Comment visualiser une tension électrique

1STL-TC
Date :
Activité : « Comment visualiser une tension électrique ? »
Thème du programme : Habitat
Sous-thème : Gestion de l’énergie dans l’habitat
Type d’activités :
cours
Point
Pré-requis :
– Notion de tension et d’intensité.
– Énergie stockée par une bobine, un condensateur.
Extrait BOEN :
– Effet Joule.
– Énergie stockée dans un condensateur, dans une
bobine.
Compétences attendues :
– Réaliser un circuit électrique d’après un schéma
donné.
– Effectuer expérimentalement un bilan énergétique
dans un circuit électrique simple.
– Mesurer une tension électrique, une intensité électrique dans un circuit en régime sinusoïdal.
– Visualiser une représentation temporelle de ces
grandeurs et en analyser les caractéristiques.
– Analyser les échanges d’énergie dans un circuit
électrique.
– Calculer l’énergie électrique reçue par un récepteur.
Activité
expérimentale,
I. Tension alternative sinusoïdale
Les centrales du réseau EDF fournissent des tensions sinusoïdales. La tension u appliquée aux bornes d’un appareil
électrique est donc sinusoïdale.
1. Représentation de u(t)
L’expression de u(t) est donnée par la relation :
u(t) = Umax × sin(ωt)
u(t) : tension à l’instant t (V)
ω : pulsation (en rad.s−1 )
Umax : amplitude (valeur maximale) (en V)
2. Caractéristiques de u(t)
• La tension maximale ou amplitude Umax (en V).
• La tension efficace Ueff (en V) qui se mesure avec un voltmètre en position AC.
Ueff =
Umax
.....
• La tension moyenne Umoy (en V) qui se mesure avec un voltmètre en position DC.
• La période T (en s) est le temps au bout duquel la tension se répète identique à elle-même.
• La fréquence f (en Hertz de symbole Hz) est le nombre de périodes par seconde.
f=
f : fréquence (Hz)
T : période (en s)
1
T
• La pulsation ω ( en rad.s−1 ) telle que ω = 2πf =
2π
T
II. Analyse d’une tension sinusoïdale
1. Visualisation d’une tension sinusoïdale
– Réaliser le montage ci-contre.
– Régler le GBF afin d’obtenir une tension sinusoïdale, de fréquence légèrement
inférieure à 1000 Hz et de tension efficace Ueff = 6,0 V (ajuster à l’aide du voltmètre
en mode AC).
– Régler la centrale d’acquisition CASSYLAB de la manière suivante :
Voie d’entrée : EA1
Intervalle entre 2 points : 20 µs
Nombre de points d’acquisition : 500
Durée d’acquisition : 10 ms
Déclenchement : source : voie EA1, sens : ascendant, seuil : 0V
– Faire l’acquisition de la tension délivrée par le générateur.
Appeler le professeur pour faire vérifier votre acquisition.
2. Période – Fréquence
1. Mesurer avec précision (en utilisant plusieurs oscillations) la période T de la tension délivrée par le GBF à l’aide
de votre acquisition.
2. En déduire la fréquence f de la tension.
3. Tension efficace – tension maximale
1. Mesurer la valeur de la tension maximale Umax à l’aide de votre acquisition.
2. Faire varier l’amplitude de la tension délivrée par le GBF et compléter le tableau suivant :
Ueff (en V)
Voltmètre
Umax (en V)
EXAO
Umax
Ueff
3. Conclure.
2,0
4,0
6,0
8,0
III. Échange énergétique dans un circuit RLC
– On réalise un circuit comme l’indique le schéma ci-contre, comprenant :
un générateur de tension continue E = 12 V
un condensateur de capacité C = 2 µF
une bobine d’inductance L = 0,15 H
une résistance R réglable (rhéostat 0-100 Ω)
un interrupteur à deux positions
un système d’acquisition relié au PC
– Connecter l’interface afin de visualiser les tensions uc (t) et uR (t) et
régler les paramètres d’acquisition du logiciel. Il faudra penser à activer
la voie B.
Avant d’allumer le générateur, faites vérifier le montage par
le professeur !
– Régler la centrale d’acquisition CASSYLAB de la manière suivante :
Déclenchement : source : voie EB1, sens : ascendant, seuil : 0,05V.
– Charger le condensateur en plaçant le commutateur K en position 1. Lancer l’acquisition, puis basculer l’interrupteur en position 2.
– Régler la valeur de R pour obtenir les oscillations amorties suivantes :
On se propose d’analyser les transferts d’énergie entre le condensateur et la bobine.
1. En utilisant la loi d’ohm, donner l’expression de i(t) en fonction de uR (t) et R.
2. Rappeler l’expression de l’énergie stockée dans un condensateur. On la notera Ec .
3. Rappeler l’expression de l’énergie stockée dans une bobine. On la notera EL .
4. Rappeler l’expression de l’énergie dissipée par effet Joule par la résistance R. On la notera ER .
5. À l’aide du module « calcul » du logiciel de traitement, créer les grandeurs suivantes : Ec et EL .
6. Afficher sur un même graphe (même axe des ordonnées) les courbes Ec (t) et EL (t).
7. Commenter l’allure des courbes Ec (t) et EL (t).
8. L’énergie électrique se conserve-t-elle lors des transferts d’énergie entre le condensateur et la bobine ?
9. Sous quelle forme cette énergie est-elle dissipée ? Justifier.
10. Quelle est l’influence de la valeur de R par rapport à l’évolution des différentes grandeurs ?