[PDF] TP N°4: Travaux pratiques d'électromagnétisme.

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École Nationale des

Sciences

Appliquées

(ENSA)

Année universitaire

2019- 2020 Semestre 2

Cycle Intégré Préparatoires

Polycopié de Travaux

Pratiques du module :

Electromagnétisme et

Electrocinétique des

courants alternatifs

Professeur responsable

Hassan MHARZI

Travaux pratiques d'électromagnétisme ENSAK 2016-2017

Hassan MHARZI

1

Table de Matières

TP N°1: CIRCUIT R.L.C RESONANCE SERIE

I- BUT DE LA MANIPULATION

II- - FORMULES

FONDAMENTALES

II.1- Cas général

II.2- Cas particuliers

II.2.1- Portion de circuit comportant une résistance Ohmique R II.2.2- Portion de circuit comportant une self-induction L II.2.3- Portion de circuit comportant une capacité pure C II.2.4- Portion de circuit comportant une résistance ohmique R, une self- induction L et une capacité C II.3- Circuit résonnant en série, facteur de surtension

II.3.1 Résonance

II.3.2- Surtension

II.3.3 Bande passante du circuit - Facteur de qualité

III- MANIPULATION

III-1 Partie 1

III-2 Partie 2

TP N° 2: LE TRANSFORMATEUR

I- DESCRIPTION ET RELATIONS FONDAMENTALES

I.2- Fonction

I.3- Définition du transformateur parfait

I.4- Flux magnétique

I.5- Relation entre les tensions et relation entre les courants

I.5.1- Relations instantanées

I.5.2- Relations entre les valeurs efficaces

I.6- Rendement du transformateur

II- ETUDE EXPERIMENTALE

II.1- Première partie : Transformateur à vide II.2- Deuxième partie : transformateur en charge.

II.3- Rendement du transformateur

TP N° 3: MESURE DE DEPHASAGE

I. But

II. L'oscilloscope numérique OX 6062

II. 1. Description

II.2. Touches usuelles de l'oscilloscope OX 6062

II.3. Affichage

III. Le Générateur Basse Fréquence : GBF numérique GX 310

III.1. Face Avant

III.2. Génération d'un signal périodique simple

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IV. Visualisation et mesures des tensions

V. Manipulation.

V.3. Méthode de Lissajous

TP N° 4: ETUDE EXPERIMENTALE DU CHAMP MAGNETIQUE

A L'INTERIEUR D'UN SOLENOIDE

I. But

II. Matériels :

III. Manipulations et Mesures :

III.1. Valeurs de B en fonction de l'axe du solénoïde :

III.2. Relation entre B et I :

III.3. Relation entre B et N (nombre de spires) :

III.4. Limite de validité de la relation B = 0.NI/L : III.5. Champ magnétique près des extrémités du solénoïde

ANNEXES

Annexe 1 - Rôle du rhéostat dans un circuit électrique

Annexe 2 - UTILISATION DU TESLAMETRE NUMERIQUE

Annexe 3 -

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Important

DEBUT DE TP : CONTROLE DES APPAREILS OBLIGATOIRE

un enseignant.

1 - ampèremètre.

2 - résistance nulle ou très faible sera sous la responsabilité conjointe du binôme. FIN DE TP : ETAT DES LIEUX DU MATERIEL OBLIGATOIRE

1 - Ranger et nettoyer la table.

2 - Éteindre les appareils de mesures et les générateurs.

3 - ébut du TP. En cas

de problème le signaler impérativement 4 -

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TP N°1:

CIRCUIT R.L.C RESONANCE SERIE

I- BUT DE LA MANIPULATION :

Les phénomènes de résonance interviennent par exemple pour des systèmes oscillant

autour d'un état d'équilibre: masse fixée à un ressort dans un milieu visqueux, circuit RLC

série, pont suspendu. . . Le mouvement d'un tel système peut être entretenu par une

excitation extérieure périodique de fréquence f. Lorsque cette fréquence d'excitation est

égale à une des fréquences propres du système, l'amplitude des oscillations devient

maximale. Ce maximum est d'autant plus aigu que l'amortissement est faible (notion de bande à passante, de facteur de qualité). On parle alors de phénomène de résonance. Dans ce TP, le système oscillant est un circuit RLC en série soumis à une tension

extérieure sinusoïdale délivrée par un générateur basse fréquence (GBF). A la

résonance, l'amplitude de l'intensité traversant un tel circuit est maximale. L'objectif de cette séance est de mettre en évidence un phénomène de résonance dans ce circuit

électrique simple.

