La tension alternative

1. Etude d'une tension alternative

La tension alternative fournie par une prise électrique change de valeur 50 fois par seconde, ce qui est bien trop rapide pour réaliser une mesure à la main. Nous allons donc utiliser un appareil capable de créer une tension alternative variant très lentement, le générateur de très basses fréquences ou GTBF.
En notant les valeurs prises par la tension toutes les 5 secondes durant 2 minutes, nous obtenons les valeurs ci-dessous :

Temps (s) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120
Tension (V) 9.06 8.16 5.79 2.66 -0.8 -3.9 -7 -8.8 -9.6 -9.3 -8 -5.4 -2.2 1.25 4.51 7.16 8.68 9.06 8.21 6.13 3.12 0 -3.7 -6.6

Définitions

Alternative :
Une tension alternative est une tension dont les valeurs sont tantôt positives, tantôt négatives.

Périodique :
Une tension périodique est une tension dont les valeurs se répètent au bout d'un certain temps, la période.

Valeurs extrêmes :
Dans le cas de la tension, on parlera de UMAX et UMIN.

Fréquence :
La fréquence d'un évènement est le nombre de fois que cet évènement se produit dans un intervalle de temps donné.
Exemple : La fréquence cardiaque au repos est d'environ 70 à 80 battements par minute.
Dans le cas d'une tension alternative, la fréquence représentera le nombre de périodes qui pourront avoir lieu en une seconde et s'exprimera en Hertz (Hz).

2. Les fréquences au quotidien

Lorsqu'un son est produit par un haut-parleur, sa fréquence correspond au nombre de vibrations qu'effectue la membrane en une seconde.
L'animation ci-dessous vous permettra de faire le lien entre le son produit et sa fréquence. Vous pouvez modifier la fréquence du son en déplaçant le curseur, le jouer en cliquant sur le bouton vert et l'arrêter en cliquant sur le bouton rouge.

Compte-tenu de mes humbles connaissances en programmation, il ne m'est pas possible de réaliser celle-ci autrement qu'en flash et il semble que votre navigateur ne le supporte pas. Firefox, Opera, Chrome, Internet Explorer ou Safari devraient en être capable.

Domaine audible

L'oreille humaine est capable d'entendre des sons dont la fréquence est comprise à peu près entre 20Hz et 20.000Hz.
Sa sensibilité varie, principalement en fonction de l'âge et de l'exposition aux bruits et ne peut que se détériorer.
Ainsi un adolescent qui abuse de son lecteur mp3 détériorera son oreille et ne récupérera jamais sa sensibilité auditive !

Les fréquences inférieures à 20 Hz sont appelées infrasons, des animaux tels que les éléphants et les baleines les utilisent pour communiquer sur de grandes distances.

Les fréquences supérieures à 20.000Hz sont appelées ultrasons. Certains animaux y sont sensibles, comme les chiens et les chats, d'autres les utilisent pour se repérer et chasser comme les dauphins ou les chauve-souris.

Les ondes radio

Si vous voulez écouter la radio NRJ, il est nécessaire de régler votre poste radio sur 106.1 MHz. NRJ est donc diffusée sur une fréquence de 106100Hz et d'une façon générale toutes les stations radio sont comprises entre 87500Hz et 107700Hz.

Les téléphones portables peuvent utiliser différentes fréquences allant de 900MHz à 2.5GHz

Vitesse de calcul d'un ordinateur

Le coeur d'un ordinateur est son processeur. Ce processeur est régulé par une horloge et il réalise quelques calculs entre deux "top" de cette horloge. Dans les processeurs actuels cette horloge bat à une fréquence de plusieurs gigahertz : le processeur réalise donc plusieurs milliards de calculs en une seconde.

3. Comment calcule-t-on une fréquence ?

Calcul de la période :
- longueur de la période : 12 carreaux
- durée d'un carreau : 2 ms
- durée de la période : 24 ms

On utilise maintenant une relation de proportionnalité :
1 période -> 24 ms
x période -> 1 s

Fréquence x = 1 période * 1 seconde / 0,024 = 42 Hz

Calcul de la période :
- longueur de la période : 12 carreaux
- durée d'un carreau : 3 ms
- durée de la période : 36 ms

On utilise maintenant une relation de proportionnalité :
1 période -> 36 ms
x période -> 1 s

Fréquence x = 1 période * 1 seconde / 0,036 = 28 Hz

Calcul de la période :
- longueur de la période : 14 carreaux
- durée d'un carreau : 10 ms
- durée de la période : 140 ms

On utilise maintenant une relation de proportionnalité :
1 période -> 140 ms
x période -> 1 s

Fréquence x = 1 période * 1 seconde / 0,14 = 7 Hz

4. Oscilloscope et visualiseur numérique

Pour visualiser une tension facilement, il existe un appareil l'oscilloscope.
Il est également possible d'utiliser la console d'acquisition VTT de Jeulin pour afficher une tension. Celle-ci effectue le même travail que nous au premier paragraphe, mais des milliers de fois plus vite...

Téléchargez le mode d'emploi de ces appareils en cliquant ici.

5. Notion de tension efficace

Il est également possible de mesurer une tension alternative à l'aide d'un voltmètre, en se positionnant sur les calibres marqués V~ (ou ACV, qui signifie Alterative Current Voltage sur les voltmètre écrit en anglais).
On remarque alors que la tension indiquée par le voltmètre est différente de la tension maximale visualisée à l'aide d'un oscilloscope ou de la console VTT Jeulin
Dans le cas d'une tension sinusoïdale, on remarque que la tension mesurée par le voltmètre est environ 1.4 fois plus faible que la tension maximale relevée par la console d'acquisition.

En effet, le voltmètre ne mesure pas la tension maximale, mais la tension efficace, qui correspond à peu près à un "moyenne" de la tension disponible pour les appareils branchés sur le générateur, puisque celui-ci ne fournit pas toujours la tension maximale.

Remarque sur la tension du secteur

On dit qu'une tension efficace de 230V est disponible dans les prises électriques. On en déduit donc que la tension maximale est de 230*1,4 = 320 V.