TP DIPOLE R L SOUMIS A UN ECHELON DE TENSION

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TP « DIPOLE (R, L) SOUMIS A UN ECHELON DE TENSION » Matériel Pour les élèves (chaque binôme) : • un « petit générateur noir » (générateur de tension continue réglable sur 4,5 V) • un ordinateur avec un module d?acquisition Orphy • Bobine • une résistance à décades (variable) • fils • une diode simple

  • voies ref

  • basculer l?interrupteur du boîtier orphy fixant la référence

  • d?acquisition de tensions électriques

  • l?interrupteur

  • échelon de tension

  • module orphy

  • voie

  • sélection des voies

  • ea1 au circuit électrique


Publié le : mardi 19 juin 2012
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Source : ac-aix-marseille.fr
Nombre de pages : 11
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TP « DIPOLE (R, L) SOUMIS A UN ECHELON DE TENSION »
Matériel Pour les élèves (chaque binôme) :  un « petit générateur noir » (générateur de tension continue réglable sur 4,5 V)  un ordinateur avec un module dacquisition Orphy  Bobine  une résistance à décades (variable)  fils diode simple une
1)
2)
TP « DIPOLE (R, L) SOUMIS A UN ECHELON DE TENSION »
Objectifs  Observer la variation de lintensité du courant à létablissement du courant dans une bobine. linfluence des paramètres R (résistance du circuit) et L (inductance de la bobine). Rechercher  Exploiter qualitativement et quantitativement les graphes obtenus
I.
DISPOSITIF EXPERIMENTAL
Module dacquisition Il existe différents dispositifs dacquisition de tensions électriques : Oscilloscope à mémoire(et nombreusescartes dacquisition) re me 2 tension1 tension mesurée mesurée voie 1 « masse » voie 2 commune Dans cette séance, nous utiliserons le module Orphy.
Circuit électrique
Module Orphy
re 1 tension mesurée
REF
EA0
me 2 tension mesurée
EA1
Très important : Bien vérifier que le générateur de tension est réglé sur 4,5 V ! Parfois, le bouton de réglage est décalé : il faut le tourner complètement à gauche (correspond à 3 V), puis avancer dun cran : la tension sera alors égale à 4,5 V. La résistance R du conducteur ohmique sera fixée à E1 M i (t) 10Ω, linductance de la bobine à 1,4 H. On mesurera à lohmmètre la valeur de la résistance r de la bobine. ubob(t) L,r  E = 4,5 V On appelle uRla tension aux bornes du conducteur ohmique, et uTla tension « totale » aux bornes de lensemble {bobine, conducteur ohmique} (voir ci- uT(t) contre). uR(t) R Linterrupteur {M, E1} permet damorcer le régime transitoire : lorsquon le ferme, le courant sengouffre dans la bobine. Indiquer, sur le schéma, comment connecter les voies REF, EA0 et EA1 au circuit électrique afin que le module Orphy enregistre lévolution des tensions uR(t) et uT(t).
TP « Dipôle (R, L) soumis à un échelon de tension - 1 / 4
3)
4)
Linterrupteur {M, E1} est « fourni » par le module Orphy (voir ci-contre). Lorsque lon ouvre ou lon ferme cet interrupteur, le module déclenchera automatiquement lacquisition des valeurs des tensions électriques. Réglages préliminaires  Réaliser le montage, en commençant par le circuit principal. les bornes EA0, EA1 et REF du module dans le Brancher circuit.  Basculer linterrupteur du boîtier Orphy fixant la référence, sur la position « 0 V », qui restreint lacquisition aux tensions positives (voir photo ci-contre). la synchronisation sur EF1 (voir ci-contre) en basculant linterrupteur Régler à droite. Cest cela qui permettra le déclenchement automatique de lacquisition lors du basculement de linterrupteur {M, E1}.
Lancement et réglage du logiciel  Lancer le logiciel « Win GTS » dans le menu [Démarrer/Programmes/Exao], disponible sous Windows. Cliquez sur « Test GTS ».  Cliquer sur « Mesure/Sélection des voies », puis effectuer les réglages suivants (attention à lordre) :
3 - Sélectionner les voies EA0 et EA1 en réglant létendue des mesures sur 0  5 V
