La tension alternative (1) : mise en évidence

1. Rappel : la tension continue d'une pile

Une pile ou une batterie possède une borne positive (+) et une borne négative (−). Branchons un voltmètre (en mode continu) aux bornes d'une pile plate de 4,5 V :

• si la borne V du voltmètre est reliée au + de la pile, il affiche 4,5 V ;
• si on inverse les fils, il affiche −4,5 V.

Tant qu'on ne touche pas aux fils, la valeur affichée ne change pas : elle reste la même minute après minute. On dit que la pile délivre une tension continue constante. Le courant qu'elle fait circuler va toujours dans le même sens : de la borne + vers la borne −, à l'extérieur de la pile.

2. Première expérience : deux DEL montées tête-bêche

On utilise un générateur basse fréquence (GBF). C'est un générateur de laboratoire dont on peut régler la « vitesse » à laquelle la tension varie. On le règle sur une variation très lente, par exemple une répétition par seconde.

On branche à ses bornes, en série avec une résistance de protection, deux DEL montées tête-bêche : elles sont en dérivation l'une de l'autre, mais orientées en sens contraires. La DEL rouge laisse passer le courant dans un sens, la DEL verte dans l'autre.

Observation : la DEL rouge et la DEL verte s'allument l'une après l'autre, jamais en même temps, et cela se répète régulièrement.

Interprétation : quand la rouge brille, le courant circule dans un sens ; quand la verte brille, il circule dans l'autre sens. Le courant change de sens : la tension aux bornes du GBF change de signe.

Si on remplace le GBF par une pile, une seule DEL s'allume, et elle reste allumée : c'est le signe d'une tension continue.

3. Deuxième expérience : le voltmètre

On branche maintenant un voltmètre, en mode continu (position « DC » ou « = »), aux bornes du GBF réglé sur une variation encore plus lente, par exemple une répétition toutes les quatre secondes.

Observation : les valeurs affichées changent sans arrêt. Par exemple : 0 V, puis 3 V, 5 V, 6 V, 5 V, 3 V, 0 V, puis −3 V, −5 V, −6 V, −5 V, −3 V, 0 V… et le cycle recommence.

Interprétation : la tension est variable (elle change au cours du temps) et elle prend alternativement des valeurs positives et des valeurs négatives.

Si on représente ces valeurs en fonction du temps, on obtient une courbe en forme de vague qui passe au-dessus puis au-dessous de l'axe du temps :

4. Troisième expérience : la dynamo de bicyclette

Dans la leçon sur la production de l'énergie électrique, tu as vu qu'un alternateur est formé d'un aimant qui tourne devant une bobine (ou l'inverse). La « dynamo » qui alimente le phare d'une bicyclette est en réalité un petit alternateur.

Branchons-la sur les deux DEL tête-bêche et faisons tourner la roue très lentement à la main : les deux DEL s'allument l'une après l'autre. À chaque demi-tour de l'aimant, le pôle nord puis le pôle sud passent devant la bobine, et le courant change de sens.

Conclusion : un alternateur produit une tension alternative. C'est pour cela qu'on l'appelle « alternateur ».

5. Les définitions à connaître

• Une tension continue garde toujours le même signe. Si en plus sa valeur ne change pas, elle est continue et constante (cas d'une pile neuve).
• Une tension variable est une tension dont la valeur change au cours du temps.
• Une tension alternative est une tension variable qui prend alternativement des valeurs positives et des valeurs négatives.
• Une tension périodique est une tension variable qui se reproduit identique à elle-même à intervalles de temps égaux. La portion de courbe qui se répète s'appelle le motif.

La tension de la prise du secteur est à la fois alternative et périodique. Elle est produite par les alternateurs des centrales électriques, notamment ceux des barrages hydroélectriques construits sur le Konkouré (Garafiri, Kaléta, Souapiti). En Guinée, la tension du réseau est de 220 V (nous verrons plus tard ce que signifie exactement ce nombre).

6. Pourquoi la lampe du plafond ne clignote-t-elle pas ?

Avec le secteur, la tension change de signe 100 fois par seconde. Le filament d'une lampe n'a pas le temps de refroidir entre deux passages du courant, et ton œil ne peut pas distinguer des changements aussi rapides : tu vois une lumière continue. C'est pour cela qu'on ralentit fortement le GBF pendant les expériences : pour que l'œil puisse suivre les changements de sens.