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Vidéo de la leçon : Ampèremètres à courant alternatif Physique

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire la confection d’ampèremètres en utilisant la dilatation thermique de fils conducteurs pour mesurer des courants alternatifs.

17:48

Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons voir les ampèremètres à courant alternatif. Ce sont des appareils que nous pouvons utiliser pour mesurer la grandeur d’un courant dans un circuit à courant alternatif ou AC. Plus précisément, nous examinerons un type d’ampèremètres à courant alternatif appelés ampèremètres à fil chaud. Nous examinerons tous les composants qui constituent un ampèremètre à fil chaud. Et nous verrons comment ces composants fonctionnent ensemble pour mesurer le courant. Maintenant, mesurer la grandeur d’un courant alternatif, qui est un courant qui change de direction à plusieurs reprises, est un peu plus compliqué que de mesurer un courant continu, qui est un courant qui va dans une seule direction. Donc, pour commencer, rappelons comment fonctionne un ampèremètre à courant continu et expliquons pourquoi il n’est pas adapté à la mesure d’un courant alternatif.

Nous avons donc ici un simple circuit série contenant une pile, qui est une source de courant continu, et une résistance. Et nous pouvons voir qu’un ampèremètre à courant continu a été connecté en série pour mesurer le courant dans le circuit. Maintenant, si nous ouvrons cet ampèremètre et regardons à l’intérieur, nous pouvons voir que c’est un type d’ampèremètre connu sous le nom d’ampèremètre à bobine mobile composé d’un galvanomètre et d’une résistance shunt en parallèle. Un galvanomètre est un dispositif qui utilise l’électromagnétisme, en particulier l’effet moteur, pour déplacer une aiguille sur un cadran et indiquer à la fois la grandeur et la direction du courant qui le traverse. Maintenant, ce type d’ampèremètre fonctionne très bien pour mesurer des courants continus constants, comme celui que nous avons dans ce circuit. Cependant, si nous remplaçons notre source de courant continu par une source de courant alternatif, nous verrions rapidement que ce type d’ampèremètre n’est pas très utile.

Maintenant, même si les galvanomètres peuvent indiquer le courant dans les deux sens - par exemple, un courant dans le sens inverse des aiguilles d’une montre dans notre circuit peut entraîner une déviation de l’aiguille vers la gauche, ce qui signifie qu’un courant dans le sens des aiguilles d’une montre provoque une déviation vers la droite - ce type d’ampèremètre n’est toujours pas très utile pour mesurer les courants alternatifs. La raison en est que l’amplitude et la direction d’un courant alternatif changent constamment. Cela signifie que l’aiguille du galvanomètre oscillerait, ce qui la rendrait difficile à lire. De plus, en raison de l’inertie de l’aiguille et des composants mobiles dans un galvanomètre, l’aiguille ne pourrait suivre que les courants alternatifs à très basse fréquence. Ainsi, un ampèremètre à bobine mobile représente une utilisation très limitée pour mesurer les courants alternatifs.

Pour ce faire, nous devons utiliser un modèle d’ampèremètre radicalement différent. Et un de ces modèles est connu sous le nom d’ampèremètre à fil chaud. Voici donc le même circuit, mais cette fois, nous avons un ampèremètre à fil chaud fixé au lieu d’un ampèremètre à bobine mobile. Modifions maintenant notre schéma électrique pour montrer ce qu’il y a à l’intérieur de cet ampèremètre. D’accord, il y a beaucoup de choses ici. Et ce schéma est un peu inhabituel car tout ce qui à gauche de cette ligne en pointillés est un schéma électrique standard. Mais tout ce qui à droite de cette ligne pointillée n’est pas un schéma électrique. Au lieu de cela, nous avons des choses comme un ressort, une poulie et un morceau de ficelle. Nous examinerons plus en détail ces composants dans une minute. Mais pour l’instant, concentrons-nous sur cette partie du schéma.

