Les circuits de courant alternatif ou alors circuits à courant alternatif se composent de combinaisons d'éléments résistifs, inductifs et capacitifs, combinés à une source de tension alternative, généralement sinusoïdale.
En appliquant la tension, un courant variable est établi pendant une courte période, appelé courant transitoire, qui cède la place au courant stationnaire sinusoïdal.
Le courant sinusoïdal a des valeurs qui alternent entre positif et négatif, changeant à intervalles réguliers déterminés par une fréquence préalablement établie. La forme du courant s'exprime comme suit:
I (t) = Im sin (ωt - φ)
Où jem est le courant maximum ou l'amplitude de courant, ω est la fréquence, t est le temps et φ la différence de phase. Les unités couramment utilisées pour le courant sont l'ampère (A) et ses sous-multiples, tels que le milliampère et le microampère..
Pour sa part, le temps se mesure en secondes, pour la fréquence il y a le hertz ou le hertz, en abrégé Hz, tandis que la différence de phase est un angle qui se mesure généralement en radians, bien qu'il soit aussi parfois donné en degrés. Ni ceux-ci ni les radians ne sont considérés comme des unités.
Souvent, la tension alternative est symbolisée par l'onde à l'intérieur du cercle, pour la différencier de la tension continue, symbolisée par les deux lignes inégales et parallèles.
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Il existe de nombreux types de circuits à courant alternatif, en commençant par les circuits les plus simples illustrés dans la figure suivante. De gauche à droite, vous avez:
-Circuit avec résistance R
-Circuit avec bobine L
-Circuit avec condensateur C.
Dans le circuit avec une résistance R connectée à une source de tension alternative, la tension aux bornes de la résistance est VR = Vm sen ωt. Par la loi d'Ohm, qui est également valable pour les circuits à courant alternatif purement résistifs:
VR = JeR∙ R
Par conséquent, le courant maximal Im = Vm / R.
Le courant et la tension sont en phase, ce qui signifie qu'ils atteignent leurs valeurs maximales, ainsi que 0, en même temps.
Dans la bobine L, la tension est VL = Vm sin ωt et est lié au courant dans l'inducteur par l'équation:
En intégrant:
Par propriétés des rapports trigonométriques, jeL s'écrit en termes de sin ωt comme:
jeL = Jem sin (ωt - ½ π)
Ensuite, la tension et le courant sont déphasés, ce dernier étant en retard de ½ π = 90 ° par rapport à la tension (le courant commence plus tôt, avec t = 0 s le point de départ). Ceci est vu dans la figure suivante qui compare la sinusoïde de IL et celui de VL:
La réactance inductive est définie par XL = ωL, augmente avec la fréquence et a des dimensions de résistance, donc, par analogie avec la loi d'Ohm:
VL = JeL ∙ XL
Pour un condensateur C connecté à une source de courant alternatif, il est vrai que:
Q = C ∙ VC = C ∙ Vm sen ωt
Le courant dans le condensateur est trouvé en décalant la charge par rapport au temps:
jeC= ωC ∙ Vm cos ωt
Mais cos ωt = sin (ωt + ½ π), alors:
jeC = ωCVm sin (ωt + ½ π)
Dans ce cas, le courant dépasse la tension de ½ π, comme on peut le voir sur le graphique.
La réactance capacitive peut s'écrire XC = 1 / ωC, il diminue avec la fréquence et possède également des unités de résistance, c'est-à-dire des ohms. De cette façon, la loi d'Ohm ressemble à ceci:
VC = XC.jeC
Michael Faraday (1791-1867) a été le premier à obtenir un courant qui changeait périodiquement de sens, grâce à ses expériences d'induction, même si pendant les premiers jours, seul le courant continu était utilisé..
A la fin du 19ème siècle, la guerre bien connue des courants a eu lieu, entre Thomas A. Edison, défenseur de l'usage du courant continu et George Westinghouse, partisan du courant alternatif. Enfin, c'est celui qui a gagné en raison de son économie, de son efficacité et de sa facilité de transmission avec moins de pertes..
Pour cette raison, à ce jour, le courant qui atteint les foyers et les industries est le courant alternatif, bien que l'utilisation du courant continu n'ait jamais complètement disparu..
