Banque PT Physique A PT 2009Sujet et corrigé
- Théorème d'Ampère et champ magnétique de distributions de courant
- Induction électromagnétique et courants induits
- Puissance électrique en régime sinusoïdal forcé et adaptation d'impédance
- Équation de diffusion thermique en régime stationnaire
- Optique géométrique et formation des images par une lentille mince
- Amplificateur opérationnel et conditionnement de capteur
Téléchargements
- Rapport du jury : non disponible
Présentation du sujet
Four à induction, échauffement des câbles électriques, règle de Scheimpflug et capteur de position par triangulation laserAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
La partie A étudie le champ magnétique créé par des distributions de courant orthoradiales pour modéliser un four à induction, la puissance transférée à la charge à fondre et l'adaptation d'impédance du circuit d'alimentation. La partie B étudie l'échauffement d'un câble électrique parcouru par un courant et son refroidissement par une seule face. La partie C établit la règle de Scheimpflug en optique géométrique, reliant l'inclinaison d'un objet et de son image à travers une lentille. La partie D étudie un capteur de position par triangulation laser utilisant un détecteur PSD.
- 1Partie A : four à inductionOn détermine le champ magnétique créé par des distributions de courant volumiques puis surfaciques orthoradiales, on modélise le four à induction et on calcule la puissance transférée à la charge ainsi que l'adaptation du circuit d'alimentation par un condensateur.
- 2Partie B : effets thermiques dans les câbles d'alimentationOn étudie la diffusion thermique stationnaire dans un câble électrique parcouru par un courant, refroidi uniquement par une face, et on détermine le profil de température dans son épaisseur.
- 3Partie C : règle de ScheimpflugOn étudie la formation de l'image d'un objet rectiligne incliné à travers une lentille mince, et on établit la règle de Scheimpflug reliant les inclinaisons de l'objet et de son image.
- 4Partie D : capteur de position par triangulationOn étudie le fonctionnement d'un détecteur de position PSD et son conditionnement électronique, puis on optimise la géométrie d'un capteur de triangulation laser en appliquant la règle de Scheimpflug.
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Epreuve de Physique A
L'usage de calculatrices est autorisé.
Toutes les parties sont indépendantes.
Partie A : Four à induction (
35% du barème)
I- Distributions orthoradiales de courant électrique.
On suppose que a est très petit devant

- on négligera les effets de bords ( ce qui revient à considérer le cylindre comme illimité dans la direction
Z ). - Le champ magnétique
B⃗_(exi) à l'extérieur du cylindre est nul.
Dans toute la suite, on considérera que les propriétés électromagnétiques de l'air sont identiques à celles du vide.
Les données sont :
I − 1^∘ ) Distribution volumique orthoradiale de courants
Cette distribution crée, au point M , le champ magnétique
a- par des considérations qualitatives précises, déterminer:
a. 1 - la direction de
a. 2 - la (ou les) coordonnée(s) dont dépend la valeur algébrique
b- par application du théorème d'Ampère, déterminer
I-2
^∘ ) Distribution surfacique orthoradiale.
Cette distribution crée, à l'intérieur, le champ
a- Montrer qu'un champ uniforme
b- rappeler les relations de passage relatives aux composantes du champ magnétique à une interface.
c- en déduire l'expression de
II- Four à induction.
On se place dans le cadre d'un régime électromagnétique quasi stationnaire: les expressions des champs trouvées à la question l- restent valables.
.jpg)
II-1
^∘ ) champ magnétique à l'intérieur du four «vide»
Les données sont: N,i,H,a,
a- Evaluer
b-
II-2
^∘ ) terme principal du champ électromagnétique du four «chargé ».
Dans la suite, on fera les hypothèses suivantes:
- Ce matériau est conducteur électrique : il obéit localement à la loi d'Ohm avec la conductivité électrique
γ constante et uniforme. - Les champs électrique et magnétique dans le matériau obéissent aux mêmes équations de Maxwell que dans le vide sauf la relation de Maxwell-Ampére qui s'écrit:
r⃗ot(B⃗) = μ_0 ⋅ [j⃗ + ε_0 ⋅ (∂E⃗)/(∂t)] - On est en régime électromagnétique quasi stationnaire.
- On néglige le champ magnétique crée par les courants induits, de sorte que le champ magnétique dans le matériau vaut
B⃗_0 (avecBo = K.I_m ⋅ cos(ωt) trouvé en‖ − 1^∘b ) .
Les données sont:
K, a, H, I_m, γ et
ω .
A l'aide de la loi de Faraday, trouver
b- Rappeler la loi locale d'Ohm.
En déduire l'expression de la densité volumique de courant induit (
II-
3^∘ ) puissance transférée.
b- Evaluer la puissance instantanée totale transférée au matériau conducteur contenu dans le four.
c- En déduire la puissance moyenne P ( on donnera l'expression en fonction des données et du volume
d- On évalue les fuites énergétiques par rayonnement à
-
f = 4000 Hz; I_m = 150 A; K = 10^(− 5) T.A^(− 1); a = 15 cm; γ = 1, 6.10^6 S/m ; - l'enthalpie massique de fusion du matériau est
Δ_(fus)h = 350 kJ/kg ; - Au départ, le matériau est solide à la température de fusion ; sa masse est
M = 80 kg et il occupe un volumeV = 0, 03 m^3 supposé quasi invariant pendant toute la fusion.
III) Alimentation électrique du four à induction.
III-1
^∘ ) transfert de puissance à un dipôle inductif.
b- calculer numériquement la valeur de TP pour la fréquence
III-2
^∘ ) amélioration du transfert de puissance.
Cet ensemble est alimenté par la tension précédente
a- donner l'expression littérale du taux de transfert TP,
b-
c- tracer, après une étude asymptotique, une représentation graphique de TP en fonction de C.
d- lorsque
III-
3^∘ ) Introduction d'une charge non ferreuse dans la bobine.