Ici, au moins, nous pouvons voir que la conception ressemble à un ampèremètre à bobine mobile au sens que le fil provenant d’une source de courant alternatif se divise en deux branches parallèles. Et tout comme pour le modèle d’ampèremètre à bobine mobile, l’une de ces branches contient une résistance shunt. Comme d’habitude avec la résistance shunt, sa fonction est de s’assurer qu’une certaine quantité de courant occupe cette partie du circuit, garantissant ainsi que seule une certaine fraction du courant total produit par notre source de courant alternatif passe par l’autre branche parallèle. Une différence évidente que nous pouvons voir avec l’ampèremètre à bobine mobile est que dans un ampèremètre à fil chaud, il n’y a pas de galvanomètre.

Nous avons plutôt une longueur spécifique de fil fabriqué à partir d’un matériau soigneusement choisi. Habituellement, il s’agit d’un alliage de platine-iridium, ce qui signifie simplement qu’il s’agit d’un mélange des deux métaux, le platine et l’iridium. Ce fil est un conducteur électrique. Et il est important de se rappeler qu’il a une certaine résistance, même si nous n’avons pas dessiné le symbole du schéma électrique pour une résistance. Ce fil constitue une partie importante du circuit, mais tout ce qui se trouve à droite de ce fil dans notre schéma ne fait pas partie du circuit. Cela signifie qu’aucune charge ne traverse ces éléments. Au lieu de cela, ces éléments ont une fonction mécanique.

Un morceau de ficelle de soie est représenté en rouge. Une extrémité de la ficelle est attachée au fil de platine-iridium et passe ensuite dans une poulie. Et l’autre extrémité est attachée à un ressort. L’autre extrémité du ressort est fixe. Et le ressort est toujours tendu de sorte qu’il applique une tension sur la ficelle et, à son tour, sur le fil de platine-iridium. Enfin, nous avons une aiguille attachée à la poulie, qui se déplace sur le cadran pendant que la poulie tourne. Et c’est tout ce qui constitue un ampèremètre à fil chaud.

Alors, quel est la fonction exacte de toutes ces choses? Eh bien, tout d’abord, notre source de courant alternatif crée un courant alternatif dans le circuit. Cela signifie que les charges circulent dans un sens puis dans l’autre. Dans les branches parallèles de notre circuit, les charges circulent dans cette direction, en passant par la résistance shunt et le fil platine-iridium, puis en retour dans la direction opposée. Maintenant, lorsque les charges passent dans une résistance, une partie de l’énergie électrique est convertie en énergie thermique. Cela signifie donc que la résistance shunt chauffe. Mais surtout, le fil de platine-iridium fait de même, car il a également une résistance.

Cette dissipation résistive dans le fil de platine-iridium signifie qu’il se réchauffe. Et lorsqu’il se réchauffe, il subit une dilatation thermique et s’allonge. Parce que ce fil est sous tension avec la ficelle de soie et que le ressort, lorsqu’il se dilate, est tiré sur la surface de la poulie, cela entraîne la rotation de la poulie et le déplacement de l’aiguille sur le cadran. Donc, quand il y a un courant dans le circuit, l’aiguille est déviée. En fait, plus le courant dans le fil est élevé, plus l’aiguille est déviée. En effet, la quantité de chaleur produite par le fil de platine-iridium pendant une période de temps donné est proportionnelle au carré du courant, représenté par cette expression, avec 𝑄 la chaleur produite et 𝐼 le courant.

Cela signifie que si nous augmentons la grandeur du courant produit par notre source de courant alternatif, le taux auquel la chaleur est produite par le fil de platine-iridium augmentera également. À mesure que la température de ce fil augmente, la quantité de chaleur qu’il dégage dans son environnement augmente également. Cela signifie que pour une grandeur donnée de courant alternatif 𝐼, le fil atteindra rapidement une température où la quantité d’énergie thermique générée est égale à la quantité de chaleur qu’il dégage. Nous pouvons dire que le fil atteint l’équilibre thermique avec son environnement, et à ce point sa température reste constante. Si la température du fil de platine-iridium reste constante, alors la quantité pour laquelle il s’est dilaté reste également constante, ce qui signifie que nous obtenons une quantité constante de déviation de l’aiguille sur le cadran.

