TP d'électricité

Ce TP aborde les notions de base de l'électricité : réglage d'un générateur, réalisation un circuit électrique en série ou circuit dérivation (parallèle), mesure de tensions électriques, mesure d'intensité, utilisation des conducteurs ohmiques (résistances) et manipulation d'un oscilloscope et d'un GBF.

Pour les prérequis, visionnez l'animation suivante :
http://www.pccl.fr/physique_chimie_college_lycee/quatrieme/electricite/analogie_hydraulique.htm
Elle vous présente le concept de base de la circulation d'un courant dans un circuit grâce à une différence de potentiel et une analogie hydraulique.

Voici d'autres notions importantes.

Tension et potentiels électriques

La tension électrique est une différence de potentiels, on note $U_\mathrm{AB} = V_A - V_B$, on représente cette tension par une flèche dirigée de B vers A :

La tension est positive si le potentiel en A est supérieur au potentiel en B. Alors, le courant d'intensité $i$ circulera de A vers B si le circuit est fermé.

Générateur et masse

Le générateur possède une borne positive et une borne négative, le potentiel de la borne positive est égal à la f.e.m (notée $E$) du générateur ou de la pile : le potentiel de la borne + d'une pile de 4,5 V est $V_+ = 4{,}5\,\mathrm{V}$.
La borne - du générateur est la référence des potentiels électriques, fixée à 0 V : on l'appelle la masse du montage.

Conventions

Lorsque l'on flèche la tension aux bornes d'un générateur, on utilise la convention générateur : la flèche de la tension et de l'intensité du courant sont dans le même sens.

Lorsque l'on flèche la tension aux bornes d'un récepteur (lampe, conducteur ohmique, condensateur, ...), on utilise la convention récepteur : la flèche de la tension et de l'intensité du courant sont en sens contraire.

Vocabulaire

Un réseau électrique est formé de nœuds, branches et de mailles. Par exemple, sur le schéma ci-contre :

la portion de circuit FA est une branche : on y trouve deux dipôles en série, le générateur $E_1$ et la résistance $R$ ;
B est un noeud, c'est-à-dire un point du circuit où se rejoignent au moins trois branches ; le courant va alors se diviser ;
une maille est une boucle du circuit que l'on parcourt une et une seule fois : ABEFA ou BCDEB sont des mailles.

Dans tout ce TP, on utilisera toujours le calibre le plus adapté pour chaque mesure (de tension, de courant ou de résistance). Le calibre se règle avec le bouton RANGE de l'appareil (dans le cas où le multimètre ne fait pas apparaître directement les calibres).

Pour les calculs d'incertitudes, on admettra que la précision constructeur vaut $\pm$ 0,2% Lecture + 2 digits, quel que soit le calibre utilisé.

Présentation du matériel

Présentation du matériel
(cliquez pour agrandir)

Circuit en série ou en dérivation

Réglage d'un générateur de tension continue

Matériel : générateur et multimètres.
On pourra trouver deux types de multimètre, l'un avec les calibres directement visibles,
l'autre avec un bouton RANGE qui permet le réglage du calibre.
(cliquez pour agrandir)

Avant de réaliser un montage électrique, on règle le générateur seul. Ici, on utilise un générateur de tension continue de 6 V.

Réaliser le montage ci-contre, c'est-à-dire brancher le voltmètre aux bornes du générateur.
La borne V du voltmètre doit être reliée à la borne + du générateur, la borne COM du voltmètre à la borne - du générateur.
Choisir sur le voltmètre le calibre adéquat (utilisation du bouton RANGE sur le multimètre MX553).
Allumer le voltmètre, puis le générateur et tourner son potentiomètre de façon à régler sa tension sur 6 V.

Circuit série

Matériel : lampe et ampoule
(cliquez pour agrandir)

Loi des mailles

Réaliser le circuit série de la figure ci-contre : les trois dipôles, générateur, lampe 1 et lampe 2 forment une boucle simple.

Couleur des fils : par convention, le fil relié à la masse sera de couleur noir, les autres fils seront de couleur rouge.

Mesure de la tension aux bornes des trois dipôles :
un voltmètre se branche en dérivation afin de mesurer la différence de potentiel en volt entre les deux points sur lesquels il est branché. Ainsi la figure 11 montre comment brancher le voltmètre afin de mesurer la différence de potentiel entre les points B et C, c'est à dire la tension aux bornes de la lampe $\mathrm{L}_2$.
$\spadesuit$ Mesurer les tensions aux bornes des trois dipôles. Evaluer l'incertitude sur ces mesures. On notera que ces valeurs peuvent varier, les résistances des ampoules diffèrent à mesure que les filaments chauffent: on prendra la mesure "à froid".
$\spadesuit$ La tension est différente aux bornes des ampoules, à votre avis pourquoi ? Vous pouvez jeter un oeil aux culots des ampoules, y apparaissent les valeurs nominales ...
$\spadesuit$ Quelle loi peut-on déduire de ces mesures ? Celle-ci s'appelle la loi des mailles.

