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HAUTE ÉCOLE ROBERT SCHUMAN L'électricité Le courant alternatif BERBEN Tommy Com

HAUTE ÉCOLE ROBERT SCHUMAN L'électricité Le courant alternatif BERBEN Tommy Complément d'information au cours de physique de Mr Thiry 1 INTRODUCTION: UNE BOÎTE BRANCHÉE................................................................................................................................3 2 LE COURANT ALTERNATIF, MAIS QU'EST-CE QUE C'EST ?.......................................................................................................3 3 SUR LA MÊME LONGUEUR D'ONDE.......................................................................................................................................3 4 QUELQUES NOTIONS AVANT DE COMMENCER !....................................................................................................................4 4.1 PÉRIODE.......................................................................................................................................................................................4 4.2 ALTERNANCE..............................................................................................................................................................................4 4.3 FRÉQUENCE...............................................................................................................................................................................4 4.4 VALEUR INSTANTANÉE..................................................................................................................................................................4 4.5 AMPLITUDE DE CRÊTE..................................................................................................................................................................4 4.6 AMPLITUDE PEAK TO PEAK (OU CRÊTE À CREUX)................................................................................................................................4 5 DEUX TYPES DE COURANT EXISTANT.....................................................................................................................................4 5.1 LE COURANT ALTERNATIF (SYMBOLE: ).....................................................................................................................................4 5.2 LE COURANT CONTINU (SYMBOLE: )...................................................................................................................................5 6 PRODUCTION D'UNE TENSION ALTERNATIVE.........................................................................................................................5 7 DÉMONSTRATION DU FONCTIONNEMENT............................................................................................................................6 8 SYSTÈME DE PHASE............................................................................................................................................................... 6 8.1 MONOPHASÉ.................................................................................................................................................................................6 8.2 BIPHASÉ........................................................................................................................................................................................6 8.3........................................................................................................................................TRIPHASÉ ........................................................................................................................................................................6 9 REPRÉSENTATION GRAPHIQUE ET EXPÉRIMENTATION............................................................................................................ 7 10...............................................................................L'ALTERNATEUR INDUSTRIEL, UNE RÉVOLUTION ! 8 11.................................................................................................................LES LOIS DU MAGNÉTISME 8 11.1 FLUX MAGNÉTIQUE ()...............................................................................................................................................................9 12 LA LOI DE JOULE (PETIT RAPPEL)............................................................................................................................................ 