- Courant Alternatif sinusoïdal : Le courant alternatif sinusoïdal est périodique. Il s’exprime en fonction du temps sous la forme : Ou : phase à l’origine. On défini les paramètres : Période T(s) : La période est la durée au bout de laquelle la tension reprend la même valeur et recommence de façon identique. Sous multiples de la seconde: 1 ms = 0,001 s = 10–3 s 1μs = 0,000 001s = 10–6 s Fréquence f (Hz): Elle est définie comme l’inverse de la période son unité est le Hertz (Hz) : Pulsation (rd/s) : Elle défini le nombre de tours effectué par seconde c’est donc la vitesse angulaire donnée par : La sinusoïde représentant la tension alternative u, est engendrée par le vecteur appelé vecteur de Fresnel, représenté à l’instant t = 0. Dans le cas vu précédemment, à l’instant t = 0, u = 0. est représenté sur l’axe (Ox), appelé origine des phases. T est la période de la tension ; elle correspond au temps mis par le vecteur pour accomplir 1 tour. En alternatif, un ampèremètre mesure l'intensité efficace Ieff. L'intensité efficace d'un courant alternatif est égale à l'intensité du courant continu qui produirait le même effet calorifique (dans le même dipôle résisté pendant le même temps). Ieff = Im/2 b) En alternatif, un voltmètre mesure la tension efficace. La relation entre la valeur efficace U et la valeur maximale Um d'une tension alternative s'écrit : Ueff = Um/ 2 Notion de déphasage : Une bobine et une résistance sont montées en série sous une tension sinusoïdale. Si on trace les courbes des tensions aux bornes de la résistance et de la bobine on obtient : Les vecteurs et représentent respectivement les tensions u et v. On appelle déphasage entre u et v l’angle j = ( , ). Remarque : la tension v est en retard sur la tension u. Sachant que le déphasage est proportionnel au décalage, on établit la relation : IV- Appareils de mesure de tensions: 1- Ampèremètre : C’est un appareil qui se place en série dans le circuit et qui permet de mesurer le courant traversant un élément du circuit. - À quoi ressemble t-il ? Il s’agit d’un appareil de mesure à 2 bornes de connexion repérées + et COM. Il peut être analogique - ou numérique. Son symbole est : Comment se branche t-il ? Il s’insère en série dans la branche où l’on souhaite mesurer l’intensité du courant. Attention, en continu, il faut respecter la polarité de l’appareil et le courant doit rentrer par la borne + et sortir par la borne COM. Attention à ne pas faire de court-circuit du fait de sa faible résistance interne. - Comment mesure t - on ? o Avec un numérique, très simplement en lecture directe du résultat si calibre automatique, sinon choisir le calibre adéquat supérieur à la valeur à mesurer. (Dans le doute, choisir toujours le calibre le plus élevé et abaisser ce dernier progressivement si nécessaire). o Avec un analogique, c’est une lecture indirecte et donc il faut appliquer la formule : 2- Voltmètre : C’est un appareil qui se place en parallèle sur l’élément du circuit dont on veut calculer la tension ou la différence de potentiel entre ces bornes. Ceci est la photographie d’un multimètre servant à mesurer la tension de 2.41 V. Attention, en continu, il faut respecter la polarité de l’appareil et la pointe de la flèche tension doit être du côté de la borne +. Contrairement à l’ampèremètre, sa résistance interne est élevée. - Comment mesure t-on ? Avec un numérique, très simplement en lecture directe du résultat si calibre automatique, sinon choisir le calibre adéquat supérieur à la valeur à mesurer. (Dans le doute, choisir toujours le calibre le plus élevé et abaisser ce dernier progressivement si nécessaire) Avec un analogique, c’est une lecture indirecte et donc il faut appliquer la formule : - Commutateur AC ou DC pour les appareils numériques ? Si l’on souhaite obtenir une tension continue ou la valeur moyenne d’une tension périodique, le sélecteur à utiliser est : DC (continu). Pour la valeur efficace d’une tension, 2 cas sont possibles : - Tension périodique non alternative sinusoïdale : appareil RMS en mode AC + DC ; - Tension alternative sinusoïdale : appareil pas forcément RMS en mode AC (alternatif). 