Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la construction d’un ampèremètre utilisant la dilatation thermique de fils conducteurs afin de mesurer des courants alternatifs.
Les ampèremètres sont des composants de circuit qui servent à mesurer le courant.
Les ampèremètres utilisés dans les circuits à courant continu (cc) sont souvent construits en utilisant un galvanomètre. Cet appareil utilise une aiguille déviée par un moment de force magnétique pour indiquer l’intensité et le sens du courant.
Dans les circuits à courant alternatif (ca), le galvanomètre n’est pas adapté pour répondre à des changements répétés et rapides de la direction du courant. Une autre conception d’ampèremètre est nécessaire.
Les ampèremètres à fil chaud sont des appareils qui mesurent le courant en fonction de la dilatation thermique d’un fil. Le sens du courant dans le fil n’est pas important, rendant les ampèremètres à fil chaud bien adaptés aux circuits alternatifs.
Considérons un circuit alternatif avec un ampèremètre à fil chaud en série, comme indiqué sur le schéma suivant.
L’ampèremètre est construit de manière à répartir le courant sur deux branches parallèles. Une branche est constituée d’une résistance appelée résistance shunt. L’autre branche comprend le fil qui est chauffé, comme suit.
Les charges individuelles qui pénètrent dans l’ampèremètre traversent la résistance shunt ou le fil chaud.
Lorsqu’une charge passe à travers le fil, la température du fil augmente et le fil se dilate.
La ligne rouge sur le schéma représente une ficelle non conductrice attachée au fil chaud. La ficelle est tendue en raison du ressort. Lorsque la température du fil augmente, le fil s’allonge et la ficelle est tirée vers la droite.
La ficelle en mouvement tourne une poulie, tirant une aiguille à travers une échelle de mesure étalonnée. La position de l’aiguille sur l’échelle indique la mesure de courant de l’ampèremètre.
Exemple 1: Expliquer comment un courant alternatif peut conduire à une mesure de courant constante dans un ampèremètre à fil chaud
Le fil en alliage de platine et d’iridium dans un ampèremètre à fil chaud se dilate lorsque sa température augmente et se contracte lorsque sa température diminue. La température du fil dépend du courant dans le fil. Un ampèremètre à fil chaud utilisant un tel fil donnera une lecture constante pour un courant alternatif qui a une valeur de crête spécifique. Laquelle des affirmations suivantes explique le plus correctement comment un courant alternatif avec une fréquence de 50 Hz dans le fil peut produire une mesure constante de l’ampèremètre à fil chaud ?
- La fréquence à laquelle le fil peut subir un cycle de dilatation et de contraction est beaucoup plus petite que la fréquence du courant alternatif, donc la dilatation du fil correspond à la valeur effective du courant.
- Le fil se dilate beaucoup plus vite lorsque sa température augmente qu’il ne se contracte lorsque sa température diminue, de sorte que le câble ne diminue jamais en température pendant un temps suffisant pour se contracter sensiblement.
- Le fil chauffe les autres composants mécaniques d’un ampèremètre à fil chaud. L’expansion et la contraction de ces composants étant déphasées, la mesure sur l’ampèremètre reste constante.
Réponse
La dilatation du fil en platine-iridium dépend de la quantité de charge qui le parcourt. Plus le courant est intense, plus la température du fil est augmentée par la résistance à la charge qui circule, et plus le fil se dilate.
Même si l’énergie électrique dissipée tend continuellement à augmenter la température du fil, le fil ne s’allonge pas sans limite.
Plus la température du fil dépasse celle de son environnement, plus la vitesse à laquelle le fil chauffe son environnement de façon radiale est grande.
À une certaine température, la tendance de la température du fil à augmenter en raison de la dissipation de l’énergie électrique et sa tendance à diminuer en raison du chauffage du fil de ses environs sont égales.