9 13 AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS.........................................................................................................................................10 14 CIRCUIT RLC........................................................................................................................................................................ 10 15 LE TRANSFORMATEUR ÉLECTRIQUE.....................................................................................................................................11 15.1 CONSTITUTION.............................................................................................................................................................................11 15.2 BRANCHEMENT............................................................................................................................................................................11 15.3 RELATION ENTRE LES VALEURS EFFICACES..........................................................................................................................................11 16 FORME ET VALEUR DE LA TENSION......................................................................................................................................11 16.1 VALEUR EFFICACE.........................................................................................................................................................................12 16.2 L'IMPÉDANCE...............................................................................................................................................................................13 16.3 LA RÉACTANCE.............................................................................................................................................................................14 16.4 CIRCUIT RLC EN COURANT ALTERNATIF.........................................................................................................................................14 16.5 LA PUISSANCE...........................................................................................................................................................................14 17 EXERCICES........................................................................................................................................................................... 15 18 BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................................................................... 16 18.1 OUVRAGES..................................................................................................................................................................................16 18.2 DOCUMENT AU FORMAT PDF........................................................................................................................................................16 18.3 SOURCE INTERNET........................................................................................................................................................................16 LE COURANT ALTERNATIF Ce chapitre n'a pas pour but de faire de vous de parfais électriciens, mais plutôt de comprendre le fonctionnement du courant alternatif ainsi que son utilisation. Nous aborderons sa fabrication et l'étude de ses caractéristiques, en passant par toute une série de valeurs importante à connaître. Mais attention tout de même à ne pas faire "péter les plombs" ! 1 INTRODUCTION: UNE BOÎTE BRANCHÉE "Parmi ces appareils fournissant de l’électricité, quel est l’intrus ?" Page | 2 A. La pile B. La batterie C. La dynamo de vélo Réponse La réponse est C. La pile et la batterie fournissent une tension continue, c’est-à-dire qu’il faut respecter le sens de branchement, le courant n’allant que dans un sens bien déterminé, du + vers le -. Avec la dynamo ou même la prise de courant, la tension est dite « alternative », c'est-à-dire que le courant change sans arrêt de sens. Le + et le – n’ont donc plus du tout de signification. 2 LE COURANT ALTERNATIF, MAIS QU'EST-CE QUE C'EST ? On appelle COURANT ALTERNATIF un courant qui change périodiquement de valeur et de sens. Par exemple, nos prises de courant produisent un courant électrique qui passe du positif au négatif 50 fois par seconde (50 Hertz). 3 SUR LA MÊME LONGUEUR D'ONDE Le physicien allemand Heinrich Hertz (1857-1894) s’enferme dans son université de Karlsruhe au printemps 1888 et parvient avec l’aide d’un assistant à produire une étincelle aux bornes d’une bobine. Il est surpris de recueillir à l’autre bout de la pièce, sur un bout de fil circulaire, l’onde électromagnétique issue de l’étincelle. Il y a, comme en radio, un émetteur (l’oscillateur) et un récepteur (le résonateur). Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente à une oscillation par seconde (s-1 ou 1⁄s). Nous allons souvent utiliser cette unité pour parler du courant alternatif. 4 QUELQUES NOTIONS AVANT DE COMMENCER ! 4.1 PÉRIODE Intervalle de temps pendant lequel une forme d'onde périodique se reproduit. La période se mesure entre deux points identiques de la forme d'onde, soit sur le flanc montant, soit sur le flanc descendant. Son symbole de grandeur est T et son unité s’exprime en [s]. 4.2 ALTERNANCE Durée d'une demi-période. L'alternance est soit positive, soit négative. 