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CAPLP
CONCOURS EXTERNE ET CAFEP
Section : mathématiques-sciences physiques
Deuxième composition écrite de physique chimie
Durée : 5 heures

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Sujet « zéro » : Physique
EXERCICE I : Comment recharger une batterie de voiture ?
1.1 Etat de la charge d’une batterie
1.1.1.Sur la batterie d’une automobile figurent
les indications : 12 V – 44 Ah.
Donner la signification de ces deux indications.
1.1.2. Différence entre une pile et un accumulateur :
Indiquer brièvement le principe d’une pile et le
principe
d’un accumulateur.
1.1.3. La tension mesurée aux bornes de la batterie
à vide est de 12,5 V. En vous aidant du diagramme
ci-contre (figure 1), que pouvez vous conclure quant
à l’état de charge de la batterie ?
1.1.4. Pour apprécier avec précision l’état de charge
d’une batterie, on mesure la masse volumique de
l’électrolyte et, pour cela, on utilise un pèse-acide.
Expliquer, à l’aide d’un schéma, le principe de
fonctionnement d’un pèse-acide ?
1.1.5. La masse volumique de l’électrolyte ainsi
mesurée est de 1,20 kg /L. Déduire, en vous référant
à la courbe ci-contre (figure 2) :
1.1.5.a. le pourcentage de charge de la batterie ;
1.1.5.b. la quantité d’électricité manquant au regard
de la capacité nominale affichée ;
1.1.5.c. la durée de la charge nécessaire pour
recharger la batterie si l’intensité moyenne du
courant de charge est de 1,9 A.
1.2 Etude du chargeur de batterie
1.2.1. On estime qu’un chargeur de batterie est constitué,
selon les schémas simplifiés de la figure 3 ou de la figure 4, par un
montage composé d’une (ou de plusieurs) diodes D, d’ un résistor R et
d’un transformateur dont la plaque signalétique porte les indications :
230 V/24 V – 50 Hz - 1 kVA.
Donner la signification des indications portées sur la plaque
signalétique du transformateur.
100 %
Batterie chargée
Les objectifs des questions suivantes
1.3, 1.4 et 1.5 sont d’étudier certaines
caractéristiques des principaux
constituants des circuits : le
transformateur, la diode et le
condensateur.
Figure 1
0
80
60
40
20
ρ (kg/L)
Batterie déchargée
Etat de charge
1,20
1,10
1,30
Masse volumique de l’électrolyte
Figure 2
D
R
E
uD
D
u
~
i
K
u
R
Figure 3
Figure 4

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1.3 Etude du transformateur.
1.3.1 Rappeler les lois de Lenz et de Faraday. Décrire succinctement le principe de fonctionnement d’un transformateur
parfait.
1.3.2 Manipulation N°1 : étude du transformateur à vide.
1.3.2.1 Que signifie « transformateur à vide » ?
1.3.2.2 Qu’est-ce que le rapport de transformation ? Si U1 est la tension efficace aux bornes du primaire, U2 la tension
efficace aux bornes du secondaire, N1 et N2 les nombres de spires respectivement des bobines primaire et secondaire,
donner la relation entre U1,U2, N1 et N2.
1.3.2.3 Rédiger un protocole expérimental réalisable dans un laboratoire de lycée professionnel permettant :
 De comparer les caractéristiques (période, tension maximale et déphasage) des tensions instantanées u1
et u2 respectivement aux bornes du primaire et du seconde.
 de vérifier la relation entre U1, U2, N1 et N2.
1.3.3 Manipulation N°2 : étude du transformateur en charge.
1.3.3.1 Un transformateur 24 V/12 V permet d’alimenter une lampe de tension nominale 12 V en utilisant un générateur
24 V. Réaliser un schéma d’un montage permettant de déterminer le rendement du transformateur. Le matériel utile est
constitué d’un générateur 24 V, d’une lampe de tension nominale 12 V, d’un transformateur 24 V / 12 V et de deux
wattmètres. Expliquer la méthode à utiliser pour déterminer le rendement.
1.4 Etude de la diode et du redressement
1.4.1. Indiquer la particularité essentielle d’une diode.
1.4.2 Tracer l’allure de la caractéristique I = f(U) d’une diode réelle. Préciser la notion de « tension de seuil » et, sur le
tracé de la caractéristique, montrer comment on l’obtient.
1.4.4 Dans le montage ci-dessous, le pont de Graëtz, alimenté par un générateur de tension sinusoïdale (12 V , 50 Hz)
débite dans un résistor R. Tracer l’allure de l’oscillogramme obtenu en branchant un oscilloscope aux bornes du
résistor et expliquer pourquoi cet oscillogramme est différent de celui de la question 1.4.3.
G
~
R
D
1.4.3 On réalise le montage ci-contre, où G délivre une
tension sinusoïdale. À l’oscilloscope, on relève la
tension aux bornes du résistor R. Dessiner l’allure de
l’oscillogramme observé.
R
G ~

