Karamö, le prof virtuelLeçon 18 sur 22
Produire une tension alternative
Je sais expliquer comment un alternateur produit une tension alternative, et lire sur un oscillogramme sa période, sa fréquence et sa tension maximale.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire le principe de l'alternateur (rotor, stator)
- Distinguer une tension continue et une tension alternative
- Définir la période, la fréquence et la tension maximale d'une tension alternative sinusoïdale
- Lire un oscillogramme avec la sensibilité verticale et la durée de balayage
- Calculer une fréquence avec f = 1 / T
- Connaître les caractéristiques de la tension du secteur en Guinée
Avant de commencer : La leçon « Déplacer un aimant devant une bobine : effets » (induction, sens et intensité du courant induit) ; la tension électrique et le voltmètre.
1Je découvre
Dans un quartier de Nzérékoré, quand le courant du réseau est coupé, le voisin de Mariama démarre son groupe électrogène. Le moteur tourne bruyamment et, aussitôt, les ampoules de la cour s'allument. Mariama remarque que le groupe ne contient pas de grosses piles : il y a un moteur et, collé à lui, une grosse pièce ronde que son voisin appelle « l'alternateur ».
À l'école, le professeur de physique branche un appareil étrange, un oscilloscope, sur une dynamo qu'il fait tourner à la main. Sur l'écran apparaît une ligne qui monte et descend régulièrement, comme des vagues. Quand il branche une pile à la place, la ligne reste plate et droite.
Mariama se souvient de la leçon précédente : un aimant qui bouge devant une bobine produit un courant qui change de sens selon qu'il s'approche ou s'éloigne. Alors, un aimant qui tourne sans arrêt doit produire un courant qui change de sens sans arrêt…
Comment un alternateur produit-il une tension, et comment décrire cette tension qui « monte et descend » ?
2Je comprends
1. L'alternateur : un aimant qui tourne devant des bobines
Dans la leçon précédente, tu as vu que le courant induit change de sens selon que l'aimant s'approche ou s'éloigne de la bobine. Si l'on fait tourner l'aimant devant la bobine, ses pôles nord et sud passent tour à tour devant elle, en s'approchant puis en s'éloignant. La tension induite change donc de signe régulièrement, à chaque tour.
Un alternateur est un appareil qui transforme un mouvement de rotation en énergie électrique. Il comprend deux parties :
| Partie | Nom | Rôle |
|---|---|---|
| partie qui tourne | le rotor | c'est l'inducteur : un aimant (ou un électroaimant) |
| partie fixe | le stator | c'est l'induit : les bobines dans lesquelles apparaît la tension |
Dans les grands alternateurs, c'est l'aimant qui tourne et les bobines qui restent fixes : ainsi, le courant produit, souvent très fort, sort par des fils immobiles.
Pour faire tourner le rotor, il faut une source d'énergie mécanique :
- 1Une source d'énergie fait tourner une turbine ou un moteur : chute d'eau, vapeur, vent ou carburant.
- 2La turbine ou le moteur entraîne le rotor (l'aimant) de l'alternateur.
- 3Le rotor tourne devant les bobines fixes du stator.
- 4Par induction, une tension alternative apparaît aux bornes des bobines.
- 5Les lignes électriques transportent le courant jusqu'aux maisons.
En Guinée, une grande partie de l'électricité du réseau est produite par des centrales hydroélectriques : l'eau retenue par un barrage (comme ceux de Garafiri, Kaléta ou Souapiti sur le fleuve Konkouré) fait tourner des turbines reliées à des alternateurs. Les groupes électrogènes et les centrales thermiques utilisent un moteur à carburant. La dynamo de vélo est un petit alternateur.
2. Tension continue et tension alternative
L'oscilloscope est un appareil qui trace, sur un écran quadrillé, la tension en fonction du temps. La courbe obtenue s'appelle un oscillogramme. Le temps est sur l'axe horizontal, la tension sur l'axe vertical.