Le courant alternatif est utilisé pour presque tout, et dans de nombreuses applications, le changement constant de direction du courant alternatif n'est pas pertinent, comme les ampoules, le fer ou le poêle pour la cuisson, car le chauffage de l'élément résistif ne dépend pas du sens de déplacement des charges.
Au lieu de cela, le fait que le courant change de direction avec une certaine fréquence est le fondement des moteurs électriques et de diverses applications plus spécifiques, telles que les suivantes:
Les circuits constitués d'une source alternative connectée à une résistance et d'un condensateur en série sont appelés circuits série RC et sont utilisés pour éliminer les déphasages indésirables dans un autre circuit ou pour lui ajouter un effet spécial..
Ils servent également de diviseurs de tension et de syntonisation des stations de radio (voir exemple 1 dans la section suivante).
Des circuits de type pont alimentés en courant alternatif peuvent être utilisés pour mesurer la capacité ou l'inductance, de la même manière que le pont de Wheatstone, un circuit de courant continu connu capable de mesurer la valeur d'une résistance inconnue..
Dans les sections précédentes, les circuits à courant alternatif les plus simples ont été décrits, bien que bien sûr, les éléments de base décrits ci-dessus, ainsi que d'autres un peu plus complexes tels que des diodes, des amplificateurs et des transistors, pour n'en nommer que quelques-uns, peuvent être combinés pour obtenir divers effets. ..
L'un des circuits les plus courants de AC est celui qui comprend une résistance R, une bobine ou inductance L et un condensateur ou condensateur C mis en série avec une source de courant alternatif.
Les circuits de la série RLC répondent d'une manière particulière à la fréquence de la source alternative à partir de laquelle ils sont alimentés. C'est pourquoi l'une des applications les plus intéressantes est celle des circuits de tuner radio..
Un signal radio de fréquence ω génère un courant de même fréquence dans un circuit spécialement conçu pour servir de récepteur, et l'amplitude de ce courant est maximale si le récepteur est accordé sur cette fréquence, par un effet appelé résonance.
Le circuit récepteur sert de syntoniseur car il est conçu pour que les signaux de fréquences indésirables génèrent de très petits courants, qui ne sont pas détectés par les haut-parleurs radio et ne sont donc pas audibles. Au lieu de cela, à la fréquence de résonance, l'amplitude du courant atteint un maximum, puis le signal est entendu clairement..
La fréquence de résonance se produit lorsque les réactances inductive et capacitive du circuit égalisent:
XL = XC
1 / ωC = ωL
ωdeux = 1 / LC
La station radio avec le signal de fréquence ω est dite «accordée», et les valeurs de L et C sont choisies pour cette fréquence particulière..
Les circuits RLC parallèles ont également certaines réponses en fonction de la fréquence de la source, qui dépend de la réactance de chacun des éléments, définie comme le rapport entre la tension et le courant..
Dans le circuit série LRC de l'exemple 1 de la section précédente, la résistance est de 200 ohms, l'inductance est de 0,4 H et le condensateur est de 6 µF. Pour sa part, l'alimentation est une tension alternative d'amplitude égale à 30 V, avec une fréquence de 250 rad / s. Il est demandé de trouver:
a) Les réactances de chaque élément
b) La valeur du module de l'impédance du circuit.
c) L'amplitude du courant
Les réactances respectives sont calculées avec les formules:
XC = 1 / ωC = 1 / (250 rad / s x 6 x10-6 F) = 666,67 ohms
XL = ωL = 250 rad / s x 0,4 H = 100 ohms
Et la réactance de la résistance est égale à sa valeur en ohms:
XR = R = 200 ohms
L'impédance Z est définie comme le rapport de la tension au courant dans le circuit, soit en série, soit en parallèle:
Z = Vm / JEm
L'impédance se mesure en ohms, au même titre qu'une résistance ou une réactance, mais elle se réfère à l'opposition au passage du courant des inductances et des condensateurs, considérant qu'en plus de ses effets particuliers, tels que retarder ou avancer la tension, il a également une certaine résistance interne.
On peut montrer que pour le circuit série RLC, le module d'impédance est donné par:
Lors de l'évaluation des valeurs données dans l'instruction, nous obtenons:
De:
Z = Vm / JEm
Il faut que;
jem = Vm / Z = 30 V / 601 ohms = 0,05 A.
Différences entre courant alternatif et continu
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