Karamö, le prof virtuelLeçon 19 sur 22
Les mesures en courant alternatif
Je sais mesurer une tension et une intensité alternatives avec un multimètre, et passer de la valeur maximale à la valeur efficace avec le coefficient √2.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Utiliser un multimètre en position alternative (AC, ~) pour mesurer une tension et une intensité
- Brancher correctement un voltmètre (en dérivation) et un ampèremètre (en série)
- Définir la valeur efficace et la relier à la valeur maximale
- Calculer U_eff = U_max / √2 et I_eff = I_max / √2
- Interpréter les indications d'une plaque signalétique
Avant de commencer : La leçon « Produire une tension alternative » (période, fréquence, tension maximale, oscillogramme) ; le branchement du voltmètre et de l'ampèremètre en courant continu.
1Je découvre
Dans l'atelier de réparation de son oncle, à Kindia, Alpha observe une ampoule sur laquelle est écrit « 220 V ». Son oncle prend un multimètre, tourne le bouton sur la position marquée « V~ » et place les deux pointes dans une prise : l'écran affiche un nombre proche de 220.
Alpha a pourtant appris à l'école que la tension du secteur monte jusqu'à environ 311 V, puis descend jusqu'à −311 V, cinquante fois par seconde. « Alors, pourquoi le multimètre n'affiche-t-il ni 311, ni un nombre qui change sans arrêt ? » demande-t-il.
Son oncle sourit et tourne le bouton sur la position « V⎓ », celle qu'on utilise pour les piles. L'écran affiche maintenant presque 0 ! Pourtant, la prise est bien sous tension. Alpha est perdu : quelle valeur faut-il croire, et que mesure vraiment l'appareil ?
Comment mesure-t-on une tension ou une intensité alternative, et que représente la valeur affichée par le multimètre ?
2Je comprends
1. Le multimètre et ses positions
Un multimètre peut servir de voltmètre, d'ampèremètre ou d'ohmmètre selon la position du sélecteur. Pour chaque grandeur, il existe deux familles de positions :
| Symbole | Signification | Pour quoi |
|---|---|---|
| DC ou ⎓ (trait continu) | direct current : courant continu | piles, batteries |
| AC ou ~ (vague) | alternating current : courant alternatif | secteur, alternateur, générateur basse tension alternative |
Règle essentielle : pour mesurer une tension ou une intensité alternative, il faut placer le sélecteur sur la position AC (~).
Si l'on mesure une tension alternative sinusoïdale en position DC, l'appareil affiche 0 (ou presque) : en position DC, il indique la valeur moyenne, et la moyenne d'une tension qui passe autant de temps au-dessus qu'au-dessous de zéro est nulle. C'est ce qu'a vu Alpha.
2. Les branchements ne changent pas
Comme en courant continu :
- le voltmètre se branche en dérivation (en parallèle) aux bornes du dipôle dont on veut la tension ; bornes utilisées : V et COM ;
- l'ampèremètre se branche en série dans le circuit (il faut ouvrir le circuit pour l'intercaler) ; bornes utilisées : A (ou mA) et COM.
En alternatif, le sens de branchement (quelle borne vers quel côté) n'a pas d'importance, puisque le courant change de sens sans arrêt : l'affichage est toujours positif.
Le calibre. On commence toujours par le plus grand calibre, puis on descend jusqu'au plus petit calibre supérieur à la valeur mesurée, pour avoir une mesure plus précise.
Méthode
Pour mesurer une tension ou une intensité alternative au multimètre :
- Je vérifie que la source est alternative et je choisis la position AC (~) : V~ pour une tension, A~ pour une intensité.
- Je branche les fils : V et COM pour le voltmètre (en dérivation) ; A (ou mA) et COM pour l'ampèremètre (en série).
- Je commence par le plus grand calibre, puis je diminue jusqu'au plus petit calibre qui reste supérieur à la valeur mesurée.
- Je lis la valeur affichée : c'est la valeur efficace.
