Galvanomètre, voltmètre, ampèremètre

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Les galvanomètres à cadres mobiles sont des appareils de mesure d’intensité. Un galvanomètre est composé d’un aimant fixe et d’un cadre mobile pouvant effectuer une rotation de 90°, surmonté d’une aiguille et contenant une bobine. En position initiale (notée 0 sur le cadran du schéma), le champ de l’aimant est perpendiculaire à l’axe de la bobine car un ressort, souvent en forme de spirale, ramène la bobine vers cette position initiale.

Le champ magnétique généré par le courant traversant la bobine force celle-ci à se tourner dans l’axe de l’aimant. L’aiguille fixée sur le cadre indique la déviation lue sur un cadran gradué. Le galvanomètre a une résistance interne propre (Ri) et une intensité de déviation maximum (Ig) à ne pas dépasser. Un galvanomètre ne peut lire que de faibles intensités (intensité de déviation maximale, de l’ordre du milliampère, voire moins) ou de faibles tensions (Ri x Ig, soit quelques µV).

Des montages spécifiques permettent de lire des tensions supérieures en utilisant une résistance montée en série avec le galvanomètre ou des intensités plus élevées en utilisant un shunt (résistance en dérivation). Le galvanomètre est alors monté en voltmètre ou en ampèremètre. Le galvanomètre ne peut indiquer que des valeurs moyennes . Pour indiquer des valeurs efficaces ou maximum, une diode sera montée en série et une échelle de lecture adaptée sera utilisée.

 

Exemples

Nous disposons d’un galvanomètre dont les caractéristiques sont les suivantes : intensité de déviation maximum = 20 µA et résistance interne = 10 Ω.
Comment réaliser un voltmètre dont le calibre est de 10 volts et un ampèremètre dont le calibre est 1 ampère ?

Réponses

Dans un voltmètre, la résistance est en série

  • Ug = Ig . Ri = 0,00002 x 10 = 0,0002 V
  • UR = UT – Ug = 10 – 0,0002 = 9,9998 V
  • R = UR / Ig = 9,9998 / 0,00002 = 499990 Ω donc ≈ 500 kΩ

Autre méthode

R = (UT / Ig) – Ri = (10 / 0,00002) – 10 = 500000 – 10 = 499990 Ω

Dans un ampèremètre, la résistance est en parallèle

  • IR = IT – Ig = 1A – 0,00002 A = 0,99998 A
  • R = U / I donc = Ug / IR = 0,0002 V / 0,99998 A = 0,0002 Ω

Autre méthode

R = Ug / IR = (Ri . Ig) / (IT – Ig)=(10 x 0,00002) / (1 – 0,00002) = 0,0002 / 9,99998 =0,0002 Ω

On voit, à travers ces exemples, l’utilité de comprendre le fonctionnement des groupements de résistances. Les formules citées plus haut et leurs variantes sont directement issues des lois d’Ohm et de Kirchhoff.


Qualité des voltmètres

Qualité des voltmètres (Ω/V) : le fait de brancher en dérivation un voltmètre sur un circuit ne doit pas perturber le fonctionnement de ce dernier. Le rapport obtenu en divisant la résistance totale du voltmètre par le calibre en volts donne le facteur de qualité du voltmètre (Q). Ce rapport est directement fonction de la sensibilité du galvanomètre. Un voltmètre possède toujours le même rapport Ω/V quel que soit le calibre utilisé.

Exemples

Quelle est la qualité du voltmètre de l’exemple ci-dessous ?

Réponse

Q = (R + Ri) / UT = (499990 + 10) / 10 = 50000 = 50 kΩ/V
ou Q = 1/Ig = 1/0,00002 = 50000 = 50 kΩ/V

 

Quelle est la valeur de la résistance R à mettre en série avec ce voltmètre calibré sur 10 volts pour obtenir un voltmètre calibré sur 100 volts ?

Réponse

La résistance R doit créer une différence de potentiel égale à la tension de calibre diminuée de la tension du voltmètre (100 V – 10 V = 90 V). La résistance du voltmètre est de 5 kΩ/V.

La résistance R aura donc pour valeur 90 V x 5 kΩ/V = 450 kΩ

Autre méthode :

Q = 1/Ig donc Ig = 1 / Q = 1 / 5000 = 0,0002 A
R = U / I = 90 V / 0,0002 A = 450000 Ω = 450 kΩ

Un bon voltmètre aura un Q au moins égal à 20.000 Ω/V, soit une intensité de déviation maximum Ig de 50 µA (= 1 / 20.000). Pour les ampèremètres, le paramètre important est la résistance interne du galvanomètre. Plus celle-ci sera faible, meilleur sera l’appareil. Un bon appareil de mesure multimètre aura donc une tension de déviation maximum la plus faible possible (faible résistance interne et faible intensité de déviation maximum)

Cette notion de qualité des voltmètres n’est plus d’actualité car les instruments numériques ont remplacé les appareils à aiguille. Par construction, les voltmètres numériques ont une résistance interne constante et très élevée quelque soit le calibre utilisé (souvent de l’ordre de 100 MΩ).

 

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