- fournie par une pile ou une batterie
- garde toujours le même signe
- sa valeur reste constante
- oscillogramme : une ligne droite horizontale
- le courant circule toujours dans le même sens
- fournie par un alternateur ou le secteur
- change de signe régulièrement
- sa valeur varie au cours du temps
- oscillogramme : une courbe en vagues
- le courant change de sens régulièrement
Une tension est alternative lorsqu'elle prend alternativement des valeurs positives et négatives. Elle est périodique si elle se reproduit identique à elle-même à intervalles de temps réguliers. La forme la plus courante, celle du secteur, est la tension sinusoïdale, en forme de vagues régulières et arrondies.
3. Les grandeurs qui caractérisent une tension alternative sinusoïdale
- La période T : c'est la plus petite durée au bout de laquelle la tension se reproduit identique à elle-même (la durée d'un motif complet : une « bosse » positive et un « creux » négatif). Elle s'exprime en secondes (s), souvent en millisecondes (1 ms = 0,001 s).
- La fréquence f : c'est le nombre de périodes (de motifs) par seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz).
f = 1T et T = 1f
avec T en secondes et f en hertz.
- La tension maximale Umax : c'est la plus grande valeur atteinte par la tension (le sommet des bosses). Elle s'exprime en volts (V). La tension varie entre +Umax et -Umax.
La fréquence dépend de la vitesse de rotation de l'alternateur : plus le rotor tourne vite, plus la fréquence est grande (et, en général, plus la tension maximale est grande aussi).
4. Lire un oscillogramme
L'écran de l'oscilloscope est découpé en divisions (les carreaux, en général d'environ 1 cm). Deux réglages permettent de passer des divisions aux vraies valeurs :
- la sensibilité verticale (en V/div) : combien de volts représente une division verticale ;
- la durée de balayage (en ms/div ou s/div) : combien de temps représente une division horizontale.
Méthode
Pour lire un oscillogramme :
- Je compte le nombre de divisions verticales entre la ligne du milieu (0 V) et le sommet d'une bosse.
- U_max = nombre de divisions × sensibilité verticale.
- Je compte le nombre de divisions horizontales correspondant à un motif complet (une période).
- T = nombre de divisions × durée de balayage, que je convertis en secondes.
- Je calcule f = 1 / T et j'écris les résultats avec leurs unités.
Exemple
Sur l'écran d'un oscilloscope, le sommet des bosses est à 3 divisions au-dessus de la ligne du milieu et un motif complet occupe 4 divisions. La sensibilité verticale est de 2 V/div et la durée de balayage de 5 ms/div. Calculer U_max, T et f.
U_max = 3 × 2 = 6 V.
T = 4 × 5 = 20 ms = 0,020 s.
f = 1 / T = 1 / 0,020 = 50 Hz.
Exemple
Une tension alternative a une fréquence de 100 Hz. Calculer sa période. Combien de divisions occupera un motif si la durée de balayage est de 2 ms/div ?
T = 1 / f = 1 / 100 = 0,01 s = 10 ms.
Nombre de divisions : 10 ÷ 2 = 5 divisions.
Exemple
On fait tourner l'aimant d'un petit alternateur à 10 tours par seconde. À chaque tour, la tension reproduit un motif complet. Quelles sont la fréquence et la période de la tension produite ?
Un motif par tour, 10 tours par seconde : f = 10 Hz.
T = 1 / 10 = 0,1 s.
Si l'aimant tourne deux fois plus vite, la fréquence double : 20 Hz.
5. La tension du secteur en Guinée
La tension fournie par les prises de courant des maisons (le secteur) est une tension alternative sinusoïdale de fréquence 50 Hz. Sa période est donc T = 150 = 0,02 s = 20 ms : le courant change de sens 100 fois par seconde (deux fois par période).
On dit que le secteur est « en 220 V ». Attention : 220 V n'est pas la tension maximale. C'est une autre valeur, appelée valeur efficace, que tu étudieras dans la leçon suivante. La tension maximale du secteur est plus grande, environ 311 V.
La tension du secteur est dangereuse : on ne la visualise jamais directement à l'oscilloscope au collège. On utilise une basse tension alternative (6 V ou 12 V) fournie par un générateur de laboratoire.