À cette température, les taux de transfert d’énergie vers et depuis le fil sont égaux. Le fil maintient donc cette température, à laquelle le fil est en équilibre thermique.
Un fil à température constante maintient une longueur constante. Cela permet une mesure stable du courant.
Dans cet exemple, on nous dit que la température du fil dépend du courant qui le parcourt.
Le courant alterne selon un taux de 50 Hz, ou 50 cycles chaque seconde. Un tel cycle est décrit ci-dessous.
Indépendamment que le courant soit positif ou négatif, en tout point où le courant est non nul, l’énergie dissipée tend à augmenter la température du fil, ce qui augmente sa longueur.
Notez que la longueur du fil ne diminuera jamais. Au contraire, elle augmentera jusqu’à atteindre la longueur qu’elle aurait si elle transportait un courant continu d’intensité égale à la valeur effective du courant alternatif. Lorsque cela se produit, les taux de transfert d’énergie vers et depuis le fil sont égaux.
Le choix B affirme qu’en plus de se dilater en raison d’une augmentation de la température, le fil se contracte également si sa température diminue. Cependant, nous avons établi que la température du fil ne diminue jamais, donc l’option B ne peut pas être correcte.
Le choix C décrit le réchauffement des autres composants mécaniques dans l’ampèremètre, tels que la chaîne, le ressort et la poulie.
Plus précisément, on prétend que ces composants se dilatent et se contractent de manière coordonnée de sorte que le système atteint globalement un état d’équilibre.
Les ampèremètres à courant alternatif ne sont cependant pas conçus avec cette propriété en tête. Intuitivement, il est plus probable que réchauffer ou refroidir les pièces mécaniques de l’ampèremètre les fera se dilater ou se contracter à l’unisson, empêchant une mesure constante.
L’explication la plus correcte de la capacité de l’ampèremètre à délivrer une mesure constante pour un courant alternatif à 50 Hz est le choix A.
Exemple 2: Identifier un composant non conducteur d’un ampèremètre à fil chaud
Le schéma illustre un ampèremètre à fil chaud. Lequel des composants illustrés est attaché à des composants électriquement conducteurs mais n’est pas lui-même conducteur électrique ?
Réponse
Le composant II sur le schéma est le fil en platine-iridium qui chauffe et se dilate lorsqu’il est parcouru par de la charge électrique. C’est un conducteur mais il est attaché à une ficelle non conductrice représentée sur le schéma par la ligne rouge.
La ficelle tend le fil sans influencer le flux de charge à travers lui. Ce composant non conducteur est nommé composant III.
Exemple 3: Identifier la condition d’un ampèremètre à fil chaud pour mesurer un courant constant
Laquelle des conditions suivantes doit être remplie pour qu’un ampèremètre à fil chaud produise une mesure constante pour un courant alternatif ?
- Le fil doit réchauffer son environnement avec la même puissance avec laquelle il est réchauffé par son environnement.
- La puissance électrique dissipée par le fil doit être égale à la puissance avec laquelle le fil réchauffe son environnement.
- La puissance électrique dissipée dans le fil doit être supérieure à la puissance avec laquelle le fil réchauffe son environnement.
- La puissance électrique dissipée dans le fil doit être nulle.
Réponse
Lorsqu’un ampèremètre à fil chaud donne une mesure constante, nous savons que l’aiguille indiquant la mesure est stationnaire.
Cela signifie que la ficelle enroulée sur la poulie qui détermine comment pointe l’aiguille ne se déplace pas non plus.
L’immobilité de la ficelle nous indique que le fil auquel elle est attachée ne se dilate ni ne se contracte. Par conséquent, sa température est constante - le fil est en équilibre thermique.
En supposant que l’ampèremètre mesure un courant non nul, l’équilibre thermique du fil est dû à un équilibre entre la tendance de la température à augmenter et sa tendance à diminuer.