Si nous devions maintenant augmenter la grandeur du courant alternatif dans notre circuit, alors la quantité de chaleur produite par le fil augmenterait davantage, amenant le fil à atteindre l’équilibre thermique à une température plus élevée, il se dilatera légèrement plus et la déviation de la aiguille sera plus grande. Et c’est comme cela que fonctionne notre ampèremètre à fil chaud. Une chose importante à noter à propos de ce type d’ampèremètre est que l’échelle du cadran n’est pas linéaire. Cela est dû au fait que la chaleur produite dans le fil est proportionnelle au carré du courant. Cela signifie que si nous augmentions la quantité du courant alternatif à un rythme constant, la quantité de chaleur produite par le fil augmentera à un rythme croissant.

Cela signifie qu’avec des faibles courants, une augmentation de courant de, disons, un ampère entraînera un mouvement relativement petit de l’aiguille. Mais si nous augmentons la grandeur du courant d’un autre ampère, cela aura un effet plus important sur la quantité de chaleur produite par le fil et provoquera donc un plus grand mouvement de l’aiguille. Il en résulte que des incréments de courant égaux provoquent des écarts de plus en plus grands sur le cadran à mesure que le courant augmente. Maintenant que nous avons vu comment fonctionne un ampèremètre à fil chaud, essayons de répondre à une question d’exercice.

Le fil en alliage de platine-iridium d’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 particulière. Laquelle des réponses suivantes explique le mieux comment un courant alternatif ayant une fréquence de 50 hertz dans le fil peut produire une lecture constante avec l’ampèremètre à fil chaud? (A) Le fil chauffe les autres composants mécaniques d’un ampèremètre à fil chaud. La dilatation et la contraction de ces composants sont déphasées l’une de l’autre, la lecture sur l’ampèremètre reste donc constante. (B) Le fil se dilate lorsque sa température augmente beaucoup plus rapidement qu’il ne se contracte lorsque sa température diminue, la température du fil ne diminue donc jamais pendant un temps suffisant pour se contracter sensiblement. Ou (C) 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, de sorte que la dilatation du fil correspond à la valeur efficace du courant.

Donc, cette question nous demande d’identifier la bonne raison pour laquelle un ampèremètre à fil chaud affiche une lecture constante en réponse à un courant alternatif. Nous allons effacer les réponses à l’écran pour le moment afin de regarder de plus près comment cela fonctionne. Pour commencer, rappelons qu’un courant alternatif est un courant dont la direction et l’amplitude changent constamment. Nous pouvons dessiner un graphique avec le courant sur l’axe vertical et le temps sur l’axe horizontal qui montre comment un courant alternatif varie au fil du temps.

Initialement, à l’instant zéro, il n’y a pas de courant. Après cela, nous pouvons voir que le courant augmente jusqu’à une valeur maximale avant de redescendre à zéro. Après cela, le courant augmente dans le sens négatif jusqu’à une valeur négative maximale. Cela représente le courant allant dans la direction opposée. L’intensité de ce courant diminue alors à zéro. Et ce cycle se répète alors encore et encore, avec le courant augmentant dans une direction puis diminuant à nouveau, puis augmentant dans la direction opposée et diminuant à nouveau, et ainsi de suite.

Dans cette question, nous avons affaire à un courant alternatif avec une fréquence de 50 hertz. Cela signifie que le courant subit un cycle complet comme celui-ci 50 fois par seconde, ce qui signifie que le courant change de direction 100 fois par seconde. Maintenant, il est beaucoup plus difficile d’essayer de mesurer la grandeur d’un courant comme celui-ci que de mesurer celle d’un courant continu, qui reste à un niveau constant dans une direction. Pour mesurer un courant continu, il est courant d’utiliser un dispositif appelé ampèremètre à bobine mobile, qui est basé sur un galvanomètre. Dans un galvanomètre, le champ magnétique produit par un courant provoque la déviation d’une aiguille sur un cadran d’une quantité proportionnelle à la grandeur du courant. Cela fonctionne très bien pour les courants continus. Cependant, cela ne fonctionne pas très bien pour les courants alternatifs. En effet, un galvanomètre mesure efficacement le champ magnétique produit par un courant.

