15.2 : Sources de courant alternatif
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À la fin de la section, vous serez en mesure de :
- Expliquer les différences entre le courant continu (DC) et le courant alternatif (AC)
- Définir les caractéristiques du courant et de la tension alternatifs, telles que l'amplitude ou le pic et la fréquence
La plupart des exemples traités jusqu'à présent dans ce livre, en particulier ceux utilisant des batteries, ont des sources de tension constante. Ainsi, une fois le courant établi, il est constant. Le courant continu (DC) est le flux de charge électrique dans une seule direction. C'est l'état permanent d'un circuit à tension constante.
La plupart des applications connues utilisent toutefois une source de tension variable dans le temps. Le courant alternatif (AC) est le flux de charge électrique qui change périodiquement de direction. Un courant alternatif est produit par une force électromotrice alternative, générée dans une centrale électrique, comme décrit dans Champs électriques induits. Si la source de courant alternatif varie périodiquement, en particulier de manière sinusoïdale, le circuit est appelé circuit alternatif. Les exemples incluent l'énergie commerciale et résidentielle qui répond à un grand nombre de nos besoins.
Les tensions et fréquences alternatives couramment utilisées dans les entreprises et les foyers varient à travers le monde. Dans une maison typique, la différence de potentiel entre les deux côtés d'une prise électrique alterne de manière sinusoïdale avec une fréquence de 60 ou 50 Hz et une amplitude de 170 ou 311 V, selon que vous vivez aux États-Unis ou en Europe, respectivement. La plupart des gens savent que la différence de potentiel pour les prises électriques est de 120 V ou 220 V aux États-Unis ou en Europe, mais comme expliqué plus loin dans le chapitre, ces tensions ne sont pas les valeurs de pointe indiquées ici, mais sont plutôt liées aux tensions courantes que nous voyons dans nos prises électriques. La figure\(\PageIndex{1}\) montre des graphiques de la tension et du courant en fonction du temps pour une alimentation en courant continu et en courant alternatif typique aux États-Unis.
Supposons que nous branchions une résistance à une source de tension alternative et que nous déterminions comment la tension et le courant varient dans le temps aux bornes de la résistance. La figure\(\PageIndex{2}\) montre le schéma d'un circuit simple avec une source de tension alternative. La tension fluctue de manière sinusoïdale avec le temps à une fréquence fixe, comme indiqué, soit sur les bornes de la batterie, soit sur la résistance. Par conséquent, la tension alternative, ou la « tension à une prise », peut être donnée par
\[v(t) = V_0 \, \sin \, \omega t,\]
où
- \(v\)est la tension à l'instant\(t\),
- \(V_0\)est la tension de pointe, et
- \(\omega\)est la fréquence angulaire en radians par seconde.
Pour une maison typique aux États-Unis,\(V_0 = 156 \, V\) et\(\omega = 120 \pi \, rad/s\), alors qu'en Europe,\(V_0 = 311 \, V\) et\(\omega = 100 \pi \, rad/s\).
Pour ce circuit de résistance simple\(I = V/R\), le courant alternatif, c'est-à-dire le courant qui fluctue de manière sinusoïdale avec le temps à une fréquence fixe, est
\[i(t) = I_0 \, \sin \, \omega t,\]
où
- \(i(t)\)est le courant à l'heure\(t\) et
- \(I_0\)est le courant de crête et est égal à\(V_0/R\).
Dans cet exemple, la tension et le courant sont dits en phase, ce qui signifie que leurs formes fonctionnelles sinusoïdales ont des pics, des creux et des nœuds au même endroit. Ils oscillent en synchronisation les uns avec les autres, comme le montre la figure\(\PageIndex{1b}\). Dans ces équations, et tout au long de ce chapitre, nous utilisons des lettres minuscules (par exemple\(i\)) pour indiquer les valeurs instantanées et des lettres majuscules (telles que\(I\)) pour indiquer les valeurs maximales ou maximales.
Le courant dans la résistance alterne d'avant en arrière, tout comme la tension d'entraînement, depuis\(I = V/R\). Si la résistance est une ampoule fluorescente, par exemple, elle s'illumine et s'atténue 120 fois par seconde lorsque le courant passe à zéro de manière répétée. Un scintillement de 120 Hz est trop rapide pour que vos yeux puissent le détecter, mais si vous agitez votre main d'avant en arrière entre votre visage et une lumière fluorescente, vous remarquerez l'effet stroboscopique de la climatisation.
Si l'on considère une source de tension alternative européenne, quelle est la différence de temps entre les passages à zéro sur un graphique de la tension alternative en fonction du temps ?
Solution
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