Formes d'onde AC
Lorsqu'un alternateur produit une tension alternative, la tension change de polarité dans le temps, mais de manière très particulière. Lorsqu'elle est représentée graphiquement au fil du temps, l'« onde » tracée par cette tension de polarité alternative provenant d'un alternateur prend une forme distincte, connue sous le nom d'onde sinusoïdale :Figure ci-dessous
Graphique de la tension alternative au fil du temps (l'onde sinusoïdale).
Dans le tracé de tension d'un alternateur électromécanique, le changement d'une polarité à l'autre est régulier, le niveau de tension changeant le plus rapidement au point zéro (« crossover ») et le plus lentement à son pic. Si nous devions représenter graphiquement la fonction trigonométrique du « sinus » sur une plage horizontale de 0 à 360 degrés, nous trouverions exactement le même schéma que dans le tableau ci-dessous.
Fonction « sinus » trigonométrique.
La raison pour laquelle un alternateur électromécanique produit du courant alternatif sinusoïdal est due à la physique de son fonctionnement. La tension produite par les bobines fixes par le mouvement de l'aimant rotatif est proportionnelle à la vitesse à laquelle le flux magnétique change perpendiculairement aux bobines (loi de Faraday sur l'induction électromagnétique). Ce taux est le plus élevé lorsque les pôles magnétiques sont les plus proches des bobines, et le moins lorsque les pôles magnétiques sont les plus éloignés des bobines. Mathématiquement, le taux de changement de flux magnétique dû à un aimant en rotation suit celui d'une fonction sinusoïdale, de sorte que la tension produite par les bobines suit cette même fonction.
Période vs Fréquence
Si nous devions suivre le changement de tension produit par une bobine dans un alternateur à partir de n'importe quel point du graphique d'onde sinusoïdale jusqu'au point où la forme d'onde commence à se répéter, nous aurions marqué exactement un cycle de cette vague. Ceci est plus facilement montré en couvrant la distance entre des pics identiques, mais peut être mesuré entre tous les points correspondants sur le graphique. Les marques de degré sur l'axe horizontal du graphique représentent le domaine de la fonction sinus trigonométrique, ainsi que la position angulaire de notre simple arbre d'alternateur bipolaire lorsqu'il tourne :Figure ci-dessous
Tension de l'alternateur en fonction de la position de l'arbre (temps).
Étant donné que l'axe horizontal de ce graphique peut marquer le passage du temps ainsi que la position de l'arbre en degrés, la dimension marquée pour un cycle est souvent mesurée en unité de temps, le plus souvent en secondes ou en fractions de seconde. Lorsqu'elle est exprimée sous forme de mesure, elle est souvent appelée la période d'une vague.
La période d'une vague en degrés est toujours 360, mais le temps qu'une période occupe dépend de la tension de taux oscille d'avant en arrière.
Une mesure plus populaire pour décrire le taux d'alternance d'une tension alternative ou d'une onde de courant que la période est le taux de cette oscillation de va-et-vient. C'est ce qu'on appelle la fréquence . L'unité moderne de fréquence est le Hertz (en abrégé Hz), qui représente le nombre de cycles d'onde effectués pendant une seconde de temps.
Aux États-Unis d'Amérique, la fréquence standard de la ligne électrique est de 60 Hz, ce qui signifie que la tension alternative oscille à une fréquence de 60 cycles complets de va-et-vient par seconde. En Europe, où la fréquence du système d'alimentation est de 50 Hz, la tension alternative n'effectue que 50 cycles par seconde.
Un émetteur de station radio émettant à une fréquence de 100 MHz génère une tension alternative oscillant au rythme de 100 millions cycles toutes les secondes.
Avant la canonisation de l'unité Hertz, la fréquence était simplement exprimée en « cycles par seconde ». Les compteurs et équipements électroniques plus anciens portaient souvent des unités de fréquence « CPS » (cycles par seconde) au lieu de Hz. Beaucoup de gens pensent que le passage d'unités explicites comme CPS à Hertz constitue un pas en arrière dans la clarté.
Un changement similaire s'est produit lorsque l'unité de « Celsius » a remplacé celle de « Centigrade » pour la mesure métrique de la température. Le nom Centigrade était basé sur une échelle de 100 points ("Centi-") ("-grade") représentant les points de fusion et d'ébullition de H2 O, respectivement.
Le nom Celsius, en revanche, ne donne aucune indication sur l'origine ou la signification de l'unité.
La période et la fréquence sont des réciproques mathématiques l'une de l'autre. C'est-à-dire que si une onde a une période de 10 secondes, sa fréquence sera de 0,1 Hz, soit 1/10 de cycle par seconde :
Utilisation d'un oscilloscope
Un instrument appelé oscilloscope , Figure ci-dessous, est utilisé pour afficher une tension changeante au fil du temps sur un écran graphique. Vous connaissez peut-être l'apparence d'un ECG ou ECG (électrocardiographe), utilisé par les médecins pour représenter graphiquement les oscillations du cœur d'un patient au fil du temps.
L'ECG est un oscilloscope spécialement conçu pour un usage médical. Les oscilloscopes à usage général ont la capacité d'afficher la tension de pratiquement n'importe quelle source de tension, tracée sous forme de graphique avec le temps comme variable indépendante.