3- Oscilloscope : Un canon à électrons produit un faisceau d'électrons qui vient frapper un écran fluorescent en son centre. On observe alors un spot sur le centre de l'écran. Schéma de l’intérieur d’un oscilloscope Sensibilité horizontale (ms/div) Sensibilité verticale (V/div) Exemple de façade d’un oscilloscope -Si on applique une tension continue entre les plaques verticales, on observe une déviation du spot vers le haut (si la tension appliquée est positive) ou vers le bas (si la tension appliquée est négative). On observe alors une déviation du spot n = 1,4 division vers le haut. Si la SENSIBILITE VERTICALE Sv est réglée sur 0,5Volt par division (V/div), la tension mesurée est : Sv x n = 0.5 x 1.4 = 0.7 Volts -Si l'on met la "base de temps" en marche, le spot balaye l'axe horizontal et on obtient le signal suivant sur l’écran de l’oscilloscope. La vitesse de balayage horizontal dépend de la SENSIBILITE HORIZONTALE : Sh qui se mesure généralement en s/div, en ms/div ou en μs/div. Si par exemple elle est réglée sur 1ms/div, le spot met 1/1000 de seconde à parcourir un grand carreau sur l'écran, ce qui fait que l'on n'a pas le temps de voir le spot se déplacer Le balayage n'a pas grand intérêt pour des tensions continues. On l'utilise surtout pour visualiser des tensions variables au cours du temps : Sur cet exemple nous visualisons une tension alternative sinusoïdale. Exemple de mesure : Tension de crête ou Amplitude Um (V) n=3 Sv = 2 V/div Um = Sv x n = 3x2 = 6 Volts Période T(s) n=4 Sh = 10 ms/div T= Sh x n = 4x10 = 40 ms=40 10-3s Exercices: 1- Donner la définition de la tension entre deux points d’un conducteur, quel appareil mesure cette tension. 2- Définir le courant électrique, quel appareil permet de mesurer le courant 3- Définir l’intensité du courant, quelle est son unité. 4- Quel est sens conventionnel du courant électrique. 5- Trouver la valeur, non indiquée, de l’intensité dans chacun des cas suivants : 6- Trouver la valeur, non indiquée, de l’intensité dans chacun des cas suivants : 7- On donne I3 = 0,2 A et I5 = 0,4 A. a) Donner les valeurs des intensités I7 et I8. ………………………..…..… ………………………………………………………………………......... b) Donner la valeur de l'intensité I4. ……………………………………… c) Donner la valeur de l'intensité I2. ……………………………………… …………………………………………………………………………….. d) Donner la valeur de l'intensité I6. ……………………………........…… …………………………………………………………………………….. e) Donner la valeur de l'intensité I1. ……………………………………… ……………………………………………………………………………................................... 8- Dans le circuit ci – contre a ) Quelle est l’intensité I1 qui traverse le dipôle R1? ....................................................................................... b ) Calculer la tension U1 aux bornes du dipôle R1. ....................................................................................... c ) Calculer la valeur de la résistance du dipôle R2. ....................................................................................... d ) Que vaut la tension U3 aux bornes de R3? Calculer la valeur de la résistance du dipôle R3. e ) Que vaut la tension U4 aux bornes de R4? Calculer la valeur de la résistance du dipôle R4. 9- Une bobine et une résistance sont montées en série sous une tension alternative sinusoïdale. a- On trouve les mesures efficaces des tensions uL, uR et u : UR = 4 V UL = 3 V U = 6.5 V. Que constatez-vous ? b- A l’aide de l’oscilloscope on trouve = 45° c- Construire , et la somme 10- Donner les valeurs de la tension et la fréquence de ce signal. 11- On visualise sur un écran d'oscilloscope les 2 tensions représentées ci-dessous : abcde- Déterminer : La période, la fréquence et la pulsation des tensions u1 et u2 la valeur de la tension maximale et efficace des tensions u1 et u2 Mesurer le décalage en temps θ existant entre les deux tensions (en ms). Calculer l'angle de déphasage φ entre les deux tensions. Rappel : f- En prenant u1 comme référence des phases, écrire les équations horaires des 2 tensions et les représenter par des vecteurs de Fresnel.