Mesure de tension dans un circuit en série

Intensité dans un circuit série

Mesure de l'intensité dans le circuit :

un ampèremètre permet de mesurer l'intensité du courant électrique en ampère. Cet appareil se branche en série dans le montage comme indiqué sur la figure 12.
Plusieurs calibres sont disponibles pour la mesure de l'intensité, on commence toujours par la mesure sur le calibre 10 A, puis si possible, on prend un calibre plus petit (donc plus précis).

Attention, une des bornes de branchement de l'ampèremètre dépend du calibre, il existe une borne pour le calibre 10A, une autre pour les calibres en mA.

$\spadesuit$ Mesurer l'intensité du courant dans le circuit série à différents endroits : entre le générateur et $\mathrm{L}_1$, entre $\mathrm{L}_1$ et $\mathrm{L}_2$, entre $\mathrm{L}_2$ et le générateur.
Evaluer l'incertitude sur chaque mesure.
$\spadesuit$ Quelle loi peut-on tirer de ces mesures ?

Ajout d'une troisième ampoule

On ajoute une troisième ampoule en série avec $\mathrm{L}_1$ et $\mathrm{L}_2$. Les mesures de tensions et d'intensité sont-elles modifiées ? les lois sont-elles toujours valables ?

$\spadesuit$ Réaliser des mesures pour répondre à ces questions.

Circuit dérivation

Circuit de deux lampes en dérivation $\label{test}$

Mesure de tensions

Réaliser le circuit présenté sur la figure 13. Il faudra utiliser deux fils noirs.
$\spadesuit$ Mesurer la tension aux bornes des trois dipôles et leur incertitude.
$\spadesuit$ Que peut-on en déduire ?

Mesure d'intensité

$\spadesuit$ Mesurer l'intensité du courant et son incertitude dans les trois branches du circuit : celle du générateur, celle de $\mathrm{L_1}$ et celle de $\mathrm{L_2}$. Attention, l'ampèremètre n'est pas évident à placer. Le faire apparaître sur le schéma du montage pour bien visualiser les branchements.
$\spadesuit$ Quelle loi peut-on en tirer ? Celle-ci s'appelle la loi des noeuds.

Ajout d'une troisième ampoule

Refaire le circuit permettant la mesure de l'intensité dans la branche du générateur.
Ajouter alors une troisième lampe en dérivation.
$\spadesuit$ Que devient l'intensité dans la branche principale ? Qu'en conclure par rapport aux dangers de brancher trop d'appareils sur une multi-prises ?

Le conducteur ohmique

La boîte AOIP : présentation

Le conducteur ohmique est appelé par abus de langage résistance. En effet, la résistance est la grandeur physique qui caractérise le conducteur ohmique (mais pas seulement, une bobine possède une certaine résistance du fait de la longueur de fil de cuivre qui la constitue).

Dans ce TP, on manipule des boîtes AOIP qui sont des conducteurs ohmiques réglables.

Comme son nom l'indique, une résistance permet de résister au courant électrique, elle va donc permettre par exemple de minimiser l'intensité dans une branche.
Sa deuxième caractéristique est de dissiper l'énergie qu'elle reçoit sous forme de chaleur : c'est l'effet Joule.

Boite de résistances AOIP
(cliquez pour agrandir)

L'AOIP est une boîte noire munie de 3 bornes, d’un curseur et d’une tourelle avec numéros. Soit $x$ le numéro qu’indique la tourelle.

A préparer : Chercher la signification du sigle AOIP.

Etude d’une seule boîte à l’ohmmètre

Entre les bornes A et B, la valeur de la résistance est directement indiqué par la valeur de $x$, sans oublier de la multiplier par le coefficient indiqué sur la tourelle. Ici, on manipule des boîtes $\times 1000 \Omega$.

Manipulation

Brancher le multimètre en mode ohmmètre aux bornes A et B (on utilise les bornes $\Omega$ et COM du multimètre), choisir le bon calibre et vérifier ce qui vient d'être dit.
$\spadesuit$ Que vaut la résistance entre les bornes B et C ? entre les bornes A et C ? Décrire ces résultats.

Associations série et dérivation

Il n'y a pas de générateur dans les montages qui suivent ! On utilise une nouvelle fois le multimètre en ohmmètre. Régler des valeurs différentes (prendre 2 k$\Omega$ et 5 k$\Omega$ par exemple) pour les deux boîtes AOIP.

A préparer
Sachant que les boîtes AOIP à disposition permettent de régler une résistance entre 1 et 11 k$\Omega$, préparer vos calculs d'incertitudes pour les deux manipulations qui vont suivre. On donne la précision des boîtes AOIP : 0,2% Lecture (tolérance constructeur). La donnée constructeur du multimètre est toujours la même 0,2% Lecture $\pm$ 2 digits.

