Le Courant Alternatif

Les courants continu et alternatifLes courants continu et alternatif

1. Deux types de générateurs

Qu’il soit continu ou alternatif, le courant électrique dans un métal est dû à un déplacement d’électrons libres.

Lorsque le générateur est une pile, les électrons se déplacent toujours dans le même sens, c’est-à-dire de la borne « + » à la borne « – » du générateur. Le courant que fournit une pile va donc toujours dans le même sens : c’est un courant continu.

Si le générateur est une dynamo de bicyclette, les électrons vont aller tantôt dans un sens tantôt dans l’autre. On dit que les électrons oscillent sur place. Une dynamo fournit un courant qui change de sens régulièrement : un courant alternatif.

Les courants continu et alternatifLes courants continu et alternatif

2. Visualisation de tensions aux bornes de ces deux types de générateurs

Etudions les caractéristiques de ces deux types de courant.

Protocole : on branche aux bornes d’un voltmètre les deux types de générateurs et on note les valeurs prises par la tension au cours du temps.

Observation : les représentations graphiques de ces deux tensions en fonction du temps sont les suivantes :

Les courants continu et alternatifLes courants continu et alternatif

Les courants continu et alternatifLes courants continu et alternatifInterprétation :

– Un générateur de courant continu présente à ses bornes une tension constante. C’est elle qui impose aux électrons de se déplacer toujours dans le même sens.

– Un générateur qui fournit du courant alternatif a une tension variable à ses bornes. Elle prend des valeurs positives puis négatives. Une tension positive impose aux électrons d’aller dans un sens ; quand elle devient négative, les bornes du générateur s’inversent et les électrons vont dans l’autre sens. Ce phénomène se reproduit régulièrement.

Maintenant qu’est éclaircie la différence entre courants alternatif et continu, nous pouvons nous demander comment on choisit d’utiliser l’un plutôt que l’autre.

Les courants continu et alternatifLes courants continu et alternatif3. Courant alternatif ou continu ?

Certains appareils électriques tels que lampes, fours, etc. fonctionnent tout aussi bien en alternatif qu’en continu. D’autres, au contraire, ne fonctionnent qu’en courant continu : c’est le cas de certains moteurs d’appareils (les baladeurs, par exemple) qui doivent tourner toujours dans le même sens.

Nos habitations sont alimentées par du courant alternatif. Pourtant il n’en a pas toujours été ainsi ! Au début de l’électricité industrielle, certaines villes pionnières dans la distribution de l’électricité comme New York étaient alimentées en courant continu. Mais on s’est vite aperçu que l’utilisation du courant alternatif (moteurs, appareils, transport) est plus économique en énergie et celui-ci a donc totalement supplanté le courant continu au début des années 50.

Production d’une tension alternativeProduction d’une tension alternative

Comment une dynamo de bicyclette transforme-t-elle notre mouvement en électricité ?

Réponse : si l’on démonte une dynamo, on constate qu’elle est constituée principalement d’un aimant qui tourne et d’une bobine fixe en cuivre. C’est donc la rotation de l’aimant devant la bobine de cuivre qui produit l’électricité. Expliquons un peu cette manière de produire de l’électricité et voyons s’il en existe d’autres.

Production d’une tension alternativeProduction d’une tension alternative1. Produire une tension

Protocole : on branche une bobine de cuivre aux bornes d’un oscilloscope et on déplace un aimant devant celle-ci.

Observation : on constate que le spot dévie verticalement ; cette déviation s’effectue vers le haut ou vers le bas selon le pôle de l’aimant présenté lors du déplacement. En revanche, le spot ne dévie pas quand l’aimant est immobile.

Interprétation : une tension apparaît aux bornes de la bobine quand un aimant se déplace à proximité de celle-ci. Ce phénomène s’appelle l’induction. La tension est positive ou négative selon le pôle de l’aimant situé devant la bobine.

Remarque : le phénomène se produit également si on déplace la bobine près de l’aimant.

La tension produite s’annule dès que le mouvement cesse. Comment faire pour obtenir une tension permanente et si possible alternative.

Production d’une tension alternativeProduction d’une tension alternative2. Produire une tension alternative

Protocole : on fixe un aimant sur un moteur afin de le faire tourner devant une bobine de cuivre (reliée à un oscilloscope).