II- - FORMULES

FONDAMENTALES

II.1- Cas général

Soit une portion de circuit comportant un dipôle d'impédance complexe Z = Zej (avec j2 = -1):

Figure.1: Dipôle

La tension instantanée complexe

V (t) aux bornes de ce dipôle est reliée à l'intensité instantanée complexe )(tI par la loi d'Ohm généralisée : V (t) = Z)(tI avec )(tI = Imaxejt

On obtient :

V (t) = Z Imax ej(t + ) V (t) = Vmax ej(t + ) avec Z l'impédance du circuit, Vmax = Z Imax et le déphasage entre la tension et l'intensité. En projetant ces relations complexes sur l'axe des réels, on obtient :

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5 I(t) = Imax cos(t) et V (t) = Vmax cos(t + ) = ZImax cos(t + )

II.2- Cas particuliers

II.2.1- Portion de circuit comportant une résistance Ohmique R

Soit la portion de circuit suivante :

Figure.2 : Résistance

On a ici :

Z = R impédance réelle pure. Soit le module de l'impédance Z = R et le déphasage = 0.

La loi d'Ohm s'écrit :

V (t) = R x I(t) = Vmax cos(t) = R Imax cos(t)

avec Vmax = RImax

La tension est ici en phase avec l'intensité.

II.2.2- Portion de circuit comportant une self-induction L

Figure.3 : Bobine

On a Z = jL impédance imaginaire pure Soit le module de l'impédance : Z = L et le déphasage : = /2

La loi d'Ohm s'écrit :

V(t) = Vmax cos(t + /2) = LImax cos(t + /2)

II.2.3- Portion de circuit comportant une capacité pure C

Figure.4: Capacité

On a Z C j impédance imaginaire pure. Soit Z le module de l'impédance : Z = C 1

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Et le déphasage tel que : = -/2

La loi d'Ohm s'écrit :

V (t) =

C1

Imax cos(t - /2) = Vmax cos(t - /2)

II.2.4- Portion de circuit comportant une résistance ohmique R, une self-induction L et une capacité C Figure.5 : Résistance (R) + Bobine (L) + capacité (C) On a )1(ZCLjRZ impédance avec réelle pure.

Soit Z le module de l'impédance :

22)1(ZCLRZ

et le déphasage tel que : )1(1tanZMCLR et Z RMcos

La loi d'Ohm s'écrit :

)cos()1()(max

22ZZZ tICLRtV

Figure.6: Représentation de Fresnel

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7 II.3- Circuit résonnant en série, facteur de surtension

II.3.1 Résonance

Si l'on fait varier la fréquence (on rappelle que la pulsation égale à 2Q) de la tension appliquée au circuit de la figure 4 tout en conservant son amplitude V = V0 constante, l'intensité efficace I = ZV passe par un maximum IR quand Z est minimum, c'est à dire pour:

Z = Z0 = R soit L =

C1 soit = 0 = LC 1

Lorsque cette condition est réalisée, on dit qu'il y a résonance. A la résonance, on a donc :

et

II.3.2- Surtension

Les différences de potentiel à la résonance aux bornes de la bobine seule puis aux bornes de la

capacité sont respectivement : 2 0 22
maxLRIVbobine et Vcapacité = IR 01C On dit qu'il y a surtension aux bornes de la bobine et de la capacité. Figure. 7 : Variation de I en fonction de la pulsation : courbe de résonance.

Le rapport des tensions (

0V

Vcapacité

) aux bornes de la capacité : 0V

Vcapacité

01RC RL0 = 0 = LC 1 IR = RV0

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8 où V0 est la tension délivrée par le générateur à vide.

Le rapport des tensions (

0VVBobine

) à la résonance définit le facteur de surtension aux bornes de la bobines à la résonance :

0VVBobine

R

LR2022

RL0

L0 >> R

II.3.3 Bande passante du circuit - Facteur de qualité On appelle bande passante du circuit le domaine [1; 2] sur lequel I() est supérieur à 2 )(0RI . Les pulsations limites 1 et 2 de cette bande passante sont telles que :

I(1) = I(2) =

2 )(0RI Cette condition nous permet de calculer la largeur de la bande passante Z :

Z = 2 - 1 =

LR

On définit le facteur de qualité Q:

Q = RL0

On voit facilement que :

Q = Z' 0 c'est à dire que la bande passante est d'autant plus étroite que Q est grand. On dit alors que

la résonance est aiguë et que le circuit est très sélectif. Le facteur de qualité est égal au

facteur de surtension.

III- MANIPULATION

III-1 Partie 1

Dans les manipulations qui vont suivre, les mesures seront effectuées en courant alternatif.