- J'écris le résultat avec son unité (V ou A).
3. La valeur efficace
Une tension alternative varie sans cesse entre +Umax et -Umax. Le multimètre en position AC n'affiche pas une valeur qui change : il affiche une valeur fixe, appelée valeur efficace.
La valeur efficace d'une tension alternative est la valeur de la tension continue qui produirait le même effet de chauffage (la même quantité de chaleur, le même éclairement d'une lampe à filament) dans le même appareil.
Par exemple, dire que le secteur a une tension efficace de 220 V signifie qu'un radiateur ou un fer à repasser branché sur le secteur chauffe exactement comme s'il était branché sur une tension continue de 220 V.
On note la tension efficace Ueff (ou simplement U) et l'intensité efficace Ieff (ou simplement I).
Toutes les valeurs écrites sur les appareils électriques et les prises (220 V, 10 A, 16 A…) sont des valeurs efficaces.
4. Relation entre valeur maximale et valeur efficace
Pour une tension sinusoïdale (et seulement dans ce cas), on a :
Ueff = Umax√2 et Umax = Ueff × √2
De même pour l'intensité :
Ieff = Imax√2 et Imax = Ieff × √2
avec √2 ≈ 1,414. La valeur efficace vaut donc environ 71 % de la valeur maximale (11,414 ≈ 0,707).
- montre la courbe de la tension au cours du temps
- permet de lire la tension maximale U_max
- permet de lire la période T et donc la fréquence
- passage : U_eff = U_max / √2
- affiche un seul nombre fixe
- affiche la valeur efficace U_eff
- ne donne pas la forme de la tension
- passage : U_max = U_eff × √2
Exemple
Calculer la tension maximale du secteur guinéen, dont la tension efficace est 220 V.
U_max = U_eff × √2 = 220 × 1,414 ≈ 311 V.
La tension du secteur varie donc entre environ +311 V et −311 V, cinquante fois par seconde. C'est ce qui explique l'observation d'Alpha.
Exemple
À l'oscilloscope, on lit une tension maximale de 8,5 V aux bornes d'un générateur basse tension. Quelle valeur affichera un voltmètre en position AC ?
U_eff = U_max ÷ √2 = 8,5 ÷ 1,414 ≈ 6,0 V.
Le voltmètre affichera environ 6 V : c'est la tension notée sur le générateur.
Exemple
Un ampèremètre en position AC indique 0,35 A dans une lampe alimentée en alternatif sinusoïdal. Calculer l'intensité maximale.
I_max = I_eff × √2 = 0,35 × 1,414 ≈ 0,49 A.
5. Lire une plaque signalétique
Chaque appareil électrique porte une petite plaque (ou une étiquette) qui indique ses valeurs nominales, c'est-à-dire les conditions normales d'utilisation. Par exemple, sur un ventilateur : « 220 V ~ 50 Hz 60 W ».
- 220 V : la tension efficace sous laquelle il doit être branché ;
- ~ : il fonctionne en courant alternatif ;
- 50 Hz : la fréquence de la tension d'alimentation ;
- 60 W : sa puissance (tu étudieras cette grandeur plus tard).
Un appareil prévu pour 220 V ~ peut être branché sur le secteur guinéen. Un appareil prévu pour une tension plus faible (par exemple un chargeur qui délivre 5 V) doit passer par un adaptateur : c'est l'objet des leçons sur le transformateur et le redressement.
6. Mesurer la fréquence
Beaucoup de multimètres ont aussi une position Hz qui mesure directement la fréquence. Sinon, on la calcule à partir de l'oscillogramme : f = 1T, comme dans la leçon précédente.
3Je retiens
Je retiens
Pour mesurer une grandeur alternative, on place le multimètre en position AC (~) ; en position DC, une tension sinusoïdale donne 0.
Voltmètre en dérivation (bornes V et COM) ; ampèremètre en série (bornes A et COM) ; on commence par le plus grand calibre.