TP « Réponse dun dipôle (R, L) soumis à un échelon de tension - 2 / 4
Interrupteur {M, E1}
1 - Choisir EF1 comme signal de synchronisation
2 - Cliquer sur « O V »
1)
2)
Cliquer sur « Mesure/Mode denregistrement ». Effectuer les réglages suivants :
II.
ACQUISITION
Enregistrement, exportation des données dans un tableur  Lancer lacquisition en cliquant sur Mesure/Acquisition (ou appuyant sur la touche F5). Le logiciel attend maintenant la fermeture de linterrupteur {M, E1}.  Fermer {M, E1}. Lenregistrement a lieu et dure 800 millisecondes. les données dans Excel : Exporter - cliquer sur Fichier/Exporter les données/Presse-papier (voir ci-contre), - ouvrir Excel , et effectuer un Edition/Coller dans une feuille de calcul - tracer un graphe représentant lévolution de uR(t) et de uT(t) au cours du temps.
Exploitation du graphe obtenu à quoi correspond linstant initial t = 0. Rappeler onu (t)? quelle valeur tend la tensi Vers R 'Etait-ce prévisible ? Justifier proprement. re pour que la tensionu (t)définit la constante de temps On τdu circuit (R, L) comme étant la durée nécessaiR ' atteigne 63 % de sa valeur finale. Déterminer graphiquement la valeur deτ. théorique montre que Létude τcorrespond également à labscisse du point dintersection de la tangente à la courbeu (t)en t = 0 avec lasymptoteu ( R 'deR 't)quand t tend vers +. Vérifier cette propriété. éterminer la valeur de(t  DuR ')pour t = 5τ. Que peut-on en conclure ? u (t)sur le graphique précédent., , la courbe Tracer bobtension aux bornes de la bobine ce quil advient lorsque lon ouvre linterrupteur {M, E Expliquez 1}. A quoi sert la partie droite du circuit (diode et résistance) ?
TP « Réponse dun dipôle (R, L) soumis à un échelon de tension - 3 / 4
1)
III.
INFLUENCE DES PARAMETRES R, L ET E
Influence de la résistance R =R + r
a) Enregistrements lenregistrement  Reprendre de létablissement du courant en conservant E = 4,5 V et L = 1,4 H, mais en réglant R de façon à obtenir les valeurs de R indiquées dans le tableau (que vous complèterez) . Remarque : sélectionner si nécessaire, un mode denregistrement mieux adapté. R = R + r (Ω) 30 40 50 100 τ(s)
b) Exploitation linfluence de la valeur de la résistance R sur létablissement du courant. Commenter 2) Influence de linductance L
a) Enregistrements  Reprendre lenregistrement de létablissement du courant en conservant E = 4,5 V et R = 10, mais avec des inductances différentes (modifier la position du curseur à laide de la manivelle) L (H) 1,4 1,0 0,50 0,15 τ(s) b) Exploitation  Commenter linfluence de la valeur de linductance L sur létablissement du courant. L L 3) Influence de la valeur du rapport=: R R '+r Compléter le tableau suivant récapitulant les valeurs précédentes : R = R + r (Ω100) 30 40 50 L (H) 1,4 1,0 0,50 0,15 1,4 1,4 1,4 1,4 L L =R R '+r τ(s) L  De façon générale, compte tenu des résultats précédents, que peut-on dire de linfluence du quotient sur R lévolution de lintensité du courant ? L L la valeur de Comparer τ. Montrer que est homogène à une durée.avec le rapport R R 4) Influence de la valeur E du générateur la résistance sur R = 10 Régler Ω, linductance sur L = 1,4 H et la valeur E de la tension délivrée par le générateur sur 3,0 V. Lancer lacquisition.  Déterminer la valeur deτ. Quelle semble être linfluence de E surτ?
TP « Réponse dun dipôle (R, L) soumis à un échelon de tension - 4 / 4
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TP « DIPOLE (R, L) SOUMIS A UN ECHELON DE TENSION » CORRECTION
Objectifs la variation de lintensité du courant à létablissement du courant dans une bobine. Observer linfluence des paramètres R (résistance du circuit) et L (inductance de la bobine). Rechercher  Exploiter qualitativement et quantitativement les graphes obtenus
I.
DISPOSITIF EXPERIMENTAL
