Travaux pratiques d’electricite generale
Travaux pratiques d’électricité générale
Introduction
Ces travaux pratiques d’électricité ont pour but de familiariser les étudiants aux composants électriques tels que les condensateurs et les résistances, ainsi qu’au câblage de circuits électriques alimentés en courant continu. On étudiera notamment les lois reliant la charge et la différence de potentiel pour un condensateur, la loi d’Ohm pour les résistances, ainsi que des applications concrètes de ces lois dans le cadre de la réalisation d’outils artisanaux de mesure du courant électrique.
Le travail est proposé sous forme deux séances thématiques sur les condensateurs et les résistances, suivies d’un mini-projet de conception d’ampèremètres et de voltmètres à partir de galvanomètres à cadre mobile, qui seront finalement utilisés pour observer la charge/décharge d’un condensateur à travers une résistance. Tous ces travaux se réaliseront en groupe de deux ou trois étudiants.
Du point de vue pratique, les étudiants réaliseront ce travail en grande autonomie. L’assistant encadrant les séances dédiées à la réalisation de ce travail aura évidemment pour rôle de contrôler l’avancement des différents groupes et de les aider afin qu’ils progressent normalement au fil des séances, mais les étudiants devront avoir un esprit particulièrement critique sur leurs propres résultats.
Ce projet se conclura par la rédaction d’un rapport qui reprendra les résultats théoriques et numériques des deux dernières séances. Ce rapport de projet sera la base de l’évaluation de la partie électricité des laboratoires du cours PHY1113C-E. Une évaluation complémentaire individuelle, basée sur des tests d’entrée lors de chaque séance et d’éventuellement une brève interrogation orale lors du dernier laboratoire, aura également lieu.
Un rapport de laboratoire se construit généralement en suivant les questions posées dans les énoncés des laboratoires, de la manière suivante :
- Présentation succincte du but de la manipulation à l’aide du travail préliminaire et d’un schéma clair du protocole expérimental.
- Manipulation :
- Pour chaque mesure effectuée, expliquez brièvement le protocole : appareil utilisé et précautions expérimentales.
- Même si cela n’est pas stipulé clairement dans le protocole, chaque mesureeffectuée doit être accompagnée d’une erreur absolue en précisant s’il s’agit d’une erreur due à la précision de l’appareillage ou provenant d’une moyenne sur plusieurs mesures. Dans ce dernier cas, le nombre de mesures doit être précisé.
3. Traitement des données :
Dans le syllabus, pour chaque laboratoire, la partie intitulée « traitement des données » est un guide pour vous permettre de rédiger votre rapport. En répondant aux questions posées, vous arriverez à déterminer les grandeurs physiques recherchées ou à établir un graphique qui constitue le résultat de la manipulation. Dans ce dernier cas, chaque mesure doit être accompagnée de son intervalle d’erreur et les unités doivent être clairement indiquées.
4. Conclusion :
A partir du travail préliminaire, vous disposez d’un équivalent théorique à votre résultat expérimental. Votre conclusion doit porter sur l’(in)adéquation théorie-expérience que vous commentez en cherchant éventuellement un moyen de corriger les résultats. A éviterabsolument, toute conclusion de la forme : « le désaccord théorie-expérience est dû à lamauvaise précision sur les mesures » puisqu’il va de soi que la comparaison théorie-expérience doit être effectuée compte tenu des intervalles d’erreur. La partie « conclusion » du protocole comporte des questions vous permettant de rédiger cette conclusion.
Nous espérons que les étudiants profiteront des séances de travaux pratiques pour nouer un véritable dialogue avec leur assistant(e) de façon à ce qu’il(elle) puisse leur apporter une aide réellement efficace.
Nous remercions toutes les personnes ayant contribué à la réalisation de ce support de laboratoire.
L’équipe rédactrice de ce syllabus de laboratoire.
Première séance : Condensateurs
OBJET DU LABORATOIRE
Cette séance concerne l’étude de la capacité électrique de différents types de condensateurs. La première partie est consacrée à la mesure de la capacité d’un condensateur plan, avec ou sans diélectrique, l’autre partie consistant à vérifier la loi Q=CV, pour différentes associations de condensateurs, en mesurant les chargesdéposées sur ces condensateurs.