Observation : une tension alternative est produite aux bornes de la bobine.

Interprétation : à chaque fois que l’aimant fait un demi-tour devant la bobine (c’est-à-dire à chaque fois qu’il lui présente soit son pôle nord soit son pôle sud), la tension change de signe. Un aimant tournant devant une bobine (ou l’inverse) constitue donc un générateur de tension alternative appelé alternateur.

Pour produire une tension alternative avec des caractéristiques données, il suffit de faire tourner l’aimant plus ou moins rapidement : plus sa vitesse est grande, plus la tension maximale et la fréquence de la tension augmentent.

Production d’une tension alternativeProduction d’une tension alternative3. De la dynamo à la centrale électrique

Une dynamo de bicyclette est donc un alternateur ; quand le galet d’entraînement frotte contre la roue, il entraîne la rotation d’un aimant devant une bobine de cuivre : une tension alternative apparaît aux bornes de la bobine reliée aux lampes du vélo.

C’est de la même façon, mais avec des alternateurs plus imposants, qu’on produit industriellement l’électricité : dans les centrales électriques, les différentes formes d’énergie (hydraulique, thermique, nucléaire, etc.) permettent de faire tourner des turbines qui mettent en rotation des rotors (constitués d’aimants) dans des stators (constitués de bobines métalliques), l’ensemble des deux constituant l’alternateur.

Simulation de production de tension alternative

Les propriétés d’une tension alternativeLes propriétés d’une tension alternative

Toute tension alternative peut être différenciée d’une autre par la valeur maximale prise par la tension au cours du temps qui est appelée tension maximale et notée Umax.

Sur le schéma ci-dessus représentant un écran d’oscilloscope, la tension maximale est représentée par 2 divisions verticales pour la courbe noire et par 3 divisions verticales pour la courbe rouge. Si 1 division verticale représente 5 V, la tension maximale est de 2 × 5 = 10 V dans le premier cas et de 3 × 5 = 15 V dans le second.

Les propriétés d’une tension alternativeLes propriétés d’une tension alternative2. La tension efficace

Prenons maintenant un générateur de tension alternative sinusoïdale qui fournit une tension de valeur maximale 10 V mesurée à l’oscilloscope comme dans l’exemple ci-dessus. Branchons aux bornes de ce générateur un voltmètre positionné en alternatif. La tension indiquée n’est pas 10 V mais 7,1 V : le voltmètre n’indique donc pas la valeur maximale de la tension. Mais alors qu’indique-t-il ?

Le voltmètre indique une tension appelée tension efficace et notée Ueff. Pour comprendre à quoi correspond cette tension réalisons l’expérience suivante.

Protocole : on branche deux lampes identiques, l’une aux bornes d’un générateur de tension continue, et l’autre aux bornes d’un générateur de tension alternative sinusoïdale dont on peut régler la valeur maximale de la tension. Des voltmètres permettent de mesurer les tensions aux bornes des deux lampes. On règle la tension alternative de telle façon que l’éclat de la lampe soit la même qu’avec la tension continue.

Observation : lorsque les deux lampes brillent de la même façon, les deux voltmètres indiquent les mêmes valeurs.

Interprétation : la tension efficace d’une tension alternative est égale à la valeur de la tension continue qui produit le même éclat lumineux pour une lampe identique.

La tension maximale Umax est proportionnelle à la tension efficace Ueff et le coefficient de proportionnalité est, pour une tension alternative sinusoïdale, égale à ?, ce que l’on retient de la façon suivante :

Les propriétés d’une tension alternativeLes propriétés d’une tension alternative3. La période d’une tension alternative

Toutes les tensions alternatives visualisées jusqu’à présent peuvent être découpées en parties identiques qui se répètent à intervalles de temps régulier : ces tensions sont dites périodiques et la plus petite partie d’une tension qui se répète est appelée motif élémentaire. La durée pendant laquelle le spot décrit un motif élémentaire est appelée période (exprimée en seconde).

En rouge, est représenté un motif élémentaire et en bleu la période correspondante (notée T).

Remarque : nous connaissons tous des phénomènes qui se répètent à intervalles de temps réguliers : Noël (période de 1 an), la parution d’un quotidien (période de 1 jour), la parution d’un hebdomadaire (période de 1 semaine).