Module dacquisition Il existe différents dispositifs dacquisition de tensions électriques : Oscilloscope à mémoire(et nombreusescartes dacquisition) re me 2 tension1 tension mesurée mesurée voie 1 « masse » voie 2 commune Dans cette séance, nous utiliserons le module Orphy.
Circuit électrique
Le générateur de tension est réglé sur 4,5 V . La résistance R du conducteur ohmique est fixée à 10Ω, linductance de la bobine à 1,4 H. On mesure (à laide dun ohmmètre) la valeur de la résistance r de la bobine : r = 12Ω. On appelle uRla tension aux bornes du conducteur ohmique, et uTla tension « totale » aux bornes de lensemble {bobine, conducteur ohmique} (voir ci-contre). Linterrupteur {M, E1} permet damorcer le régime transitoire : lorsquon le ferme, le courant sengouffre dans la bobine. Les voies REF, EA0 et EA1 sont connectées au circuit électrique afin que le module Orphy enregistre lévolution des tensions uR(t) et uT(t).
E = 4,5 V
Module Orphy
re 1 tension mesurée
REF
EA0
me 2 tension mesurée
E1
M
ubob(t)
uR(t)
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EA1
i (t)
L,r
R
REF
EA1
uT(t)
EA0
3)
4)
Linterrupteur {M, E1} est « fourni » par le module Orphy (voir ci-contre). Lorsque lon ouvre ou lon ferme cet interrupteur, le module déclenchera automatiquement lacquisition des valeurs des tensions électriques. Réglages préliminaires  On bascule linterrupteur du boîtier Orphy fixant la référence, sur la position « 0 V », qui restreint lacquisition aux tensions positives (voir photo ci-contre).  On règle la synchronisation sur EF1 (voir ci-contre) en basculant linterrupteur à droite. Cest cela qui permettra le déclenchement automatique de lacquisition lors du basculement de linterrupteur {M, E1}.
Lancement et réglage du logiciel  On lance le logiciel « Win GTS » dans le menu [Démarrer/Programmes/Exao], disponible sous Windows. effectue les réglages suivants : On
3 - Sélectionner les voies EA0 et EA1 en réglant létendue des mesures sur 0  5 V
TP « Réponse dun dipôle (R, L) soumis à un échelon de tension - Correction - 2 / 6
Interrupteur {M, E1}
1 - Choisir EF1 comme signal de synchronisation
2 - Cliquer sur « O V »
1)
2)
II.
ACQUISITION
Enregistrement, exportation des données dans un tableur  On lance lacquisition en cliquant sur Mesure/Acquisition (ou en appuyant sur la touche F5). Le logiciel attend la fermeture de linterrupteur {M, E1}. ferme {M, E On 1}. Lenregistrement a lieu et dure 800 millisecondes. exporte les données dans Excel, et lon trace la courbe : On
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0 0,00
0,05
0,10
0,15
0,20 t (s)
0,25
0,30
0,35
0,40
Exploitation du graphe obtenu  Linstant initial (t = 0) correspond à la fermeture de linterrupteur {M, E1}. di  On sait quer i tu t L t t,u (t)atteint sa bob( )=( )+( ). Lorsque le régime permanent est atteinR 'valeur finale. dt di Alors, on a i(t) = cste, doùet donct 0 uar suite,R ' i t E r i t t R i t(r R ') i . ( )=bob(t)=r i(t). P=( )+( )= +( )=( ) dt E E R ' ,i t. Puisqueu (t) i tR ' , il vie Ainsi( )=R '=( )ntuR '(t)=R '=E×. R R R '+r R ' Si r était négligeable devant R, on aurait uR '(t)E× ≈E, c'est-à-dire queu (t)tendrait vers la tension du R ' R ' générateur. Mais puisque r nest pas négligeable devant R,u (t)tend vers une valeur inférieure à E. Cest ce R ' que lon observe sur la courbe. R ' 10 = 12 , doncu  Ici, on a rΩR '(t)tend versE× =4,5×= 2,0 V. Cest bien la valeur de lasymptote de R '+r 10+12 notre enregistrement.
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e nécessaire pour que la tensionu (t)On définit la constante de tempsτdu circuit (R, L) comme étant la duréR ' atteigne 63 % de sa valeur finale. Graphiquement, on mesureτ= 0,065 s. On remarque queτcorrespond aussi à labscisse du point dintersection de la tangente à la courbeu (t)en t = 0 avec lasymptote deu (t)quand t R ' R ' tend vers +. Pour t = 5τ, on peut considérer (voir graphique) queu (t)a rejoint son asymptote. Le régime permanent est R ' R ' atteint. On au (t)=E×. R ' R '+r On trace la courbeu (t), tension aux bornes de la bobine, sur le graphique précédent, en calculant bob u (t)=Eu (t)=4,50u (t). bob R ' R '