La relation entre la période et la fréquence est très utile à connaître lors de l'affichage d'une tension alternative ou d'une forme d'onde de courant sur un écran d'oscilloscope. En mesurant la période de l'onde sur l'axe horizontal de l'écran de l'oscilloscope et en échangeant cette valeur de temps (en secondes), vous pouvez déterminer la fréquence en Hertz.
La période de temps de l'onde sinusoïdale est affichée sur l'oscilloscope.
Comment le concept de CA est-il lié au son ?
La tension et le courant ne sont en aucun cas les seules variables physiques susceptibles de varier dans le temps. Le son est beaucoup plus courant dans notre expérience quotidienne. , qui n'est rien de plus que la compression et la décompression (ondes de pression) alternées des molécules d'air, interprétées par nos oreilles comme une sensation physique. Le courant alternatif étant un phénomène ondulatoire, il partage de nombreuses propriétés d'autres phénomènes ondulatoires, comme le son. Pour cette raison, le son (en particulier la musique structurée) fournit une excellente analogie pour relier les concepts AC.
En termes musicaux, la fréquence équivaut à pitch . Les notes graves telles que celles produites par un tuba ou un basson consistent en des vibrations de molécules d'air relativement lentes (basse fréquence). Les notes aiguës telles que celles produites par une flûte ou un sifflet consistent en le même type de vibrations dans l'air, ne vibrant qu'à un rythme beaucoup plus rapide (fréquence plus élevée). La figure ci-dessous est un tableau montrant les fréquences réelles pour une gamme de notes musicales courantes.
523.25
Les observateurs avisés remarqueront que toutes les notes sur la table portant la même désignation de lettre sont liées par un rapport de fréquence de 2:1. Par exemple, la première fréquence affichée (désignée par la lettre « A ») est de 220 Hz. La prochaine note « A » la plus haute a une fréquence de 440 Hz, soit exactement deux fois plus de cycles d'ondes sonores par seconde.
Le même rapport 2:1 est valable pour le premier la dièse (233,08 Hz) et le prochain la dièse (466,16 Hz), et pour toutes les paires de notes trouvées dans le tableau.
De manière audible, deux notes dont les fréquences sont exactement le double l'une de l'autre semblent remarquablement similaires. Cette similitude de son est reconnue musicalement, l'intervalle le plus court sur une échelle musicale séparant de telles paires de notes étant appelé une octave . En suivant cette règle, la prochaine note "A" la plus haute (une octave au-dessus de 440 Hz) sera de 880 Hz, la prochaine note "A" la plus basse (une octave en dessous de 220 Hz) sera de 110 Hz.
Une vue d'un clavier de piano permet de mettre cette échelle en perspective :Figure ci-dessous
Une octave est affichée sur un clavier musical.
Comme vous pouvez le voir, une octave est égale à sept la valeur de distance des touches blanches sur un clavier de piano. Le mnémonique musical familier (doe-ray-mee-fah-so-lah-tee) - oui, le même motif immortalisé dans la chanson fantaisiste de Rodgers et Hammerstein chantée dans The Sound of Music - couvre une octave de C à C.
Autres formes d'ondes alternées
Alors que les alternateurs électromécaniques et de nombreux autres phénomènes physiques produisent naturellement des ondes sinusoïdales, ce n'est pas le seul type d'onde alternative qui existe. D'autres "formes d'onde" de courant alternatif sont couramment produites dans des circuits électroniques. Voici quelques exemples de formes d'onde et leurs désignations courantes dans la figure ci-dessous.
Certaines formes d'ondes courantes (waveforms).
Ces formes d'onde ne sont en aucun cas les seuls types de formes d'onde qui existent. Ce ne sont que quelques-uns qui sont assez communs pour avoir reçu des noms distincts. Même dans les circuits qui sont censés manifester des formes d'onde de tension/courant « pures », sinusoïdales, carrées, triangulaires ou en dents de scie, le résultat réel est souvent une version déformée de la forme d'onde prévue.
Certaines formes d'onde sont si complexes qu'elles défient toute classification en tant que « type » particulier (y compris les formes d'onde associées à de nombreux types d'instruments de musique). D'une manière générale, toute forme d'onde ressemblant étroitement à une onde sinusoïdale parfaite est appelée sinusoïdale , quelque chose de différent étant étiqueté comme non sinusoïdal .
Étant donné que la forme d'onde d'une tension ou d'un courant alternatif est cruciale pour son impact dans un circuit, nous devons être conscients du fait que les ondes AC se présentent sous diverses formes.
AVIS :
- Le courant alternatif produit par un alternateur électromécanique suit la forme graphique d'une onde sinusoïdale.
- Un cycle d'une vague est une évolution complète de sa forme jusqu'au point où elle est prête à se répéter.
- La période d'une vague est le temps qu'il faut pour terminer un cycle.
- Fréquence est le nombre de cycles complets qu'une vague complète dans un laps de temps donné. Généralement mesuré en Hertz (Hz), 1 Hz étant égal à un cycle d'onde complet par seconde.
- Fréquence =1/(période en secondes)
FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :
- Feuille de travail sur les formes d'onde CA
- Fiche de travail sur le fonctionnement de base de l'oscilloscope
Technologie industrielle