En position AC, le multimètre affiche la valeur efficace.
La valeur efficace est la valeur continue qui produirait le même effet de chauffage.
Pour une grandeur sinusoïdale : U_eff = U_max / √2 et I_eff = I_max / √2 (√2 ≈ 1,414).
Les valeurs inscrites sur les appareils (220 V, 10 A) sont des valeurs efficaces.
Secteur guinéen : U_eff = 220 V, U_max ≈ 311 V, f = 50 Hz.
4Erreurs fréquentes
- Mesurer une tension alternative en position DC : l'appareil affiche 0 ou presque, et on croit à tort qu'il n'y a pas de tension.
- Confondre valeur efficace et valeur maximale : le multimètre donne U_eff, l'oscilloscope permet de lire U_max.
- Multiplier au lieu de diviser : U_eff est plus petite que U_max, donc U_eff = U_max ÷ √2.
- Brancher l'ampèremètre en dérivation : il doit toujours être en série, sinon on risque de l'abîmer.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Réponds par vrai ou faux.
a) Pour mesurer la tension du secteur, on place le multimètre sur V⎓ (DC).
b) Le voltmètre se branche en dérivation.
c) La valeur efficace d'une tension sinusoïdale est plus grande que sa valeur maximale.
d) La tension écrite sur une ampoule est une valeur efficace.
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a) Faux : la tension du secteur est alternative, il faut la position V~ (AC).
b) Vrai.
c) Faux : Ueff = Umax√2, elle est plus petite (environ 71 % de Umax).
d) Vrai.
2Exercice 2
Calcule la valeur efficace d'une tension sinusoïdale dont la valeur maximale est :
a) 14,1 V ; b) 17 V ; c) 325 V.
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a) Ueff = 14,11,414 ≈ 10 V.
b) Ueff = 171,414 ≈ 12 V.
c) Ueff = 3251,414 ≈ 230 V.
3Exercice 3
Un générateur de laboratoire délivre une tension alternative sinusoïdale de valeur efficace 12 V. Calcule sa valeur maximale.
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Umax = Ueff × √2 = 12 × 1,414 ≈ 17 V.
4Exercice 4
Explique ce que signifie l'inscription « 220 V ~ 50 Hz » sur un fer à repasser.
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Le fer à repasser doit être alimenté par une tension alternative (~) de valeur efficace 220 V et de fréquence 50 Hz. Il peut donc être branché sur le secteur guinéen.
5Exercice 5
(Type examen) Pour étudier une lampe alimentée par un générateur basse tension alternatif, Kadiatou utilise un oscilloscope et deux multimètres.
a) Fais la liste des branchements : où place-t-elle le voltmètre ? l'ampèremètre ? Sur quelle position met-elle les multimètres ?
b) L'oscillogramme de la tension aux bornes de la lampe montre des bosses de 3 divisions de hauteur et une période de 4 divisions. Réglages : 3 V/div ; 5 ms/div. Calcule Umax, T et f.
c) Quelle valeur le voltmètre doit-il afficher ?
d) L'ampèremètre affiche 0,30 A. Calcule l'intensité maximale du courant.
e) Kadiatou met par erreur le voltmètre en position DC. Qu'affiche-t-il ? Pourquoi ?
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a) Le voltmètre se branche en dérivation aux bornes de la lampe (bornes V et COM) ; l'ampèremètre se branche en série avec la lampe (bornes A et COM). Les deux multimètres sont en position AC (~), en commençant par le plus grand calibre.
b) Umax = 3 × 3 = 9 V ; T = 4 × 5 = 20 ms = 0,02 s ; f = 10,02 = 50 Hz.
c) Ueff = 91,414 ≈ 6,4 V.
d) Imax = 0,30 × 1,414 ≈ 0,42 A.
e) Il affiche 0 (ou presque). En position DC, l'appareil mesure la valeur moyenne ; or une tension sinusoïdale est positive pendant une demi-période et négative pendant l'autre, sa moyenne est nulle.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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