La tension alternative alimentant les circuits sera fournie par un générateur basse fréquence

(GBF).

Figure 8: Montage RLC- série.

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III.1.1- Réaliser le montage de la figure 8.

- Prendre Ve = 2V - Prendre - Prendre L = 100 mH - Prendre C = 2 F - Avant de faire les mesures, lire bien les fonctions des boutons du GBF et demander de III.1.2- Faire varier la fréquence f du générateur (GBF) par le pas de 50 Hz da fréquences 100 Hz et 1000 Hz, puis noter les valeurs de I. Préciser l'intervalle contenant la position du maximum de I en faisant varier la fréquence par pas de 10 Hz au voisinage du maximum. On présentera les résultats dans des tableaux.

III.1.3- Tracer la courbe I = f(f).

III.1.4- Déterminer la plage de fréquence candidate pour contenir la fréquence de résonance f0.

En déduire la valeur de 0 et l'incertitude associée 0? III.1.5- En déduire C et C. Comparer avec la valeur de C choisi au départ.

III.1.6- Déterminer le facteur de qualité Q à partir de la largeur de la courbe de résonance. En

déduire R. Calculer Q.

III-2 Partie 2

Reprendre les mêmes questions et mesures avec R = 200 .

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I- DESCRIPTION ET RELATIONS FONDAMENTALES

Un transformateur est constitué de 2 enroulements de fil de cuivre indépendants comportant N1 spires au primaire (récepteur) et N2 spires au secondaire (générateur).

Figure.1

I.2- Fonction :

ansfère, en alternatif, une tension (ou le courant) au récepteur.

Si U2 > U1

Si U2 < U1 ormateur abaisseur de tension.

I.3- Définition du transformateur parfait

- Les pertes par effet Joule dans les enroulements (R1=R2=0) ; - Les pertes magnétiques (par hystérésis et par courant de Foucault). - La réluctance du circuit magnétique toutes les lignes de champs sont canalisées dans le circuit magnétique. (Le flux 1 au primaire est égal au flux 2 au secondaire (1 = 2 =).

I.4- Flux magnétique

à travers une spire crée une f.e.m e:

dt de

TP N° 2 :

LE TRANSFORMATEUR

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11 loi de Faraday

Figure.2

On a donc

dt tdNe)( 11 comme R1=0 on a dt tdNetU)()(111 Avec )sin()(maxttI ) et )cos()( maxtdt tdZ) ) Donc )cos()(max11tNtUZ) avec = 2f et max = Bmax.S S : Surface délimitée par une Spire ; : la pulsation et la fréquence

On a U1(t) = N12fBmaxS.cos(t)

On déduit la valeur efficace :

U1eff =

2

2max1SfBN

Nous rappelons que

2 maxUUeff et 2 maxiIeff Soit formule de Boucherot I.5- Relation entre les tensions et relation entre les courants

I.5.1- Relations instantanées

dt tdNetU)()(111 et dt tdNetU)()(222 Soit mN N tU tU 1 2 1 2 1 2 N Nm Les tensions U1 et U2 sont donc en opposition de phase.

02211iNiN

soit

2211iNiN

Selon la loi de Lenz, les ampères-

U1eff = 4,44 N1 Bmax S

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12 Soit mNNti ti 1 2 2 1 On constate que i1 et i2 sont aussi en opposition de phase.

I.5.2- Relations entre les valeurs efficaces

et

I.6- Rendement du transformateur

puissance P2 restituée au secondaire est égale à la puissance P1 fournie au primaire. Dans rmateur réel, on ne peut négliger les pertes de puissances : - par effet joule dans les enroulements

222211IRIRPj

- Par hystérésis, par courants de Foucault ainsi que les pertes dans le circuit magnétique. Le rendement du transformateur est donnée par : 1 1 2 P P Le rendement est optimal pour une certaine charge du secondaire.

II- ETUDE EXPERIMENTALE

transformateur à vide puis à charge. On établira la loi des tensions et celle des courants. On étudiera aussi le rendement du transformateur en fonction de la charge.

Matériels utilisés:

- Transformateur démontable (une bobine primaire de 220 spires, une bobine secondaire de 1000 spires et un entrefer) - Ce transformateur ne doit pas être alimenté directement par le secteur (220 volts) mais par une tension inférieure à 12 V qui sera donnée par transformateur de tension. - Deux voltmètres et deux ampèremètres. - Un rhéostat (voir annexes à la fin du polycopié). II.1- Première partie : Transformateur à vide voltmètres. On fera varier la tension appliquée au primaire, de 2 à 10 Volts par un pas de mN N i i eff eff 1 2 2 1 mN N U Uquotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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