La tension alternative sinusoïdale et l'intensité
A) La lecture d’un écran d’oscilloscope
a) L’oscilloscope
Un écran d’oscilloscope peut être considéré comme un repère sur lequel va figurer la courbe représentant la tension suivie en fonction du temps.
L’axe vertical correspond à la tension observée et l’axe horizontal correspond au temps. On parle de division sur un oscilloscope ce qui correspond à un carreau.
La face avant de l’oscilloscope comporte des boutons de réglage qui définissent :
l’échelle des tensions : Sv, la sensibilité verticale, qui s’exprime en V/div ;
l’échelle des temps : Sh, la sensibilité horizontale, a été étudié au collège, mais on utilise de préférence au lycée le terme VB, vitesse de balayage (ou base de temps), qui s’exprime en ms/div.
Pour mesurer une tension, il faut donc multiplier le nombre de divisions verticales par la sensibilité verticale Sv.
Pour mesurer un temps, il faut donc multiplier le nombre de divisions horizontales par la vitesse de balayage VB (ou sensibilité horizontale Sh).
b) La tension sinusoïdale
Une tension sinusoïdale est alternative (elle est successivement positive et négative) et périodique. Sa forme caractéristique se trouve sur le schéma ci-contre :
la période T, exprimée en seconde (s), est la plus petite durée qui permette à la tension de se reproduire identique à elle-même ;
la fréquence f est l’inverse de la période ou le nombre de périodes par seconde : f = ;
de même, la période T est l’inverse de la fréquence : T = .
Remarque
Il faut penser à exprimer la période en seconde pour réaliser un calcul correct de la fréquence.
La fréquence s’exprime en hertz (Hz). La fréquence de la tension du secteur vaut 50 Hz et donc la période vaut : T = = = 0,020 s = 20 ms.
L’amplitude Um est la valeur maximale de la tension au cours d’une période. Pour la mesurer, on utilise aussi l’oscillogramme et on mesure le nombre de divisions verticales séparant la ligne médiane d’un sommet de la courbe.
Exemple
On obtient l’oscillogramme ci-contre lorsque les réglages sont :
VB = 5,0 ms/div et Sv = 2,0 V/div.
1. Déterminer la période et la fréquence de cette tension.
2. Déterminer l’amplitude Um de cette tension.
Réponses :
1. Un motif du signal s’étend sur 3,2 divisions, donc la période vaut T = 3,2 × 5,0 = 16 ms = 16 × 10–3 s.
La fréquence de cette tension est donc l’inverse de la période, f = = 63 Hz.
2. L’amplitude Um de cette tension vaut 2,0 V car il n’y a qu’une division entre la ligne médiane et un sommet. Or une division verticale vaut 2,0 volts, donc l’amplitude vaut 2,0 volts.
B) La tension efficace Ue
La tension efficace Ue d’une tension alternative sinusoïdale est mesurée à l’aide d’un voltmètre.
Elle est liée à la tension maximale par la relation Ue = avec Um et Ue en volts (V).
C) L’intensité du courant électrique
L’intensité I du courant s’exprime en ampère de symbole A. Elle est mesurée à l’aide d’un ampèremètre, branché en série dans le circuit.
La sécurité domestique et au travail
À savoir
Une prise électrique murale est composée de deux fiches femelles dont l’une est la phase et l’autre est le neutre ainsi que d’une fiche mâle, qui est la prise de Terre. La tension efficace entre la phase et le neutre vaut 230 V.
A) L’impact sur les personnes
Il faut éviter l’électrisation, qui est le passage de courant électrique dans le corps humain. Lorsque cela entraîne le décès, il est alors question d’électrocution.
Les effets physiologiques de l’électricité sont liés à l’intensité du courant qui circule dans le corps humain et non à la tension. On considère les dangers liés à un courant passant entre les deux mains ou, entre une main et les pieds d’une personne.
Le tableau ci-après présente les effets du courant alternatif selon l’intensité électrique :
B) Les dispositifs de protection et la classe d’un appareil
Le réseau électrique comporte des fils électriques dont la section doit être adaptée à l’intensité électrique alimentant les appareils.
La protection des installations est réalisée par un système qui coupe l’alimentation dès que le courant dépasse un seuil jugé dangereux (qui pourrait par exemple conduire à un incendie par mise en contact des fils conducteurs après fusion des gaines de protection) pour les instruments électriques à travers lesquels ce courant passe. Ceci est assuré par :
les fusibles, qui fondent dès que l’intensité du courant devient trop élevée ;
les disjoncteurs, qui sont des interrupteurs qui coupent le circuit, dès que l’intensité dépasse la valeur fixée.
L’ensemble de l’installation électrique doit être raccordé à la terre. Cette mise à la terre garantit un cheminement de courant de défaut d’isolement, qui sera détecté par le disjoncteur différentiel, qui déclenchera automatiquement la coupure du courant. Ceci protège les personnes d’une électrisation. Il faut alors :
une prise de terre ;
des conducteurs associés aux différents circuits de l’installation électrique ;
une liaison équipotentielle principale reliant à la terre les canalisations métalliques rentrant dans le bâtiment.
Les hommes sont protégés efficacement de l’électrocution par le disjoncteur différentiel : c’est une protection efficace des hommes. Il va se déclencher dès qu’il détecte un courant de fuite au niveau de la terre, supérieur à un seuil. En général, ce seuil est choisi à 30 mA. Le disjoncteur différentiel est placé sur le panneau électrique principal.
S’il n’y a pas de défaut (pas de rupture d’isolant) I1 = I2, le disjoncteur différentiel (DD) ne se déclenche pas.
En présence d’un défaut d’isolement I1 – I2 = If, le circuit de détection du disjoncteur différentiel compare le courant de fuite If et l’intensité de référence permise Iréf. Si If atteint Iréf (intensité de déclenchement) les interrupteurs s’ouvrent et l’équipement sera automatiquement mis hors tension.
#vidéo
Le disjoncteur différentiel