Tension continue et tension alternative.

1. Introduction.

Depuis la classe de cinquième on ne parle que de tension continue et on ne travaille qu'en tension continue. Mais il existe une autre tension : la tension alternative.

Comparons deux lampes de tension nominale 6V branchées l'une sur un générateur de tension continue de 6V et l'autre sur un générateur de tension alternative de 6V également : on constate que les deux lampes brillent de la même façon.

Plaçons un multimètre aux bornes de chaque générateur afin de mesurer leur tension. Ils affichent tous les deux une tension de 6V.

Avec le matériel utilisé depuis la cinquième, on ne peut différencier simplement une tension continue d'une tension alternative. On utilise un nouvel instrument : un oscilloscope.

2. Visualisations et mesure d'une tension continue de 6 V à l'aide d'un oscilloscope.

2.1 Visualisation.

Sur l'écran ci-dessus, la vitesse de déplacement du spot est de 0,2 s par carreau (soit 2 s pour parcourir l'écran complet): on peut le suivre sur son parcours. Il se déplace horizontalement à trois carreaux au dessus de la ligne graduée ou il se déplaçait en absence de mesure.

Sur l'écran ci-dessus, la vitesse de déplacement du spot est de 20 ms par carreau (soit 0,2 s pour parcourir l'écran complet): on ne peut observer qu'un trait lumineux. Par rapport à l'origine (axe horizontal gradué au centre de l'écran), il se déplace aussi horizontalement à trois carreaux au dessus.

2.2 Mesure de la tension continue.

Le point lumineux défile sur l'écran à trois carreaux au dessus de l'origine. Le calibre des tensions est de 2 V par carreau.

La tension continue (Ucc) est de : Ucc = 3 . 2 V = 6 V.

Remarques :

• quelle que soit la vitesse de défilement du point lumineux, la tension ne varie pas au cours du temps.
• Dans le cas d'une tension continue, il est plus rapide et simple d'utiliser un multimètre numérique !

2.3 Définition d'une tension continue.

Une tension continue est une tension qui reste invariable au cours du temps.

3. Visualisation et mesure d'une tension alternative.

3.1 Visualisation.

a) Visualisation sans défilement : la sensibilité horizontale n'est pas activée. Le point se trouve à l'intersection des deux axes lorsque l'oscilloscope est en attente.

Dès que l'on branche l'oscilloscope sur le générateur de tension alternative, le point lumineux monte régulièrement de 4,2 carreaux puis redescend, passe par 0 et descend de - 4,2 carreaux puis remonte de nouveau à + 4, 2 carreaux et ainsi de suite.

La tension est alternativement positive (écran 1) puis négative (écran 3) en passant à chaque fois par une tension de 0 V (écran 2 et 4).

 

b) Visualisation avec défilement : la sensibilité horizontale est activée. Le point lumineux se déplace sur l'axe horizontal au centre de l'écran lorsque l'oscilloscope se trouve en attente.

Observations : Dès que l'on branche l'oscilloscope sur le générateur de tension alternative 6V on observe que le point lumineux (ou spot) décrit une courbe qui est alternativement positive puis négative. La valeur maximale positive atteinte par le spot est égale à la valeur maximale négative: ici 4,2 carreaux. Le temps que met la courbe du côté des tensions positives est égale au temps qu'elle met du côté des tensions négatives. Remarque : lors de l'étude d'une tension alternative, il est impératif de mettre en fonction le défilement du point lumineux.

3.2 Mesure d'une tension alternative.

a) Mesure de la tension maximale (ou amplitude) d'une tension alternative.

• L'amplitude d'une tension alternative est la tension maximale obtenue pendant le déplacement du point lumineux. On ne tient pas compte de la valeur positive ou négative de la tension. Sur l'oscillogramme représenté, on peut observer que le spot passe cinq fois par un maximum ( aux points A, C, E, G et I ).
• Calcul de l'amplitude de la tension alternative : le maximum se trouve à 4,2 carreaux de l'axe pris pour origine. Le calibre des tensions nous indique que chaque carreau représente une tension de 2 V.

Umax = déviation verticale * calibre des tensions

Umax = 4,2 . 2 V = 8,4 V

Utilisation d'une animation pour la mesure de tension alternative. (Choisir le calibre le plus approprié !)

b) Calcul de la tension efficace d'une tension alternative.

• La tension effectivement disponible aux bornes d'un générateur de tension alternative ne peut pas être égale à sa tension maximale. Cette valeur est atteinte trop peu de temps pour être disponible en permanence aux bornes du générateur. La tension effectivement utile aux bornes d'un générateur de tension alternative se nomme la tension efficace et se note: U
• Calcul de la tension efficace : la tension efficace se déduit de la tension maximale mesurée en utilisant la formule suivante :

Remarque : la tension efficace peut se mesurer directement avec un multimètre numérique. C'est d'ailleurs ce que nous avions fait au début de ce cours et nous avions bien trouvé une tension proche de 6 V. La tension affichée sur le générateur de tension alternative est la tension efficace : c'est celle qui sera directement utilisée aux bornes d'un montage électrique.

c) Calcul de la période d'une tension alternative.

• La période, que l'on note "T", et qui a pour unité la seconde, est le temps que met le point lumineux pour parcourir une alternance négative et une alternance positive. Sur la figure une période est donc le temps mis pour aller du point B au point F ou du point D au point H. On remarque que c'est le même temps pour aller du point A au point E, du point E au point I et du point C au point G ! La période d'une tension alternative peut donc se mesurer à plusieurs endroits.
• Calcul de la période : 4 carreaux séparent le point B du point F. La sensibilité horizontale (ou échelle des temps) nous donne la vitesse que met le spot pour parcourir 1 carreau : 5 ms.

T = nombre de carreaux pour une période * échelle des temps

T = 4 . 5 ms = 20 ms

Utilisation d'une animation pour la mesure de période. (Choisir le calibre le plus approprié !)

d) Calcul de la fréquence de la tension alternative.

• La fréquence, que l'on note "f" et qui a pour unité le Hertz (Hz), correspond au nombre de périodes effectuées en 1 seconde. Si vous observez un générateur de tension alternative, vous vous apercevez qu'il n'y a aucune indication de période mais un bouton de réglage des fréquences. Il faut donc pouvoir faire le lien entre la période mesurable à l'oscilloscope et la fréquence affichée sur le générateur.
• Calcul de la fréquence d'une tension alternative :

f (Hz) = 1 / T (s)

f = 1 / 20 ms = 1 / 0,02 s = 50 Hz

4. Le son.

Le son d'un instrument de musique, comme notre propre voix, sont en réalité une superposition de tension alternative. Le signal final est complexe mais cette animation réalisée par un professeur de Sciences Physiques permet de se rendre compte des phénomènes. Amusez-vous bien tout en apprenant !