Comprendre les formes d'onde CA : ondes sinusoïdales, fréquence et bases de l'oscilloscope

Quand un alternateur génère une tension CA, la polarité change suavement dans le temps, formant une onde sinusoïdale distinctive quand tracée sur un graphique.

Graphique de la tension CA dans le temps (l'onde sinusoïdale).

Dans la trace de tension de l'alternateur, la transition de polarité positive à négative est continue ; le taux de changement est maximal au passage par zéro et minimal aux pics. Cela miroite la fonction sinus mathématique sur une plage 0–360°, comme le montre le tableau ci-dessous.

Fonction sinus trigonométrique

Angle (°)	Sin (angle)	Onde	Angle (°)	Sin (angle)	Onde
0	0,0000	zéro	180	0,0000	zéro
15	0,2588	+	195	-0,2588	-
30	0,5000	+	210	-0,5000	-
45	0,7071	+	225	-0,7071	-
60	0,8660	+	240	-0,8660	-
75	0,9659	+	255	-0,9659	-
90	1,0000	+pic	270	-1,0000	-pic
105	0,9659	+	285	-0,9659	-
120	0,8660	+	300	-0,8660	-
135	0,7071	+	315	-0,7071	-
150	0,5000	+	330	-0,5000	-
165	0,2588	+	345	-0,2588	-
180	0,0000	zéro	360	0,0000	zéro

L'alternateur électromécanique produit un signal CA sinusoïdal car la tension induite dans les bobines stationnaires est proportionnelle au taux de changement de flux magnétique, qui suit une fonction sinus alors que le rotor tourne (Loi de Faraday de l'induction électromagnétique). Quand les pôles magnétiques sont au plus près des bobines, le flux change le plus vite ; quand ils sont au plus loin, le changement est le plus lent, donnant le sinusoïde familier et lisse.

Période vs Fréquence

Un cycle complet de la forme d'onde est la distance entre points identiques sur le graphique — le plus souvent entre pics successifs. L'axe horizontal peut se lire en degrés (0–360°) ou en temps, selon le contexte. L'intervalle de temps d'un cycle s'appelle la période, généralement exprimée en secondes.

Puisqu'un cycle complet couvre 360°, la période en degrés est toujours 360°, mais le temps qu'un cycle prend dépend de la vitesse d'oscillation de la tension. L'inverse de la période est la fréquence, mesurée en Hertz (Hz) comme cycles par seconde. En Amérique du Nord, le courant secteur est à 60 Hz, tandis que les réseaux européens opèrent à 50 Hz.

Historiquement, la fréquence était notée « cycles par seconde » (CPS). Le passage au Hertz, nommé d'après Heinrich Hertz, est largement accepté en ingénierie moderne.

Période et fréquence sont des inverses mathématiques :

Utilisation d'un oscilloscope

Un oscilloscope affiche la tension en fonction du temps sur un écran, un peu comme un ECG pour l'activité cardiaque. En mesurant la distance horizontale entre points identiques sur la forme d'onde affichée, vous pouvez déterminer la période et puis calculer la fréquence.

Période d'onde sinusoïdale affichée sur oscilloscope.

CA et Son : Une analogie utile

Les ondes électriques et sonores partagent des propriétés fondamentales : toutes deux varient dans le temps et peuvent être caractérisées par la fréquence. En musique, la fréquence correspond à la hauteur. Par exemple, la note A4 est accordée à 440 Hz ; une octave au-dessus est 880 Hz, exactement le double de la fréquence.

Voici un tableau des notes musicales communes et leurs fréquences :

Note	Désignation musicale	Fréquence (Hz)
A	A₃	220,00
A♯/B♭	A#₃ / B♭₃	233,08
B	B₃	246,94
C	C₄ (Do central)	261,63
C♯/D♭	C#₄ / D♭₄	277,18
D	D₄	293,66
D♯/E♭	D#₄ / E♭₄	311,13
E	E₄	329,63
F	F₄	349,23
F♯/G♭	F#₄ / G♭₄	369,99
G	G₄	392,00
G♯/A♭	G#₄ / A♭₄	412,30
A	A₄	440,00
A♯/B♭	A#₄ / B♭₄	466,16
B	B₄	493,88
C	C₅	523,25

Les notes partageant la même lettre diffèrent par un rapport de fréquence 2:1, ce qui explique pourquoi deux tons à une octave d'écart sonnent si semblables. Le clavier de piano illustre cet espacement : une octave s'étend sur sept touches blanches.

Une octave montrée sur un clavier musical.

Autres formes d'ondes alternatives

Bien que les alternateurs produisent naturellement des ondes sinusoïdales, de nombreux circuits électroniques génèrent intentionnellement d'autres formes d'onde. Les formes courantes incluent carrée, triangulaire et en dent de scie, chacune avec un contenu harmonique distinct. Même quand un circuit est conçu pour sortir une onde sinusoïdale pure, des facteurs réels introduisent souvent de la distorsion.

Quelques formes d'ondes courantes.

Les formes d'onde qui ressemblent de près à un sinus parfait sont appelées sinusoïdales ; toute déviation est qualifiée de non-sinusoïdale. Comprendre la forme d'une onde CA est crucial car elle influence comment l'onde interagit avec les circuits électriques.

Récapitulatif

• Les alternateurs produisent un signal CA sinusoïdal.
• Un cycle est une évolution complète de la forme d'onde.
• La période est le temps pour un cycle.
• La fréquence est le nombre de cycles par seconde (Hz). 1 Hz = un cycle par seconde.
• Fréquence = 1 / (période en secondes).

Fiches d'exercices associées

• Fiche : Formes d'onde CA
• Fiche : Utilisation de base de l'oscilloscope