EXPÉRIENCE 1 : DETERMINATION DE LA CONSTANTE DIELECTRIQUE DU PLEXIGLAS PAR LA MESURE DE LA CAPACITE
D’UN CONDENSATEUR PLAN.
Travail préliminaire
Calculer la capacité d’un condensateur plan constitué de deux plaques métalliques carrées de 15 cm de côté, situées à une distance de 5 mm l’une de l’autre.
Protocole expérimental et résultats des mesures
Matériel nécessaire :
Un condensateur plan
2 électrodes carrées de 15 cm de côté
Plaques de plexiglas de 1, 2, 5 et 10 mm d’épaisseur
2 cordons de branchement
Un capacimètre
Démarche expérimentale :
Calibrer le capacimètre à zero une fois les cordons de branchement connectés à l’appareil de mesure (sans condensateur).
Mesurer la capacité d’un condensateur plan au moyen du capacimètre (voir annexe A1 pour le mode d’emploi du capacimètre).
Former un condensateur avec 2 électrodes carrées et une plaque de plexiglas de 5 mm d’épaisseur et mesurer sa capacité.
Refaire la mesure précédente pour des épaisseurs de plexiglas allant jusqu’à 15 mm par pas de 1 mm.
Traitement des données et conclusion
Etablir l’erreur sur la mesure des capacités.
Calculer la permittivité de l’air ea et l’erreur absolue Dea (comparer à celle du vide e0).
Pour un condensateur avec diélectrique, donner la formule littérale de la constante diélectrique k en fonction de la distance d entre les plaques et la surface S des électrodes.
A partir des mesures de capacités, calculer la constante diélectrique k pour chaque distance du plexiglas et regrouper l’ensemble de vos valeurs dans un tableau analogue au suivant :
où d est la distance entre les plaques et Cmesuré est la capacité mesurée du condensateur.
NB : indiquer l’unité de mesure utilisée pour chaque quantité.
Tracer la courbe de k en fonction de d en prenant soin d’indiquer les intervalles d’erreur sur votre graphe.
Quel comportement obtient-on ? Est-ce compatible avec le comportement théorique ? Que devrait-on obtenir dans ce cas ?
En utilisant uniquement les points expérimentaux en accord avec le comportement théorique, calculer la valeur moyenne de la constante diélectrique du plexiglas.
EXPÉRIENCE 2 : VERIFICATION DE LA LOI Q=CV.
Travail préliminaire
Calculer les valeurs théoriques de la charge sur les différents condensateurs et associations de condensateurs proposés ci-dessous en rappelant les formules théoriques utilisées dans chaque cas. Représenter le schéma théorique de chaque association aux bornes de laquelle est connectée une source de tension V.
Protocole expérimental et résultats des mesures
Matériel nécessaire :
Un Coulombmètre et son alimentation
Condensateurs de 0.68 mF, 1 mF et 2 mF
Une alimentation 0-30 V continue
Un bornier
1 câble coaxial BNC mâle - fiches bananes
1 câble coaxial BNC femelle - fiches bananes
Démarche expérimentale :
Charger un condensateur de 0.68 mF sous les tensions indiquées dans le tableau suivant, au moyen d’une alimentation 0-30 V continue (voir fiche technique en annexe A2), et mesurer la charge accumulée au moyen du Coulombmètre (voir fiche technique en annexe A3).
C (µF) | V (Volt) | Qthéorique | Qexpérimental |
0.68 | 2 | ||
0.68 | 4 | ||
0.68 | 6 | ||
0.68 | 8 |
Charger les condensateurs de 0.68 mF, 1 µF et 2 µF sous une tension de 5V et mesurer la charge accumulée.
C (µF) | V (Volt) | Qthéorique | Qexpérimental |
0.68 | 5 | ||
1 | 5 | ||
2 | 5 |
Placer en parallèle les condensateurs de 0.68 mF, 1 µF et 2 µF, charger le système formé sous une tension de 5 V, mesurer la charge totale sur l’ensemble des trois condensateurs ainsi que la charge sur chacun d’entre eux.