de
a- La bobine étant «vide», on règle la valeur de la capacité à
b- On insère un morceau d'aluminium ( substance non ferreuse ) dans la bobine ; on observe alors un décalage des courbes ( oscillogramme
Déterminer le déphasage de i par rapport à u.

c- Pour obtenir l'oscillogramme
III-4
^∘ ) pilotage du four à induction.
On désire que le four travaille constamment à puissance optimale.
Dans la pratique, on choisit C de manière à optimiser le transfert de puissance « à froid », puis on régule en cours de chauffe en jouant sur un autre paramètre.
Préciser quel est ce paramètre et quel doit être le sens de son évolution en cours de chauffe. Justifier votre réponse..
Partie B : Effets thermiques dans les câbles d'alimentation (20 % du barème)
On assimile le câble à un ruban métallique homogène de conductivité électrique uniforme
On suppose la densité volumique de courant uniforme :

Les données sont
I) Etude électrique.
- la puissance électrocinétique Pe reçue par la plaque ;
- la puissance électrocinétique volumique
P_v reçue par la plaque ; commenter ce résultat.
II) Etude thermique du ruban thermiquement isolé sauf sur une face.
- On adopte un modèle dans lequel les échanges thermiques avec l'air extérieur sont donnés par la loi de Newton: La puissance dP échangée avec l'extérieur à la température Te, par un élément de la surface extérieure du ruban, d'aire dS, de température Tp, est donnée, en valeur absolue par :
|(dP)/(dS)| = h.|Tp − Te| . Le coefficient d'échangeh est constant et connu. - On considère le cas où la face supérieure
x = 0 est en contact avec l'air extérieur, les autres faces étant isolées thermiquement: le seul transfert thermique possible se fait à travers la facex = 0 . - On suppose le régime thermique permanent.
La température de la face
- A partir d'un bilan énergétique macroscopique sur le système {ruban}, déterminer Ta en fonction de Te, h et des données.
- Rappeler l'expression du vecteur densité de flux thermique
j⃗_q . - A partir d'un bilan sur une tranche d'abscisses extrêmes
x etx + dx , former l'équation différentielle liantT aux données. - Que peut on dire de la puissance transférée par conduction thermique en
x = e ? - Quelles sont les conditions aux limites en
x = 0 etx = e ? - Intégrer l'équation différentielle et donner la loi de température dans la plaque.
- Faire une représentation graphique de
T(x) . Déterminer sa valeur maximale.
Partie C : Règle «de SCHEIMPFLUG» (20 % du barème)
On supposera que cette lentille, utilisée dans les conditions de Gauss, se comporte comme une lentille mince parfaitement stigmatique et aplanétique pour des couples de points conjugués.
I) Image réelle d'un objet réel rectiligne dans un plan frontal.
.jpg)
II) Image d'un objet rectiligne incliné : règle de SCHEIMPFLUG.
II-1) la règle de SCHEIMPFLUG

.jpg)
La lentille mince
a - Démontrer cette règle dans le seul cas où l'objet et l'image sont très peu inclinés par rapport à l'axe optique (
II-2) Position de l'image d'un point.
a- Donner, dans le repère OXY associé à la lentille, les coordonnées (
| point | M | M
|
| abscisse | ||
| ordonnée |
b- Trouver une relation entre
c- En déduire que :
II-3) déformation de l'image d'un objet.
Il est positionné comme indiqué sur la figure 2 avec
La graduation 1,5 correspond au point
La graduation 0 correspond au point
la graduation 3 correspond au point
On prend une photographie de l'image de cet objet sur un écran orienté selon la règle de Scheimpflug (fig 3 ; échelle 1 ).