$\spadesuit$ Mettre les 2 boîtes AOIP en série et mesurer la résistance aux bornes de l’ensemble. Comparer et conclure par rapport à la valeur théorique : \[\boxed{R_\text{eq} = R_1+R_2} \qquad \heartsuit\]
$\spadesuit$ Mettre les boîtes AOIP en dérivation et mesurer la résistance aux bornes de l’ensemble. Comparer et conclure par rapport à la valeur théorique : \[\boxed{\dfrac{1}{R_\text{eq}}=\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}}\qquad \heartsuit\]

Remarque : $R_\text{eq}$ = résistance équivalente.

Il est judicieux ici d'utiliser le logiciel Regressi pour le calcul d'incertitude (propagation).

Loi d'Ohm

La loi qui lie la tension et l'intensité aux bornes et à travers un conducteur ohmique est la loi d'Ohm. Elle s'écrit : \[ \boxed{U = R \times i} \qquad \heartsuit\] Réaliser le montage ci-contre avec une AOIP de $5000\,\Omega$ et un générateur réglé à 6 V afin de vérifier cette loi aux incertitudes près (on prendra les différentes données d'incertitudes déjà mentionnées dans ce texte).
$\spadesuit$ Noter les mesures et résultats obtenus.

On réalisera le montage en deux fois, avec le même multimètre Metrix MX553

Diviseur de tension

Le diviseur de tension, comme son nom l'indique, permet de prélever une partie de la tension du générateur. C'est un montage très utilisé en électricité, découvrons-le.

Le circuit ci-dessus montre le montage classique, la tension $U_{R_2}$ est une portion de la tension du générateur $E$.

A préparer

A l'aide de la loi des mailles, de la loi d'Ohm et de l'association des résistances en série, montrez que \[ U_{R_2} = \displaystyle\frac{R_2}{R_1+R_2}\,E\]

On prendra $R_1=5000\,\Omega$ et $R_2=2000\,\Omega$, un générateur de 6 V. A l'aide de mesures, vérifiez, aux incertitudes près, la concordance théorie et expérience.

Oscilloscope et générateurs

Matériel : oscilloscope et générateurs.
(cliquez pour agrandir)

Le but de ce paragraphe est de comprendre le fonctionnement et les réglages d'un oscilloscope en lui branchant deux types de générateur, un générateur continu (celui utilisé précédemment dans ce TP) et un générateur alternatif (le GBF, générateur basse fréquence).

Voici quelques informations pour vous guider dans vos tests :

Un oscilloscope est un voltmètre qui permet une mesure de la tension en fonction du temps $U=f(t)$. Avant de l'utiliser, comme tout appareil de mesure il faut faire le zéro : on utilise le mode GROUND (GND).
Un générateur peut se brancher directement à une voie de l'oscilloscope, les bornes noires sont reliées entre elles, les bornes rouges également.
Le générateur basse fréquence (GBF) délivre une tension sinusoïdale, carrée ou triangulaire dont on peut faire varier la fréquence (en hertz) et l'amplitude (en volt). Attention, pensez à appuyer sur le bouton OUTPUT au niveau du branchement pour que le signal puisse être délivré.
La tension délivrée par le GBF peut avoir une valeur moyenne nulle ou non : dans ce dernier cas on dit qu'elle a une composante continue et une composante alternative.
Pour ajouter une composante continue, il faut régler l'OFFSET du GBF pour donner la valeur de la composante continue voulue.
Une voie peut être réglée sur trois modes, appelés "couplage":

le mode GND pour faire le zéro ;
le mode AC pour visualiser uniquement la composante alternative d'un signal ;
le mode DC pour visualiser la totalité d'un signal (composante alternative et composante continue).

A préparer

Vous pouvez déjà d'ores et déjà vous familiariser avec l'oscilloscope et le GBF ici :

Cette première animation permet de faire complètement la manipulation demandée. Néanmoins, il faut apprendre utiliser les appareils de la salle de TP !

Cette autre animation marche aussi mais est moins complète.

Avant de venir en TP, vous devez avoir compris avec cette simulation les notions abordées dans les définitions ci-dessus.

Visualisez également la vidéo ci-dessous :

Manipulation

Votre mission est d'obtenir successivement sur l'oscilloscope les trois oscillogrammes suivants :

Il faut calculer les grandeurs caractéristiques de ces courbes (valeur maximale, valeur moyenne, etc), puis voir comment on peut les régler sur l'oscilloscope. Réfléchissez !

$\spadesuit$ Noter dans le cahier de TP toutes les informations/réglages qui ont permis de régler les bons signaux.

Fiche de résultats

Rendez-vous sur votre espace LabNbook pour transmettre vos résultats.

★★★

Matériel

1 générateur de tension continue
1 Multimètre portable
3 supports d'ampoule + 3 ampoules de caractéristiques différentes
2 Boites de résistance AOIP (x1 kΩ)
Un oscilloscope numérique Rigol
Un GBF Métrix