4.3 FRÉQUENCE Nombre de périodes par seconde. Elle se note f et s'exprime en hertz [Hz]. Page | 3 f = 1 T 4.4 VALEUR INSTANTANÉE Valeur d'une forme d'onde à un instant donné. Elle se note par une lettre minuscule. Exemples de notation : i , u , s 4.5 AMPLITUDE DE CRÊTE Valeur maximum positive ou négative que prend une forme d'onde. Elle se note avec un circonflexe sur le symbole de grandeur. Exemples de notation: Î, Û 4.6 AMPLITUDE PEAK TO PEAK (OU CRÊTE À CREUX) Valeur maximum d'une forme d'onde mesurée de sa valeur maximum positive à sa valeur maximum négative. Elle peut se noter de plusieurs manières. Exemples de notation : Upp , Ipp , Ucc , Icc 5 DEUX TYPES DE COURANT EXISTANT 5.1 LE COURANT ALTERNATIF (SYMBOLE: ) Dans un alternateur, un aimant tourne à l'intérieur d'une bobine de fil fixe, ce qui induit un courant dans les fils de la bobine. Parce que l'aimant a deux pôles, un positif et un négatif, le courant oscille: c'est du courant alternatif. Ce principe permet de produire 99% de l'énergie électrique consommé dans le monde. La fréquence du courant alternatif dépend de la vitesse à laquelle tourne le rotor. Dans notre réseau électrique à 50Hz (Hertz), les électrons changent de direction 100 fois par seconde ! L'émergence du courant alternatif comme technologie dominante En matière de transport d'électricité, le courant alternatif l'emporte sur le courant continu. Mais ce ne fut pas toujours le cas. Il y a un peu plus de 100 ans, une grande rivalité existait entre les promoteurs du courant alternatif, dont George Westinghouse, et du courant continu, comme Thomas Alva Edison. On était à l'aube de l'ère de l'électricité et les industriels américains cherchaient un moyen efficace d'acheminer cette nouvelle énergie de la centrale à l'usine. En 1887, Nikola Tesla a opté pour le courant alternatif; il a mis au point le premier système pratique pour la production et le transport du courant alternatif. 5.2 LE COURANT CONTINU (SYMBOLE: ) Le courant continu, par opposition au courant alternatif, est un courant électrique unidirectionnel circulant continuellement dans le même sens. Dans une pile, une réaction chimique engendre un mouvement d'électrons, qui se déplacent dans un seul sens (du + vers le -, sens conventionnel) dans le conducteur, du pôle négatif vers le pôle positif. Page | 4 Le savais-tu ? Le courant électrique est exprimé en ampère. 1A correspond à environ 6,24x1018 électrons par seconde. Les électrons circulent de manière opposée au sens conventionnel du courant. Le courant I va du + vers le - à l'extérieur du générateur, les électrons font l'inverse. 6 PRODUCTION D'UNE TENSION ALTERNATIVE On fait tourner à une vitesse constante une boucle de fil de cuivre à l'intérieur d'un champ magnétique uniforme. On obtient ainsi une tension électrique alternative. À partir de la position A (fig. 2), le conducteur commence à tourner et coupe de plus en plus les lignes de champ magnétique à chaque instant jusqu'en (B). La variation continuelle du flux produit une tension dans la boucle qui augmente de 0 à un maximum. En continuant la rotation de la boucle, le nombre de lignes de champ qui la traverse diminue jusque 0 et la tension aussi (C). Après un demi-tour, la boucle ne coupe plus aucune ligne de champ et la FEM s'annule. En effectuant un 2e demi-tour les lignes retraversent la boucle, mais en sens inverse, on a alors une tension qui augmente jusqu'à un maximum négatif (D) puis diminuer jusque 0 (A). Après un tour complet, on a une tension alternative. Page | 5 7 DÉMONSTRATION DU FONCTIONNEMENT Deux bobines sont branchées en série et raccordées à un voltmètre. Lorsque l'aimant placé au centre des bobines se met à tourner, une tension induite Ui apparaît aux bornes des bobines. Cette tension est alternative, car les deux bobines sont alternativement soumises au champ magnétique du pôle Nord et du pôle Sud de l'aimant. Les variations des lignes de force de sens opposés produisent des tensions induites de sens opposés. Avec ce genre de montage, nous produisons une tension alternative sinusoïdale. Les centrales de production d’énergie électrique sont équipées de génératrices qui fonctionnent selon le même principe, mais les générateurs sont de taille plus importante et ils sont appelés ALTERNATEURS. Dans les centrales électriques, les alternateurs sont reliés mécaniquement à des turbines. Dans le cas de centrales hydrauliques, les turbines sont entraînées par l'eau accumulée par des barrages dans des lacs artificiels, ou par l'eau des rivières. Dans les centrales thermiques, les turbines sont entraînées par la vapeur. 8 SYSTÈME DE PHASE 8.1 MONOPHASÉ C'est le plus utilisé, il utilise deux câble: la phase et le neutre. C'est celui qui est fourni aux prise de courant domestique. 8.2 BIPHASÉ Le système biphasé est un ancien système de distribution de l'énergie en France. Il n'utilise que deux des trois phases (triphasé) produites et non le neutre contrairement au monophasé. Parfois, on peut trouver la terre comme troisième conducteur. Ce système est encore utilisé, mais il devient de plus en plus rare. 8.3 TRIPHASÉ Dans une installation électrique triphasée, il arrive que les courants eux n'aient ni la même valeur efficace, ni le même décalage, ni même une forme sinusoïdale (comme par exemple un courant à travers une lampe économique). Pour produire des tensions alternatives triphasées, il faut un alternateur dont on a disposé les 3 enroulements statoriques en les décalant de 120° les uns par rapport aux autres, le rotor étant une source de flux magnétique. Page | uploads/Industriel/ courant-alternatif-2.pdf