PARTIE D (25 % du barème) Capteur de position par triangulation
.jpg)
Principe de mesure par triangulation laser.
L'élément PSD fournit une tension de sortie analogique, asservie à la position, fonction de la distance mesurée L'objet cible doit présenter une surface diffusant la lumière : une cible à surface réfléchissante ne permettrait pas au capteur de fonctionner correctement.
.jpg)
I) Détecteur PSD .
.jpg)

Fonctionnement et schéma équivalent ( voir Figure 2 ) :
- les électrodes
A_1 etA_2 sont mises à la masse, le pointC étant porté au potentiel Vo positif. - Dans l'obscurité, il n'y a aucun courant électrique.
- Un pinceau lumineux fin, de puissance Po, frappant la diode en M, à l'abscisse x (l'origine est au milieu de
A_1 A_2 ), traverse la mince coucheP et, par ionisation dans la coucheI , libère des charges mobiles. Il en résulte un courant électrique d'intensité lo proportionnelle à Po circulant deC vers l'ensembleA_1 − A_2 . - Ce courant se divise pour sortir par les 2 électrodes
A_1 etA_2 selon le schéma équivalent de la figure 2 . Les résistancesR_1 etR_2 sont proportionnelles respectivement aux longueursMA_1 etMA_2 avec une même constante de proportionnalité notéeK^′ .
.jpg)
1^∘ ) Ecrire les expressions liantR_1 etR_2 àK^′ ,L etx .
2^∘ ) DéterminerI_1 etI_2 en fonction de lo,R_1 etR_2 puis dex ,L et lo.
3^∘ ) En déduire la relation donnantx en fonction deL, I_1 etI_2 .
II) montages de base du conditionneur.
.jpg)

.jpg)
| montage a | montage b | montage c |
|
|
|
|
III) Le conditionneur
.jpg)
Déterminer Us en fonction des intensités
IV) Le capteur par triangulation.
IV-1
^∘ ) Géométrie simple.
- La cible à détecter peut se translater entre deux positions extrémales Ci (abscisse Zi ) et Cs (abscisse Zs ).
- On souhaite réguler la cible à la position de référence Cr (
Zr = 0 ). - On dispose le détecteur PSD parallèlement au pinceau incident
Z^′ Z . - On supposera, dans une première approche, que le détecteur est excité uniquement au point où arrive le rayon passant par le centre optique
O de la lentille convergente : la cible à l'abscisseZ génère un spot à l'abscisse x du PSD. - Cette lentille est disposée de telle sorte que le rayon utile issu de Cr arrive au milieu du PSD, à l'abscisse
x = 0 , ces points étant optiquement conjugués par la lentille. - La figure 5 représente la géométrie du dispositif ; on notera que l'angle
α est ici un angle négatif.

La distance dc est supérieure à la focale image
a- par des considérations géométriques simples, exprimer
b- Le PSD ayant une longueur L, donner, littéralement puis numériquement, les abscisses extrémales de la cible ( Zi et Zs ) pouvant être détectées dans cette géométrie.
Données :
c- On suppose que la tension Us en sortie du conditionneur est liée à l'abscisse x du spot sur le PSD par la relation Us
L'électronique ne permet de distinguer deux mesures qu'à
Donner, littéralement puis numériquement, le plus petit écart
IV-2
^∘ ) Critique de la géométrie simple.
Par construction, le centre du détecteur PSD (
a- à l'aide d'un tracé de rayon, déterminer la position de l'image de la cible d'abscisse
b- expliquer, en 5 lignes au plus, pourquoi les résultats de IV-
IV-
3^∘ ) Optimisation de la géométrie.
a- en utilisant la règle de Scheimpflug, déterminer numériquement
b- dans cette géométrie optimisée, on montre que
on calcule, avec les données numériques de IV-1
c- le conditionneur et l'électronique ont mêmes propriétés qu'en IV-1 c).
Trouver la relation donnant le plus petit écart détectable
IV-4
^∘ ) Discussion.
FIN DE L'EPREUVE
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte ce sujet de physique A banque PT 2009 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte ce sujet de physique A banque PT 2009 ?
Il porte sur l'électromagnétisme (four à induction), la thermique (câbles électriques) et l'optique géométrique (règle de Scheimpflug, capteur de position), en quatre parties indépendantes.
Quelles parties sont indépendantes dans ce sujet ?
L'énoncé précise que les quatre parties (A, B, C, D) sont indépendantes ; la partie D réutilise cependant la règle de Scheimpflug établie dans la partie C.
Comment fonctionne le four à induction étudié dans la partie A ?
Une bobine parcourue par un courant alternatif crée un champ magnétique variable dans une charge conductrice, qui y induit des courants de Foucault responsables de son échauffement par effet Joule.
Qu'est-ce que la règle de Scheimpflug étudiée dans ce sujet ?
C'est une règle d'optique géométrique reliant les angles d'inclinaison d'un objet rectiligne et de son image à travers une lentille mince, utilisée ensuite pour optimiser la géométrie d'un capteur de position par triangulation laser.
Pas de description pour le moment
