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LYCÉE JEAN BART PHYSIQUE - PCSI But du TP : Tracer la caractéristique courant-t

LYCÉE JEAN BART PHYSIQUE - PCSI But du TP : Tracer la caractéristique courant-tension d'une résistance et d'une DEL point par point. Visualiser une caractéristique à l'oscilloscope pour caractériser un dipôle inconnu. Matériel disponible : GBF, alimentation stabilisée, deux multimètres Metrix, Résistances, DEL, oscilloscope I. Tracé de la caractéristique courant-tension d'une résistance 1) Montage courte ou longue dérivation ? Une résistance est un dipôle électrique dont la caractéristique courant-tension découle de la loi d’Ohm : U = RI Pour pouvoir tracer la caractéristique statique I(U) d’une résistance réelle, il faut être capable de mesurer la tension U aux bornes de cette résistance (à l’aide d’un voltmètre) ainsi que le courant I qui la traverse (à l’aide d’un ampèremètre). Deux montages sont alors possibles : Il faut savoir qu’un voltmètre réel présente une résistance d’entrée de l’ordre de 10 MΩ et qu’un ampèremètre réel possède une résistance interne d’environ 10 Ω, les deux montages précédents auront une influence différente sur la mesure selon qu’on s’intéresse à une petite (de 10 Ω à 1000 Ω) ou à une grande (de 1 à 10 MΩ) résistance. Manipulation : ✔ Vérifier l’influence du choix du montage sur la mesure de la tension et du courant aux bornes d’une résistance : d’abord sur une résistance R1 ≈ 20 Ω puis sur une résistance R2 ≈ 1 MΩ. On prendra une tension d’alimentation U0 ≈ 5V. 2) Tracé de la caractéristique d'une résistance point par point Pour tracer la caractéristique de la résistance, il faut faire varier la tension à ses bornes et donc la tension entre les nœuds A et B. Pour ce faire, on va relier à ces nœuds une alimentation stabilisée dont on peut faire varier la force électromotrice à vide U0. On fera bien attention à ce que l’alimentation reste une source de tension (pas de limitation du courant). Manipulation : ✔ Tracer point par point la caractéristique courant-tension d’une résistance R ≈ 1kΩ. On fera varier U0 de 0V à 8V environ. ✔ Tenir compte des incertitudes types élargies à un niveau de confiance de 95 % sur les mesures de tension et d'intensité. Les faire apparaître sous forme de barres d'incertitudes sur le graphique. ✔ Comparer la valeur de la résistance estimée à celle fournie par le ohmmètre. TP 8 : Tracés de caractéristiques courant-tension LYCÉE JEAN BART PHYSIQUE - PCSI 3) Tracé automatique de la caractéristique d'une résistance Un oscilloscope permet de tracer directement des courbes en mode XY : il mesure X(t) et Y(t) puis trace la courbe Y(X). C’est exactement ce que l’on cherche à faire pour les caractéristiques courant-tension. En alimentant la résistance par une tension alternative E(t), on parcourt la caractéristique automatiquement. En mesurant la tension aux bornes de R, on obtient uR(t). Malheureusement, un oscilloscope ne sait pas mesurer un courant... Pour obtenir i(t), on doit ainsi mesurer la tension aux bornes d’une autre résistance R' mise en série avec la première. La tension mesuré u'(t) vaut alors R' i(t) : on a alors accès à i(t). Le montage ci-contre nécessite un GBF dont la masse est flottante (i.e. pas au niveau de sa borne -) pour pouvoir placer la masse du circuit entre les deux résistances. On peut également utiliser un transformateur d'isolement. Dans ce cas, on mesure uCB = - uR sur la voie Y et uAB = uR' = R'i(t) sur la voie X. Il faudra donc inverser la voie Y pour obtenir le résultat souhaité. Manipulation : ✔ On prendra R = 600 Ω , R' = 1k Ω et une alimentation E(t) de fréquence 100Hz et d’amplitude 5V environ. ✔ Vérifier que la