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Chapitre 4 — Signaux électriques alternatifs

Physique-Chimie • 2nde Bac Pro • Menuiserie Agencement Ameublement

Dernière mise à jour : 24 avril 2026

Objectifs du chapitre

1. Courant continu et courant alternatif

Définition
Courant continu (CC) : courant dont le sens de circulation ne change pas au cours du temps. L’intensité peut varier en valeur, mais reste toujours dans le même sens.
Exemples : pile, batterie, alimentation de téléphone.
Définition
Courant alternatif (CA) : courant dont le sens de circulation change périodiquement au cours du temps. La tension oscille autour de zéro de façon régulière.
Exemples : secteur EDF, alimentation des moteurs de l’atelier.

Situation professionnelle — Alimentation des machines en atelier

Dans un atelier de menuiserie, la plupart des machines (toupie, scie circulaire, défonceuse, ponceuse à bande…) sont alimentées par le réseau alternatif 230 V / 50 Hz. Seuls certains appareils portables rechargeables fonctionnent en courant continu (batteries).

Courant Continu (CC) t U 0 Tension constante (ex. : pile 9 V) Courant Alternatif (CA) t U 0 Uₘₐₓ T = 20 ms Secteur 230 V EDF (50 Hz)
Comparaison des formes de signaux CC et CA

2. Le signal sinusoïdal

Définition
Un signal sinusoïdal est un signal alternatif dont la tension varie selon une fonction sinus au cours du temps. C’est la forme la plus courante du courant alternatif industriel.

2.1 Équation du signal

\( u(t) = U_{\max} \cdot \sin(2\pi f t) \) u(t) en Volts • Umax en V • f en Hz • t en secondes

2.2 Grandeurs caractéristiques

Grandeur Symbole Unité Définition
Période T seconde (s) Durée d’un cycle complet (un aller-retour du signal)
Fréquence f hertz (Hz) Nombre de cycles par seconde : \( f = \dfrac{1}{T} \)
Amplitude Umax volt (V) Valeur maximale de la tension
Valeur efficace Ueff volt (V) Valeur équivalente en courant continu : \( U_{\text{eff}} = \dfrac{U_{\max}}{\sqrt{2}} \)
Propriété
La période T et la fréquence f sont liées par : \[ f = \frac{1}{T} \quad \Longleftrightarrow \quad T = \frac{1}{f} \]

3. Le secteur en France

Valeurs du réseau électrique français
Danger — Sécurité électrique
Le secteur 230 V est mortel. Ne jamais toucher un conducteur nu sous tension. Dans l’atelier, s’assurer que les machines sont débranchées et consignées avant toute intervention. Les interventions électriques sont réservées aux personnels habilités (habilitation B0 minimum).

4. L’oscilloscope

Définition
Un oscilloscope est un appareil de mesure qui affiche à l’écran la variation de la tension en fonction du temps : la courbe u(t). Il permet de visualiser directement la forme du signal et de lire ses grandeurs caractéristiques.

4.1 Lecture de l’oscillogramme

Méthode
Lire T et Umax sur un oscillogramme :
  1. Période T : repérer deux points identiques consécutifs (deux maxima ou deux passages par zéro dans le même sens). Compter le nombre de divisions qui les séparent, puis multiplier par l’échelle des temps. \[ T = n_{\text{div, temps}} \times \text{(échelle en ms/div)} \]
  2. Amplitude Umax : mesurer la distance verticale entre l’axe zéro et le maximum (ou la moitié de la hauteur crête à crête). Multiplier par l’échelle des tensions. \[ U_{\max} = n_{\text{div, tension}} \times \text{(échelle en V/div)} \]
Exemple chiffré
Un oscillogramme montre un signal dont un cycle occupe 4 divisions sur l’axe horizontal (échelle : 5 ms/div). L’amplitude (de l’axe zéro au maximum) occupe 3,2 divisions sur l’axe vertical (échelle : 100 V/div).

• T = 4 × 5 ms = 20 ms = 0,020 s
• f = 1 / 0,020 = 50 Hz
• Umax = 3,2 × 100 = 320 V
• Ueff = 320 / √2 ≈ 226 V (proche de 230 V)
Application

Un oscilloscope affiche un signal sinusoïdal. Les réglages sont :
• Échelle horizontale : 5 ms/div
• Échelle verticale : 50 V/div

Sur l'écran, on mesure qu'un cycle complet occupe 4 divisions horizontales, et que l'amplitude (de l'axe zéro au maximum) occupe 3,2 divisions verticales.

  1. Calculer la période T.
  2. En déduire la fréquence f.
  3. Calculer l'amplitude Umax.
  4. Calculer la valeur efficace Ueff.
  1. T = 4 × 5 ms = 20 ms = 0,020 s
  2. f = 1/T = 1/0,020 = 50 Hz (c'est bien la fréquence du secteur)
  3. Umax = 3,2 × 50 = 160 V
  4. \( U_{\text{eff}} = \dfrac{160}{\sqrt{2}} \approx \dfrac{160}{1{,}414} \approx \mathbf{113\ V} \)

5. La valeur efficace

Définition
La valeur efficace Ueff d’un signal alternatif sinusoïdal est la valeur de tension continue qui produirait le même effet thermique (même échauffement dans une résistance) que le signal alternatif. C’est la valeur affichée par les voltmètres et indiquée sur les étiquettes des appareils.
\( U_{\text{eff}} = \dfrac{U_{\max}}{\sqrt{2}} \approx \dfrac{U_{\max}}{1{,}414} \) ou de manière équivalente : \( U_{\max} = U_{\text{eff}} \times \sqrt{2} \approx U_{\text{eff}} \times 1{,}414 \)
Application — Secteur 230 V
Les prises de courant en France délivrent Ueff = 230 V. L’amplitude (valeur de crête) est donc : \[ U_{\max} = 230 \times \sqrt{2} \approx 230 \times 1{,}414 \approx \mathbf{325\ V} \] La tension instantanée monte donc jusqu’à 325 V, bien que l’on parle couramment de « 230 V » (valeur efficace).