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 t (s ) E r u bob(t)semble bien tendre versr i t=r=E×. (valeur numérique : 2,5 V). ( ) R R '+r di Lorsque lon ouvre linterrupteur {M, E1}, i chute brutalement,(t)prend donc des valeurs négatives dt di relativement importantes. La tensionL tprend donc des valeurs négatives importantes, et ( ) dt di u t L t r i t bob( )=( )+( )est négative. La bobine se comporte comme un générateur essayant de faire passer un dt courant dans le sens positif (elle essaye dempêcher le courant de disparaître) :
ubob(t) <
uR(t)
i (t)
L,r
R
di L(t)dt > 0
r i(t)
uR(t)
i (t)>0
r
R
i (t)>0
Le courant sengouffre donc dans la partie droite du circuit ce qui évite desétincelles(cela évite que le courant, nayant pas de conducteur pour passer, ne franchisse lair entre les bornes de linterrupteur, ouvert). La diode est là pour éviter que le courant ne passe dans la partie droite du circuitlorsque linterrupteur est fermé, ce qui aurait pour effet de court-circuiter la bobine et dempêcher quelle soit alimentée par le générateur de tension. La résistance rajoutée permet que le courant ne soit pas trop important et ne détériore la diode.
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1)
III.
INFLUENCE DES PARAMETRES R, L ET E
Influence de la résistance R =R + r
a) Enregistrements reprend  On lenregistrement de létablissement du courant en conservant E = 4,5 V et L = 1,4 H, mais en réglant R de façon à obtenir les valeurs de R indiquées dans le tableau (que vous complèterez) . Remarque : sélectionner si nécessaire, un mode denregistrement mieux adapté. R = R + r (Ω40 50 100) 30 τ(s) 0,050 0,035 0,030 0,015
b) Exploitation linfluence de la valeur de la résistance R sur létablissement du courant. Commenter 2) Influence de linductance L
a) Enregistrements lenregistrement de létablissement du courant en conservant E = 4,5 V et R = 10 Reprendre , mais avec des inductances différentes (modifier la position du curseur à laide de la manivelle) L (H) 1,4 1,0 0,50 0,15 τ0,045 0,025 (s) 0,065 0,0080 b) Exploitation linfluence de la valeur de linductance L sur létablissement du courant. Commenter L L 3) Influence de la valeur du rapport=: R R '+r Compléter le tableau suivant récapitulant les valeurs précédentes : R = R + r (Ω22 22 22 30 40 50 100) 22 L (H) 1,4 1,0 0,50 0,15 1,4 1,4 1,4 1,4 L L = 0,065 0,045 0,023 0,0070 0,047 0,035 0,028 0,015 R R '+r τ(s) 0,065 0,0080 0,050 0,045 0,025 0,035 0,030 0,015 L  De façon générale, on peut dire que plus le quotient est grand, plus le retard de courant est important (et R plus la durée du régime transitoire est grande). L L τsemble très proche du rapport . De plus, est homogène à une durée. En effet : R R -1dI2 -1  L sexprime en H, cest à dire en V.s.A (car -L.sexprime en V), donc en V.s .C dt -1 -1 R sexprime enΩ., cest à dire en V.A , donc en V.s.C L sexprime donc bien en s. R L semble donc que Il τ =. R
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4)
Influence de la valeur E du générateur règle la résistance R sur 10 On Ω, linductance L sur 1,4 H et la valeur E de la tension délivrée par le générateur sur 3,0 V. On lance lacquisition. Voici la courbe obtenue :
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 t (s) La valeur deτna pas changé : elle est toujours voisine de 0,065 s. la tension du générateur E ne semble donc L pas avoir dinfluence sur la valeur deτ. Cela était prévisible, puisque lon suppose queτ =. R L Remarque: pour démontrer queτ, il faut résoudre léquation différentielle (voirest effectivement égal à R cours). Ici, on sest contenté dune approche purement expérimentale.
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