pente obtenue est bien conforme au modèle établi. II. Tracé de la caractéristique courant-tension d'une DEL Pensez à garder la résistance R' = 1kΩ pour ne pas endommager le circuit… Déterminer et mettre en œuvre un protocole expérimental permettant de tracer la caractéristique d'une DEL. Caractériser alors le dipôle étudié. LYCÉE JEAN BART PHYSIQUE - PCSI ANNEXE 1 : Caractéristique courant-tension d'une alimentation stabilisée Il faut remarquer qu'une alimentation stabilisée se comporte comme un générateur idéal de tension ou d’intensité suivant les conditions. Une alimentation stabilisée peut-être modélisée par l’intersection d’un générateur réel de tension (de très faible résistance interne) de tension à vide U0 et d’un générateur réel de courant dont le courant de court-circuit vaut I0 : ➢tant que le courant demandé ne dépasse pas I0, l’alimentation est une source de tension quasi-parfaite ➢lorsque le courant demandé devient proche de I0, la tension aux bornes de l’alimentation diminue pour se comporter comme une source de courant quasi-parfaite Il est bien entendu possible de régler les valeurs de U0 et I0. ANNEXE 2 : Mesure de résistances au ohmmètre ✔ En ohmmètre, le multimètre envoie dans le dipôle un courant de faible intensité, de valeur connue, et mesure la tension qui apparaît alors aux bornes du dipôle. ✔ L’appareil indique alors le rapport R=u/i de ces deux grandeurs. ✔ En mode ohmmètre, le multimètre est un circuit actif. ✔ Conséquence : le dipôle doit donc être sorti du circuit dans lequel il se trouve pour effectuer la mesure de sa résistance. ✔ Les multimètres peuvent mesurer des résistances de 0 Ω à 20 MΩ. LYCÉE JEAN BART PHYSIQUE - PCSI ANNEXE 3 : Incertitudes de mesure des grandeurs électriques ✔ Consulter la documentation/information sur le multimètre utilisé (ou le mode SPEC du multimètre MTX 3250) ✔ L'incertitude-type de la mesure est de la forme : "x % lecture ± n digits" ✔ La valeur de l’unité de représentation (UR) ou « digit » est égale à une unité de la décade de poids le plus faible de l’affichage. Pour un affichage R = 0,998 Ω le digit vaut 0,001 Ω ✔ Exemple de calcul d’incertitude-type élargie de mesure de tension : Un voltmètre à 4 digits réglé sur un calibre de 2V affiche 1,675 V. La notice de l'appareil indique une incertitude-type de 0,2 % ± 4 digits. Mesure de tension Contribution « 0,2 % » Contribution « 4 digits » Incertitude-type Incertitude-type élargie 1,675 V 0,003 V 0,001 * 4 = 0,004 V 0,007 V 2*0,007 V = 0,014 V ✔ Le résultat de la mesure doit alors s'écrire : U = (1,675 ± 0,014) V ANNEXE 4 : Utilisation d'un multimètre Un multimètre numérique est un appareil multifonctions qui peut servir : ✔ de voltmètre continu ou alternatif (mesure de tensions) ✔ d’ampèremètre continu ou alternatif (mesure de courants) ✔ d’ohmmètre (mesure de résistances) ✔ et parfois de capacimètre L’appareil possède en général 3 types de bornes : ✔ une borne commune à toutes les mesures (borne COM ou COMMON) utilisée généralement comme masse ✔ une borne permettant la mesure d’intensités (borne mA ou 20A) ✔ une borne permettant la mesure de tensions et de résistances (borne V/kΩ ) Comment choisir le bon calibre ? La molette RANGE permet de choisir le calibre adapté à la mesure. Pour ne pas endommager l’appareil de mesure : 1. Lors de mesures de valeurs inconnues, il faut choisir d’abord le calibre de mesure le plus élevé 2. Ensuite on commute sur des calibres de mesure plus faibles, jusqu’à atteindre la résolution optimale. La précision de la mesure dépend du multimètre et du calibre choisi : la résolution optimale correspond au plus petit calibre supérieur à la mesure. uploads/s3/ caracteristiques-courant-tension.pdf