La température du fil a tendance à augmenter à mesure qu’il dissipe l’énergie électrique dans le circuit. Lorsque le fil transfère de l’énergie dans son environnement à la même vitesse que celle qui lui est transférée par dissipation, l’équilibre thermique est atteint et l’ampèremètre mesure un courant constant.
Cette description correspond au choix B.
Notez que le choix A décrit le fil comme réchauffant ses environs et les environs réchauffant le fil à taux égaux. En réalité, ces taux ne sont pas les mêmes ; le transfert net d’énergie dissipée se fait du fil vers son environnement.
Le choix C prétend qu’une mesure constante de l’ampèremètre indique plus de puissance dissipée dans le fil que transférée à son environnement. Cependant, cette condition ferait augmenter la température du fil, augmentant sa longueur et conduisant à une lecture qui augmente en fonction du temps.
Si l’énergie électrique dissipée par le fil est nulle, comme décrit par le choix D, aucune charge ne le parcourt. Le courant zéro serait indiqué par une mesure de courant constante de .
Cependant, ceci n’est pas une condition nécessaire pour une mesure constante ; l’ampèremètre est capable de mesurer un courant constant même si de l’énergie est dissipée dans le fil, comme décrit par le choix B. Ce choix est notre réponse finale à cette question.
Nous avons vu que l’énergie dissipée dans un ampèremètre dépend du courant dans le fil. Plus précisément, si est l’énergie dissipée par le fil et est le courant,
La déflexion de l’aiguille de l’ampèremètre, proportionnelle à l’énergie dissipée, , n’est pas directement proportionnelle au courant .
L’augmentation du courant dans le fil de à un ampère va dévier l’aiguille de l’ampèremètre d’un angle que nous appellerons . Changer le courant d’un ampère à va dévier l’aiguille selon un angle différent que nous appellerons , où est plus grand que .
Pour des incréments égaux successifs du courant, l’angle de déviation de l’ampèremètre associé sera supérieur à celui de l’incrément précédent.
Exemple 4: Choisir les bonnes divisions de l’échelle d’un ampèremètre à fil chaud
Lequel des schémas suivants illustre le plus correctement les divisions de l’échelle d’un ampèremètre à fil chaud correspondant à des variations égales du courant ?
Réponse
Dans un ampèremètre à fil chaud, l’énergie dissipée par le fil est proportionnelle au carré du courant.
Par conséquent, si le courant est incrémenté, chaque incrément supplémentaire dissipera plus d’énergie que l’incrément précédent. Les repères de l’échelle pour les mesures de courant le reflètent.
Par exemple, les repères entre un ampère et sont séparés par une plus grande distance que ceux entre et un ampère. La distance entre les repères indiquant deux et est encore plus grand, et ainsi de suite.
Par conséquent, une échelle pour des incréments égaux de courant affichera des repères séparés par une distance croissante pour un courant croissant. Le schéma qui illustre cela le plus correctement est le schéma C.
Le schéma A, affichant des espacements égaux entre des variations égales du courant, serait correct si l’énergie dissipée par le fil chaud était proportionnelle simplement au courant, plutôt qu’au courant au carré.
Le choix B suggère une relation inverse entre la dissipation et le courant, conduisant à des repères séparés par des distances décroissantes pour un courant croissant.
Étant donné que l’énergie dissipée par le fil chaud est proportionnelle au courant au carré, nous choisissons le schéma C comme le meilleur indicateur des divisions d’échelle sur un ampèremètre à fil chaud.
Points clés
- Un ampèremètre à fil chaud est conçu pour mesurer des courants alternatifs.
- L’ampèremètre fonctionne en corrélant la dilatation thermique d’un fil avec le courant dans le fil.
- Lorsque le fil est en équilibre thermique, l’ampèremètre mesure un courant constant.
- L’échelle d’un ampèremètre à fil chaud est non linéaire car des augmentations incrémentielles du courant conduisent à des déviations progressivement plus grandes de l’aiguille indiquant le courant.