Important :pour mesurer la charge sur chaque condensateur, il fautrecharger l’association et déconnecter les condensateurs de manière à ce que la charge accumulée ne soit pas modifiée lors de la mesure.
C (µF) | V (Volt) | Qthéorique | Qexpérimental |
Capacité totale | 5 | ||
0.68 | 5 | ||
1 | 5 | ||
2 | 5 |
Placer en série les condensateurs de 0.68 mF, 1 µF et 2 µF, charger le système formé sous une tension de 5 V, mesurer la charge totale sur l’ensemble des trois condensateurs ainsi que la charge sur chacun d’entre eux.
Important :pour mesurer la charge et la tension sur chaque condensateur il faut,après avoir mesuré la charge totale, décharger chaque condensateur, recharger l'association et déconnecter les condensateurs de manière à ce que la charge accumulée ne soit pas modifiée lors de la mesure.
Traitement des données et conclusion
A l’aide du travail préliminaire et des mesures effectuées, compléter les tableaux ci-dessus sans oublier d’indiquer les erreurs sur les mesures expérimentales.
Indiquer le cas échéant les raisons du désaccord entre les valeurs théoriques et expérimentales.
Deuxième séance : Courant électrique et résistance – Loi d’Ohm
OBJET DU LABORATOIRE :
Cette séance est consacrée dans une première partie à la vérification de la loi d’Ohm pour différentes combinaisons de résistances. La méthode utilisée consiste à mesurer, à la fois, la tension (différence de potentiel) aux bornes d’une résistance et l’intensité du courant qui la traverse. Dans un deuxième temps on étudiera l’application de cette loi à un circuit très répandu en électricité : le pont diviseur de tension.
EXPÉRIENCE 1 : VERIFICATION DE LA LOI D’OHM.
Travail préliminaire
Calculer les valeurs théoriques de l’intensité du courant dans les différentes résistances et combinaisons de résistances proposées ci-dessous, ainsi que les résistances équivalentes des différentes combinaisons.
Protocole expérimental et résultats des mesures
Matériel nécessaire :
Un multimètre digital
Résistances de 1 kW, 1.5 kW, 2.2 kW et 2.7 kW Un bornier
5 cordons de branchement
6 petits cordons de branchement une alimentation 0-30 V continue
Démarche expérimentale :
Dans les différents montages, les valeurs demandées des résistances sont déterminées au moyen du code de couleur (voir annexe A4).
Préparer le montage suivant avec lequel on peut mesurer le courant qui traverse une combinaison de résistance (notée Req), à l’aide du multimètre digital sur la position ampèremètre.
Prendre, pour Req, 2, 3 et 4 résistances en série. Mesurer la résistance équivalente, hors circuit, à l’aide du multimètre digital sur la position ohmmètre. Insérer ces combinaisons de résistances dans le circuit et mesurer l’intensité du courant qui les traverse lorsque l’on applique à leurs bornes une différence de potentiel de 20 V et compléter le tableau suivant en indiquant les erreurs expérimentales :
…
Placer 2, 3 et 4 résistances en parallèle et mesurer la résistance équivalente, hors circuit, à l’aide du multimètre digital sur la position ohmmètre.
Insérer ces combinaisons de résistances dans le circuit, mesurer l’intensité du courant qui les traverse lorsque l’on applique à leurs bornes une différence de potentiel de 20 V, et compléter le tableau suivant en indiquant les erreurs expérimentales :
…
Traitement des données et conclusion
Pour chaque mesure effectuée, rappeler le schéma théorique du montage à réaliser.
Dans chaque cas, établir les formules permettant d’évaluer l’intensité du courant et la valeur de la résistance équivalente s’il y a lieu, afin de compléter les différents tableaux.
La loi d’Ohm est-elle vérifiée ? Si non, pourquoi ?
EXPÉRIENCE 2 : APPLICATION DE LA LOI D’OHM,LE PONT DIVISEUR DE TENSION.