Et si le courant alterne rapidement, le champ magnétique alternera à la même fréquence. Cela signifie que si nous connectons notre galvanomètre à une source de courant alternatif, nous constatons que l’aiguille fluctue rapidement d’un côté à l’autre, ce qui rend impossible d’obtenir une lecture précise. En revanche, un ampèremètre à fil chaud, comme celui mentionné dans cette question, est un ampèremètre conçu spécifiquement pour mesurer la grandeur des courants alternatifs. Cela ne se fait pas en regardant les effets électromagnétiques d’un courant comme le fait un galvanomètre. On mesure les effets thermiques de la charge circulant dans un fil.

Un ampèremètre à fil chaud peut mesurer le courant alternatif dans un circuit en permettant à une fraction de ce courant de circuler le long d’un fil en alliage de platine et d’iridium. Une ficelle de soie est attachée à ce fil qui passe sur une poulie, qui est ensuite attachée à un ressort qui le maintient sous tension. La poulie a ensuite une aiguille qui pointe vers un cadran. La façon dont cela fonctionne est que le fil de platine-iridium produit de la chaleur lorsque les charges la traversent en raison de la dissipation résistive. Bien qu’une partie de cette chaleur soit dégagée dans son environnement par conduction et rayonnement, la température du fil lui-même augmente, provoquant une dilatation thermique. À mesure que la température du fil augmente, la vitesse à laquelle il transfère la chaleur à son environnement augmente également, jusqu’à ce qu’elle soit égale à la vitesse à laquelle le fil dissipe l’énergie électrique. À ce stade, la température du fil cesse d’augmenter.

Maintenant, c’est là que les choses deviennent intéressantes. Comme ceci est mentionné dans la question, la température du fil dépend du courant dans le fil. Cependant, nous savons que le courant dans le fil alterne rapidement. Alors pourquoi est-ce que la température de ce fil ne fluctue pas aussi? Eh bien, tout simplement, la dilatation et la contraction thermiques de ce fil sont beaucoup plus lentes que l’alternance du courant. Au cours d’une période donnée, la chaleur produite par le fil 𝑄 est proportionnelle au carré du courant. Il est donc techniquement vrai que le fil produit plus de chaleur lorsque l’intensité du courant est maximale, ce qui correspond à ces positions sur le graphique.

Cependant, la température globale du fil, ainsi que ses effets de contraction thermique et de dilatation, changent si lentement que le fil n’a pas le temps de refroidir et de se contracter entre ces deux points d’intensité maximale du courant. Cela signifie que pour un courant avec une valeur de crête donnée, un ampèremètre à fil chaud donnera une lecture constante. Alors maintenant, si nous revenons en arrière avec nos choix de réponses, nous pouvons voir que cela correspond le mieux à l’option (C). Un courant alternatif avec une fréquence de 50 hertz peut produire une lecture constante pour l’ampèremètre à fil chaud parce que la fréquence à laquelle le fil peut subir un cycle complet de dilatation et de contraction est beaucoup plus petite que la fréquence du courant alternatif. Ainsi, la dilatation du fil correspond à la valeur efficace du courant.

Passons maintenant en revue certains des points clés de cette leçon. Nous avons vu qu’un ampèremètre à fil chaud utilise la dissipation résistive dans un fil en alliage de platine et d’iridium pour mesurer les courants alternatifs. Le fil en alliage de platine-iridium est connecté en parallèle avec une résistance shunt, et le courant alternatif dans le fil fait augmenter sa température. La dilatation thermique du fil en alliage de platine et d’iridium est mesurée à l’aide d’un ressort, d’une ficelle de soie, d’une poulie et d’une aiguille sur un cadran. Et la quantité de dilatation thermique correspond à la valeur efficace du courant. Ceci est un résumé des ampèremètres à courant alternatif.

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