Réalisation d’un dispositif d’entretien pour petit pendule.

Travail effectué lors de l’année 2004/ 2005

Objectif et intérêt du travail :

Dans le but de comprendre et tester le fonctionnement du dispositif d’entretien des oscillations du grand pendule final, nous avons pour objectif de réaliser le montage électrique proposé sur le site http://www.ac-nantes.fr/peda/disc/scphy/dochtml/foucault/index.htm que nous mettrons en place sur une maquette de pendule qui sera installée au lycée Faidherbe et constitué d’une masse de huit kilogrammes attachée à un fil de trois mètres de long.

L’intérêt de l’élaboration d’un tel dispositif est de pouvoir observer le phénomène mis en évidence par l’expérience du pendule de Foucault, et ce pendant un temps assez long, ce qu’un pendule « classique » ne nous permettrait pas. Ce système est en effet indispensable dans la mesure où les frottements dus à l’air ainsi que les défauts liés au caractère non idéal d’un pendule expérimental non entretenu entraînent forcément la diminution de l’amplitude des oscillations au cours du temps, ce qui rend impossible l’observation du phénomène.

Le montage électrique :

Matériel utilisé :

-          Dix résistances (dont deux de 2,2 kΩ, deux de 10 kΩ,  une de 15 kΩ, une de 22 kΩ, deux de 47 kΩ, une de 100 kΩ et une de 1 MΩ).

-          Une résistance variable (1 MΩ).

-          Un rhéostat (20 Ω)

-          Un rhéostat variable.

-          Trois condensateurs (dont un de 100 nF, un de 1 μF et un de 10 μF)

-          Trois diodes (de référence 1N4004)

-          Une DEL rouge ainsi qu’une DEL verte.

-          Un transistor de référence 2N2222 et un transistor de référence 2N1711

-          Une bobine classique (L = 0,13 à 1,3 H) à noyau plongeur et à poser verticalement

-          Deux amplificateurs opérationnels de référence 1/4 TL084 et les alimentations qui vont avec.

-          Un relais

-          Deux portes Non-Et de référence CD4011

-          Une alimentation réglable de 0 à 12 V

-          Une alimentation 12 V fixe et jusqu’à 10 A

-          Deux alimentations (+15 V ; - 15 V)

Schéma du montage :

(tiré du site http://www.ac-nantes.fr/peda/disc/scphy/dochtml/foucault/index.htm)

Le montage est présenté en trois parties par manque de place.

 C1 = 1 μF;

D1 ; D2 = diodes 1N4004 ;

R1 = 1 MΩ ;

R2 = 100 kΩ ;

R3 = 10 kΩ

 R4 = 10 kΩ

R5 = 1 MΩ (ajustable)

R6 = 22 kΩ

R7 = R8 = 47 kΩ

R9 = 15 kΩ

R10 = 2200 Ω

A.O. TL 084

C3 = 100 nF (découplage)

C4 = 10 μF

D3 = 1N4004

T1 = 2N2222

T2 = 2N1711

Relais

CD 4011 (portes Non-Et)

Explication :

L’idée principale de ce dispositif est l’utilisation du phénomène d’interaction magnétique généré par l’inductance de la bobine. Ceci permet d’éviter tout contact direct avec la masse du pendule ce qui est évidemment totalement prohibé.

Le mouvement du pendule se fait dans le plan vertical. C’est pour cela qu’on veillera à placer la bobine verticalement, son axe étant confondu avec celui du fil lorsque le pendule est dans sa position d’équilibre.

Quand le pendule retourne vers sa position d’équilibre, une force d’attraction apparaît entre le pôle Sud de l’aimant fixé à la masse du pendule et la face supérieure de la bobine. La boule est ainsi attirée et par conséquent, sa vitesse augmente. La masse atteint sa vitesse maximale quand elle passe dans sa position d’équilibre : à ce moment, une force électromotrice d’induction apparaît dans la bobine. Celle-ci, additionnée à la tension d’alimentation de la bobine, est à l’origine d’une surtension qui, une fois détectée par un circuit électronique, active un relais électromécanique et provoque ainsi l’inversion du sens de courant dans la bobine (et donc l’inversion de sa polarité).

Alors, des forces répulsives apparaissent et la boule est repoussée : sa vitesse diminue donc moins vite qu’en l’absence de dispositif d’entretien.

Le maintien du sens du courant est temporisé (limité dans le temps). Ainsi, au bout de ce laps de temps, la distance entre le pendule et la bobine est telle que les forces magnétiques d’interaction ou de répulsion sont négligeables. Le relais d’alimentation revient alors à sa position de départ : la situation de départ est rétablie pour accélérer le pendule lors de son retour.

Ce phénomène pouvant se reproduire théoriquement sans cesser,  l’amortissement des oscillations est ainsi évité (ou, plus précisément, les oscillations sont entretenues).

Le schéma proposé est constitué de trois parties :

- La première constitue le comparateur de tension qui permet la détection du passage par la position d’équilibre du pendule.

- La seconde partie permet quant à elle la temporisation et la commande du relais d’alimentation en courant continu de la bobine.

- Enfin, la troisième partie correspond à la commande d’alimentation de la bobine et à la visualisation du sens du courant (par l’intermédiaire respectivement du relais et des DEL).

Difficultés rencontrées :

Les difficultés rencontrées lors de la première étape de la construction du montage électrique sont de l’ordre matériel ; le relais de récupération n’est pas en effet un composant « classique » : un certain laps de temps peut être nécessaire pour le trouver et le commander. Cependant, nous avons facilement pu nous procurer tous les autres composants par l’intermédiaire du laboratoire de sciences physiques du lycée Faidherbe.

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Travail effectué lors de l’année 2004/ 2005

Nous avons dissocié, pour commencer, la bobine de détection et celle d'entretien. Le circuit, dans sa partie détection, fonctionne parfaitement; cependant, nous avons rencontré un problème majeur avec le relais: celui-ci commutait de façon aléatoire dès qu'une intensité supérieure à 0,16A parcourait la bobine, ce qui est insuffisant pour les entretiens.

Nous avons également dissocié l'alimentation de l'électronique de celle du relais, afin d'augmenter le courant parcourant celui-ci, le but étant de rendre la commande des contacts plus stable. Cela nous a permis de porter le courant à 0,23A , mais au-delà, nous avons rencontré des problèmes une fois sur deux.

Nous avons alors décidé de contacter M.Cance, l'auteur du montage. Il nous a alors proposé une solution: commander le relais bi-palette par un relais mono-palette. Ainsi, le premier relais ne coupe qu'un courant de faible intensité et cette coupure ne produit pas d'impulsions parasites dans les contacts.

Cette dernière solution fonctionne très bien: nous sommes parvenu à faire passer 0,8A dans la bobine, et il aurait sans doute été possible de monter plus haut si les plaquettes l'avaient supporté. Cependant, dès que nous réunissons les deux bobines, le circuit s'auto-détecte. Cela vient du fait que la surtension induite par le passage de l'aimant est si faible (0,2V), que le seuil de détection a du être réglé bas lui aussi. Il faudrait donc trouver un couple aimant/bobine plus adapté pour finaliser le montage.

Nous avons procédé à une simulation informatique grâce au logiciel Multisim. Elle fonctionne correctement, sous réserve de déconnecter les diodes limitant la surtension induite dans la bobine, ce que nous n'avons pas à faire dans le circuit réel.

Schéma du montage :

Oscillogrammes obtenus avec multisim :