Travail préliminaire
Pour le schéma électrique suivant :
…
de résistances en série. Ce circuit est appelé pont diviseur de tension car chaque tension ∆Vi correspond à la tension principale ∆V divisée par un coefficient dépendant des résistances en série. En ajustant la valeur des résistances, on peut dès lors créer des tensions de références pouvant servir à alimenter d’autres circuits/dispositifs électriques nécessitant une tension inférieure à ∆V.
En prenant ∆V = 16 V, et en supposant R1 = 1 kΩ, proposer une solution pour créer des différences de potentiel approximatives de 12 et 9 V pour ∆V2 et ∆V3, respectivement. On utilisera les mêmes valeurs de résistances que celles disponibles lors de l’expérience précédente.
Protocole expérimental et résultats des mesures
Matériel nécessaire :
Un multimètre digital
Résistances de 1 kW, 1.5 kW, 2.2 kW et 2.7 kW Un bornier
4 cordons de branchement
2 petits cordons de branchement une alimentation 0-30 V continue
Démarche expérimentale :
Réaliser le montage étudié précédemment en y incluant les associations de résistances choisies dans le travail préliminaire pour R2 et R3 et en ayant également contrôlé la valeur de chacune des résistances avec le multimètre digital en mode ohmmètre.
Calculer les différences de potentiel théoriques exactes attendues pour ∆V2 et ∆V3 avec les résistances choisies.
Mesurer toutes les différences de potentiel à l’aide du multimètre en mode voltmètre.
Traitement des données et conclusion
Comparer les tensions théoriques et expérimentales. Conclure simplement sur la réussite de l’expérience en donnant les erreurs relatives et absolues sur ces tensions.
Troisième séance : Réalisation d’un ampèremètre et d’un voltmètre artisanal
OBJET DU LABORATOIRE :
Durant cette séance, on se propose d’utiliser les connaissances acquises au cours des séances précédentes sur le courant électrique et la loi d’Ohm, afin de réaliser pratiquement un ampèremètre et un voltmètre artisanal. La méthode employée sera reproduite lors de la séance finale afin de mesurer le courant (ou la tension) lors de la charge (ou décharge) d’un condensateur.
EXPÉRIENCE 1 : REALISATION D’UN AMPEREMETRE ARTISANAL.
Travail préliminaire
Pour fabriquer un ampèremètre, on utilisera un galvanomètre à cadre mobile. Ce galvanomètre est constitué d’une aiguille posée sur pivot, installée sur un écran d’affichage gradué, et d’une résistance interne. Lorsque l’appareil est parcouru par un courant donné, l’aiguille est déviée et indique la valeur de ce courant. Par construction, ce galvanomètre a donc une résistance interne de valeur fixe et tolère un courant maximum au-delà duquel il peut se dégrader.
Etant donné le courant IGmax qui peut traverser le galvanomètre et sa résistance interne RG, déterminer comment construire un ampèremètre à partir de ce galvanomètre et d’une ou plusieurs résistance(s). Cet ampèremètre doit pouvoir mesurer des valeurs de courants de 0 à IMAX. On expliquera comment et pourquoi on utilise ces composants, et on donnera la valeur de la résistance utilisée en fonction de RG, IGmax et IMAX.
Dessiner le circuit électrique correspondant à ce montage.
Expliquer ce qui doit être modifié pratiquement dans la solution proposée afin de changer le calibre de l’ampèremètre fabriqué, autrement dit de changer la valeur de IMAX.
Protocole expérimental et résultats des mesures
Matériel nécessaire :
Un galvanomètre de résistance interne 160Ω ou 300Ω et de courant maximal 50mA.
Des résistances de 55Ω, 100Ω, 160Ω, 440Ω et 1000Ω.
6 cordons de branchement
Un multimètre digital
Une alimentation 0-30 V continue
Démarche expérimentale :
A partir du travail préliminaire et du galvanomètre à votre disposition, constituer un ampèremètre de calibres (IMAX) 50mA, 100mA et 200mA. Pour changer de calibre, on changera simplement les connexions des cordons de branchement.