5.1 Représentation graphique de u(t) pour le secteur

Courbe u(t) = 325 · sin(2π · 50 · t) sur 2 périodes (0 à 40 ms). Les droites en pointillés représentent ±Ueff = ±230 V.

Application

Un générateur délivre une tension dont l'équation est : \[ u(t) = 311 \cdot \sin(2\pi \cdot 50 \cdot t) \]

  1. Identifier l'amplitude Umax et la fréquence f à partir de l'équation.
  2. Calculer la valeur efficace Ueff.
  3. Calculer la période T.
  1. Par identification avec \( u(t) = U_{\max} \cdot \sin(2\pi f t) \) : Umax = 311 V et f = 50 Hz
  2. \( U_{\text{eff}} = \dfrac{311}{\sqrt{2}} \approx \dfrac{311}{1{,}414} \approx \mathbf{220\ V} \)
  3. T = 1/f = 1/50 = 0,020 s = 20 ms

6. Applications en atelier de menuiserie

Moteurs CA dans l’atelier
Les machines-outils de l’atelier de menuiserie (toupie, scie à ruban, ponceuse à bande, défonceuse, mortaiseuse…) utilisent des moteurs à courant alternatif (moteurs asynchrones monophasés ou triphasés). Ces moteurs sont robustes, peu coûteux et directement branchés sur le réseau 230 V (monophasé) ou 400 V (triphasé).

Variateurs de fréquence

Pour faire varier la vitesse de rotation d’un moteur CA sans perdre en couple, on utilise un variateur de fréquence (ou variateur de vitesse électronique). Cet appareil modifie électroniquement la fréquence du signal envoyé au moteur.

Fréquence augmente
Le moteur tourne plus vite
Ex. : broche CNC à haute vitesse
Fréquence diminue
Le moteur tourne moins vite
Ex. : avance lente pour finition

Ce principe est utilisé dans les machines à commande numérique (CNC) pour contrôler précisément la vitesse de la broche et l’avance de l’outil lors de l’usinage du bois ou de ses dérivés.

Application

Le moteur d’une toupie est alimenté par un variateur de fréquence réglé à f = 200 Hz (au lieu des 50 Hz du secteur) pour augmenter la vitesse de broche.

  1. Calculer la période T du signal à 200 Hz.
  2. Par quel facteur la fréquence a-t-elle été multipliée par rapport au secteur (50 Hz) ? Que peut-on en déduire sur la vitesse du moteur ?
  3. Si la valeur efficace reste Ueff = 230 V, calculer l’amplitude Umax du signal envoyé au moteur.
  1. T = 1/f = 1/200 = 0,005 s = 5 ms
  2. Facteur = 200 / 50 = 4. La fréquence est 4 fois plus grande : le moteur tourne environ 4 fois plus vite qu’à 50 Hz.
  3. \( U_{\max} = 230 \times \sqrt{2} \approx 230 \times 1{,}414 \approx \mathbf{325\ V} \)

7. Tableau de synthèse

Grandeur Symbole Unité Formule Valeur secteur FR
Période T seconde (s) \( T = \dfrac{1}{f} \) 20 ms = 0,020 s
Fréquence f hertz (Hz) \( f = \dfrac{1}{T} \) 50 Hz
Amplitude (valeur de crête) Umax volt (V) \( U_{\max} = U_{\text{eff}} \times \sqrt{2} \) ≈ 325 V
Valeur efficace Ueff volt (V) \( U_{\text{eff}} = \dfrac{U_{\max}}{\sqrt{2}} \) 230 V
Équation du signal u(t) volt (V) \( u(t) = U_{\max} \cdot \sin(2\pi f t) \) u(t) = 325 · sin(100πt)

8. À retenir

À retenir
  1. Le courant continu (CC) a un sens fixe (pile, batterie) ; le courant alternatif (CA) change de sens périodiquement (secteur, moteurs d’atelier).
  2. Un signal sinusoïdal est caractérisé par sa période T (en s), sa fréquence f = 1/T (en Hz) et son amplitude Umax (en V).
  3. Le secteur français : f = 50 Hz, T = 20 ms, Ueff = 230 V, Umax ≈ 325 V.
  4. La valeur efficace est la valeur lue par les voltmètres : \( U_{\text{eff}} = \dfrac{U_{\max}}{\sqrt{2}} \). C’est la valeur équivalente en courant continu.
  5. L’oscilloscope affiche la courbe u(t) et permet de lire T (axe horizontal) et Umax (axe vertical) directement sur l’écran.

Simulation interactive