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1.5 Etude du condensateur
1.5.1 Décrire rapidement un condensateur en précisant les différents éléments constitutifs. A quoi correspond le
« claquage » d’un condensateur ?
1.5.2 Il existe deux types de condensateurs : les condensateurs à lame mince et les condensateurs électrochimiques.
Indiquer les principaux avantages et les principaux inconvénients de chacun de ces types de condensateurs.
1.5.3 Charge d’un condensateur.
On charge un condensateur de capacité C par un courant d’intensité constante I = 330mA. Le condensateur, complètement
déchargé à l’instant t = 0, acquiert, au bout d’une durée Δt = 0,1s, une tension à ses bornes de U = 15V.
Calculer la capacité C en microfarad ( ). Compte tenu de la valeur trouvée, dire s’il s’agit d’un condensateur à lame
mince ou d’un condensateur électrochimique.
1.5.4 Décharge d’un condensateur au travers d’un résistor.
1.6 Etude de la charge de la batterie
Dans le cas de la charge de l’accumulateur comme schématisée
sur la figure 3, la tension aux bornes du secondaire a pour
expression u = U 2sinωt et la diode est idéale. En charge, la
batterie développe une force électromotrice E d’environ 14 V qui
ne doit pas être dépassée sans dégrader l’électrolyte.
1.6.1. Expliciter le rôle de la diode lors de la charge de la batterie.
1.6.2. Préciser à quelle condition elle est passante.
1.6.3. En déduire, sur une période, les instants t1 et t2 entre
lesquels elle conduit.
1.6.4. Dans ce cas, écrire la loi des mailles dans le circuit et
donner la relation entre l’intensité i du courant, la tension u aux
bornes du transformateur, la f.e.m. E de la batterie et la valeur R de
la résistance.
1.6.5. Calculer la valeur de R pour que l’intensité maximale Imax soit de 8 A.
1.6.6. Représenter sur deux périodes, dans le repère figurant en annexe, la courbe u(t) et i(t).
1.6.7. Déterminer la valeur moyenne Imoyen du courant i.
1.6.8. Dans le cas où le chargeur serait constitué du montage suivant :
Lorsque l’on ferme l’interrupteur K, quel est le rôle du condensateur ? Quel sera l’effet sur le courant de charge de la
batterie ? Quel est l’intérêt d’utiliser un tel montage pour charger l’accumulateur ?
R
C
K
Un condensateur de capacité C = 2200 est initialement chargé. La tension à
ses bornes est alors U = 15V.
On réalise le montage ci-contre, avec R = 10 Ω.
1.5.4.a Etablir et résoudre l’équation différentielle permettant d’obtenir
l’expression de la tension u(t) aux bornes du condensateur lorsque l’on
ferme l’interrupteur K.
1.5.4.b Tracer l’allure de la courbe u(t).
1.5.5.c Faire les tracés permettant de retrouver graphiquement la « constante de
temps » du circuit. Expliquer rapidement l’influence d’une
augmentation de cette constante de temps .
C
K
u
~
R
E

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Annexe (à rendre avec la copie)
Exercice I : Comment recharger une batterie de voiture ?