Pour chaque calibre de l’ampèremètre réalisé, le tester en utilisant la méthode suivante :
- A l’aide de l’alimentation et d’une résistance, câbler un circuit élémentaire dans lequel circule un courant égal au calibre considéré.
- Diminuer, avec le bouton de réglage, la tension aux bornes du circuit afin d’obtenir un courant nul. Insérer l’ampèremètre artisanal et le multimètre digital en mode ampèremètre au circuit.
- Ré-augmenter progressivement la tension délivrée par l’alimentation, et pour le courant dans le circuit allant de 0 à IMAX, tous les 10mA indiqués sur l’ampèremètre digital, relever la valeur indiquée par l’ampèremètre artisanal. Noter cette valeur en adaptant l’échelle sur l’afficheur à aiguille du galvanomètre.
Traitement des données et conclusion
Pour chaque calibre testé, tracer le graphe IA_fabriqué = f(IA_digital).
Analyser les graphes et conclure sur la précision de l’ampèremètre fabriqué. On discutera notamment sur la valeur exacte attendue pour IMAX en fonction de la valeur exacte de la résistance utilisée pour construire l’ampèremètre, et on en donnera l’erreur absolue ∆IMAX pour chaque calibre. On comparera également cette erreur à celle apparente sur les graphes.
EXPÉRIENCE 2 : REALISATION D’UN VOLTMETRE ARTISANAL.
Travail préliminaire
Pour fabriquer un voltmètre, on utilise le même galvanomètre à cadre mobile qu’à l’expérience précédente.
Etant donné le courant le courant IGmax qui peut traverser le galvanomètre et sa résistance interne RG, déterminer comment construire un voltmètre à partir de ce galvanomètre et d’une ou plusieurs résistance(s). Ce voltmètre doit pouvoir mesurer des valeurs de tensions de 0 à VMAX. On expliquera comment et pourquoi on utilise ces composants, et on donnera la valeur de la résistance utilisée en fonction de RG, IGmax et VMAX.
Dessiner le circuit électrique correspondant à ce montage.
Expliquer ce qui doit être modifié pratiquement dans la solution proposée afin de changer le calibre du voltmètre fabriqué, autrement dit de changer la valeur de
VMAX.
Protocole expérimental et résultats des mesures
Matériel nécessaire :
Un galvanomètre de résistance interne 160Ω ou 300Ω et de courant maximal 50mA.
Des résistances de 60Ω, 100Ω, 240Ω, 440Ω et 1000Ω
6 cordons de branchement
Un multimètre digital
Une alimentation 0-30 V continue
Démarche expérimentale :
A partir du travail préliminaire et du galvanomètre à votre disposition, constituer un voltmètre de calibres (VMAX) 10V, 20V et 30V (si RG = 160Ω) ou 15V, 20V et 30V (si RG = 300Ω). Pour changer de calibre, on changera simplement les connexions des cordons de branchement.
Pour chaque calibre du voltmètre réalisé, le tester en utilisant la méthode suivante :
- A l’aide de l’alimentation et d’une résistance, câbler un circuit élémentaire aux bornes duquel la différence de potentiel est égale au calibre considéré.
- Diminuer, avec le bouton de réglage, la tension aux bornes du circuit jusqu’à obtenir une valeur nulle. Insérer le voltmètre artisanal et le multimètre digital en mode voltmètre au circuit.
- Ré-augmenter progressivement la tension délivrée par l’alimentation, et pour des valeurs allant de 0 à VMAX, tous les 2V indiqués sur le voltmètre digital, relever la valeur indiquée par le voltmètre artisanal. Noter cette valeur en adaptant l’échelle sur l’afficheur à aiguille du galvanomètre.
Traitement des données et conclusion
Pour chaque calibre testé, tracer le graphe VV_fabriqué = f(VV_digital).
Analyser les graphes et conclure sur la précision du voltmètre fabriqué. On discutera notamment sur la valeur exacte attendue pour VMAX en fonction de la valeur exacte de la résistance utilisée pour construire le voltmètre, et on en donnera l’erreur absolue ∆VMAX pour chaque calibre. On comparera également cette erreur à celle apparente sur les graphes.