3Je retiens
Je retiens
Un alternateur transforme un mouvement de rotation en énergie électrique : le rotor (aimant, inducteur) tourne devant le stator (bobines, induit).
Une tension alternative change de signe régulièrement ; une tension continue garde toujours le même signe.
Période T : durée d'un motif complet, en secondes. Fréquence f : nombre de motifs par seconde, en hertz.
f = 1 / T et T = 1 / f.
U_max : valeur la plus grande de la tension, en volts.
Oscillogramme : U_max = divisions verticales × sensibilité (V/div) ; T = divisions horizontales × balayage (ms/div).
Secteur en Guinée : tension alternative sinusoïdale de 50 Hz (T = 20 ms), dite « 220 V ».
4Erreurs fréquentes
- Oublier de convertir les millisecondes en secondes avant de calculer f : T = 20 ms = 0,02 s, donc f = 50 Hz (et non 1/20 = 0,05 Hz).
- Mesurer la tension maximale d'un creux à une bosse : U_max se mesure de la ligne du milieu (0 V) jusqu'au sommet.
- Prendre une demi-période (une seule bosse) pour une période complète : il faut une bosse ET un creux.
- Croire que 220 V est la tension maximale du secteur.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie en choisissant le bon mot.
a) Dans un alternateur, la partie qui tourne s'appelle le (rotor / stator).
b) Une pile fournit une tension (continue / alternative).
c) La fréquence s'exprime en (volts / hertz / secondes).
d) Le nombre de motifs par seconde est la (période / fréquence).
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) rotor ; b) continue ; c) hertz ; d) fréquence.
2Exercice 2
Calcule :
a) la fréquence d'une tension de période T = 0,05 s ;
b) la période d'une tension de fréquence 200 Hz ;
c) la fréquence d'une tension de période 4 ms.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) f = 10,05 = 20 Hz.
b) T = 1200 = 0,005 s = 5 ms.
c) T = 4 ms = 0,004 s ; f = 10,004 = 250 Hz.
3Exercice 3
Explique pourquoi un aimant qui tourne devant une bobine produit une tension alternative, et non une tension continue.
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Quand l'aimant tourne, ses pôles passent tour à tour devant la bobine : un pôle s'approche puis s'éloigne, puis c'est au tour de l'autre pôle. Or le sens du courant induit change quand on inverse le sens du mouvement ou le pôle. La tension induite change donc de signe régulièrement, à chaque tour : elle est alternative.
4Exercice 4
Sur un oscillogramme, le sommet des bosses est à 2,5 divisions de la ligne du milieu et une période occupe 8 divisions. Réglages : sensibilité verticale 4 V/div ; balayage 2,5 ms/div.
Calcule Umax, T et f.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Umax = 2,5 × 4 = 10 V.
T = 8 × 2,5 = 20 ms = 0,02 s.
f = 10,02 = 50 Hz.
5Exercice 5
(Type examen) On visualise à l'oscilloscope la tension d'un générateur basse tension branché sur le secteur. Réglages : 5 V/div et 5 ms/div. Un motif complet occupe 4 divisions et l'amplitude est de 1,7 division.
a) Cette tension est-elle continue ou alternative ? Justifie à partir de l'oscillogramme.
b) Calcule la tension maximale.
c) Calcule la période puis la fréquence. Compare avec la fréquence du secteur guinéen.
d) Combien de fois par seconde le courant change-t-il de sens ?
e) On change la durée de balayage pour 10 ms/div. Combien de divisions occupera maintenant un motif ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Elle est alternative : la courbe passe alternativement au-dessus et au-dessous de la ligne du milieu, la tension change donc de signe.
b) Umax = 1,7 × 5 = 8,5 V.
c) T = 4 × 5 = 20 ms = 0,02 s ; f = 10,02 = 50 Hz. C'est la même fréquence que celle du secteur guinéen (le générateur abaisse la tension du secteur sans changer sa fréquence).
d) Le courant change de sens deux fois par période, donc 2 × 50 = 100 fois par seconde.
e) 20 ÷ 10 = 2 divisions.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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