Les propriétés d’une tension alternativeLes propriétés d’une tension alternative4. La fréquence d’une tension alternative

La période d’un quotidien est beaucoup plus courte que la période d’un hebdomadaire : un quotidien a donc une fréquence de parution plus grande qu’un hebdomadaire. Plus généralement, plus un phénomène se reproduit souvent dans un temps donné, plus sa fréquence est grande et plus sa période est petite.

On peut de la même façon définir la fréquence d’une tension périodique. C’est le nombre de fois que se répète le motif élémentaire pendant une seconde. Elle s’exprime en hertz (Hz) et se note f.

Protocole : réglons l’oscilloscope sur une vitesse de balayage de 0,1 s par division. Ainsi, le spot parcourt tout l’écran en 1 s. Visualisons trois tensions alternatives sinusoïdales de fréquences différentes.

Les propriétés d’une tension alternativeLes propriétés d’une tension alternative

Observation : plus la période T de la tension est petite, plus on observe de motifs élémentaires et plus la fréquence de la tension augmente.

Interprétation : la fréquence d’une tension est simplement l’inverse de la période. On a où f est exprimée en hertz (Hz) et T en secondes (s).

L’utilisation d’un Oscilloscope L’utilisation d’un Oscilloscope

A l’hôpital, sont souvent présents au côté des malades des appareils qui permettent de surveiller leur activité cardiaque. Que mesurent exactement ces appareils appelés familièrement des scopes par les médecins ?

Réponse : leur véritable nom est oscilloscope et ils permettent de mesurer les tensions électriques auxquelles le cœur est soumis constamment.

Comment utiliser un oscilloscope pour visualiser une tension ?

L’utilisation d’un OscilloscopeL’utilisation d’un Oscilloscope1. Le balayage d’un oscilloscope

Lorsque l’on allume un oscilloscope, apparaît au centre de l’écran un point lumineux appelé spot. Si on enclenche le balayage de l’oscilloscope, le spot se déplace de la gauche à la droite de l’écran.

Le bouton appelé « vitesse de balayage » (souvent noté Time/div) permet de régler la vitesse de déplacement du spot. Lorsque la vitesse de balayage est grande, l’œil humain ne perçoit plus le mouvement et voit une ligne horizontale fixe. C’est le même principe qui est utilisé dans les téléviseurs. La vitesse de balayage s’exprime en général en millisecondes par division horizontale (ms/div).

L’utilisation d’un OscilloscopeL’utilisation d’un Oscilloscope

Exemple : si on a un balayage de 10 ms/div, cela signifie que le spot met 10 ms pour parcourir une division horizontale. Comme il y a, en général, 10 divisions horizontales sur un écran d’oscilloscope, le spot met 100 ms pour parcourir l’écran.

Branchons maintenant différents générateurs de tension aux bornes de l’oscilloscope. Qu’allons nous observer ?

L’utilisation d’un OscilloscopeL’utilisation d’un Oscilloscope2. Visualisation d’une tension continue

Branchons aux bornes d’un oscilloscope un générateur de tension continue ; le spot dévie verticalement. Plus la tension appliquée est grande, plus la déviation verticale est importante : la déviation verticale est donc proportionnelle à la tension appliquée.

Le bouton de l’oscilloscope appelé « sensibilité verticale » (noté V/div) indique à combien de volts correspond une division verticale. Il devient ainsi facile de mesurer la tension appliquée aux bornes de l’oscilloscope.

Les propriétés d’une tension alternativeLes propriétés d’une tension alternative3. Visualisation d’une tension alternative

Branchons maintenant aux bornes de l’oscilloscope un générateur de tension alternative. La courbe obtenue n’est plus une ligne horizontale et elle prend des valeurs positives et négatives. Comme dans le cas d’une tension continue, la déviation verticale varie proportionnellement à la tension du générateur. Différents types de tensions alternatives existent : sinusoïdales, triangulaires ou en créneaux.

Remarque : agir sur les boutons « vitesse de balayage » et « sensibilité verticale » ne change rien à la tension appliquée ; c’est seulement la visualisation de cette tension qui est différente. Il faut régler ces boutons de façon à visualiser la tension le plus efficacement possible.