1 * Illustration de quelques lois de la dynamique newtonienne.
2* Tension superficielle: mise en évidence, mesures.
3 * Dynamique des fluides.
4* Repérage et mesure des températures.
5 * Transitions de phase.
6* Ondes acoustiques sonores et ultrasonores.
7* Formation des images par les instruments d'optique; champs, aberrations et résolution spatiale.
8* Cohérence spatiale et temporelle des ondes lumineuses. Longueurs de corrélation.
9* Diffraction des ondes lumineuses.
10* Spectrométrie optique; résolution.
11 * Interférences lumineuses.
12* Biréfringence naturelle et biréfringence induite. Applications.
13 * Production et analyse d'une lumière polarisée.
14* Polarisation rotatoire.
15* Emission et absorption dans le domaine optique (visible, IR, UV ; l'étude des sources est incluse, celle des photorécepteurs exclue).
16* Quelques propriétés et applications des lasers.
17* Photorécepteurs. Applications. On n'omettra pas les dispositifs à transfert de charges.
18* Mesure des capacités électriques ; propriétés des diélectriques.
19* Caractérisation des milieux magnétiques.
20* Production et mesure de champs magnétiques de divers ordres de grandeur.
21 * Applications du ferromagnétisme aux transformateurs et aux électroaimants.
22* Auto-induction : tension, énergie. Caractérisations et mesures. Applications.
23* Conversion alternatif-continu et continu-alternatif en électricité.
24* Conversion de puissance électromécanique.
25 * Etude et applications des transducteurs électromécaniques.
26* Caractérisation et mesure des tensions et des courants ; on s'intéressera à des gammes étendues d'amplitude et de fréquence.
27* Étude et utilisation des capteurs. 28* Principe et mise en oeuvre des multimètres. On n'omettra pas d'illustrer le principe d'un voltmètre numérique. 29* Matériaux semi-conducteurs.
30* Transistors.
31 * Amplificateur opérationnel: caractérisations; applications à la réalisation de fonctions électroniques.
32* Filtres du premier et du second ordre en régime harmonique et en régime transitoire. Applications.
33* Amplification en électronique: préamplification (amplification de tension) et amplification de sortie (étage de puissance et adaptation).
34* Télécommunication : mise en forme, transport et détection de l'information.
3 5 * Propagation libre et propagation guidée dans le ; domaine centimétrique. 36* Oscillateurs quasisinusoïdaux et oscillateurs de relaxation.
37* Propriétés et applications des circuits logiques; fonctions combinatoires et fonctions séquentielles.
38* Mesure des fréquences temporelles (le domaine de l'optique est exclu). On n'omettra pas d'illustrer le principe d'un fréquencemètre numérique.
39* Acquisition, analyse et traitement de signaux.
40* Asservissement d'une grandeur physique stabilité, réponse, sensibilité.
41 * Phénomènes de transport (transport de chaleur, de matière,de charges...).
42* Exemples de phénomènes non linéaires. Applications.
43 * Mesure des longueurs d'onde.
44* Interférences dans différents domaines de la physique.
45* Ondes stationnaires.
46* Résonance.
47* Couplage des oscillateurs. 48* Impédances dans les différents domaines dela physique. 49* Mesure de quelques constantes physiques fondamentales.
RAPPORT SUR LE MONTAGE
Pendant l'épreuve de montage, le candidat doit présenter une série d'expériences illustrant différents aspects du sujet proposé. Ces expériences ne doivent pas constituer un ensemble disparate, mais être en rapport avec le titre du montage, être reliées les unes aux autres par un lien logique, et, dans la mesure du possible, constituer un tout construit et convaincant. Cependant, ce qui est jugé en premier lieu est la capacité du candidat à mettre au point des expériences et à les exploiter en suivant un protocole soigné. Ces expériences doivent donner lieu le plus souvent possible à des mesures quantitatives qu'il faut analyser et critiquer.
Le jury a le plaisir d'assister à des montages très réussis et de leur attribuer des notes proches du maximum. A l'opposé, les mauvaises notes sont encore trop nombreuses. Les remarques qui suivent ont pour objet d'aider les futurs candidats à l'agrégation et les enseignants qui interviennent dans les centres de préparation.
Remarques générales
1 Pour pouvoir traiter correctement le sujet proposé, le candidat doit évidemment à la fois en connaître le strict contenu mais aussi posséder une solide culture scientifique. Toutefois, commencer l'épreuve par un développement théorique ou une description de ce qui aurait pu être fait est une perte de temps. Par exemple, une introduction sur le tenseur diélectrique n'est pas utile au début de la présentation du sujet sur la biréfringence. Le candidat attendra les questions correspondantes du jury, qui ne manqueront pas d'être posées si elles permettent d'éclaircir l'interprétation des résultats obtenus ou si elles concernent des expériences qui auraient pu être réalisées (sans poser de réelles difficultés supplémentaires) dans le cadre du sujet proposé.
2 Le candidat doit également connaître et comprendre le fonctionnement des appareils de mesure, faire preuve d'une réelle habileté manipulatoire et présenter son montage au jury sans l'aide d'aucun livre.
3 Il est nécessaire que les expériences soient montées avec soin, que les schémas et les résultats soient clairement présentés. Le jury apprécie que le candidat fasse preuve d'aisance devant le public et d'une conviction communicative. La qualité pédagogique du montage se lit d'emblée sur la disposition du matériel, l'orientation des écrans vers l'auditoire. la clarté des schémas tracés au tableau et l'utilisation raisonnable des outils modernes de calcul ou de communication. Elle permet une corrélation facile entre les schémas et les expériences présentées.
Or. trop souvent. le candidat effectue devant le jury des mesures dont les conditions (notamment, les valeurs des différents paramètres que l'on peut ajuster) et les résultats sont simplement énoncés et non indiqués au tableau (dans les montages d'optique, tout cela est souvent fait dans l'obscurité !).
L'utilisation du rétroprojecteur comme instrument de projection nécessite que l'on prenne quelques précautions si on veut obtenir un résultat correct. En particulier, si on veut visualiser un graphique de cette façon, il faut choisir un grandissement suffisant, mais pas trop grand afin que les échelles utilisées soient visibles en même temps que les points obtenus. Dans tous les cas, l'écran doit être perpendiculaire à la direction de projection pour que l'image ne soit pas déformée. La projection à l'aide d'une lentille, qui est plus rarement utilisée et semble réservée à des phénomènes qui se passent dans un plan vertical (loi de JURIN, tube de QUINCKE montrant la dénivellation obtenue lorsqu'on place un liquide paramagnétique dans l'entrefer d'un électroaimant), doit être également soignée.
Le nécessaire soin à apporter aux mesures fait qu'il est difficile d'imaginer que plus de 4 ou 5 expériences quantitatives peuvent être menées à bien et correctement exploitées pendant la présentation.
4 Pour réussir son épreuve, le candidat doit connaître la signification exacte du sujet choisi. Or, il arrive trop fréquemment qu'une question simple relative à la définition d'un terme figurant dans le titre du sujet choisi (capteur, transducteur, asservissement,..) n'obtienne qu'une réponse évasive.
5 Le jury attend que le candidat présente quelques expériences bien menées et illustrant les différents aspects du sujet plutôt qu'une expérience "incontournable". La liberté laissée n'est toutefois pas totale et le simple bon sens permet de comprendre qu'un montage sur les interférences doit mettre en oeuvre un interféromètre (du type MICHELSON, par exemple) et qu'il est difficile de parler des transistors sans que la commutation soit évoquée.
6 Le lien entre les expériences présentées et le titre du montage doit toujours être explicite. Il ne suffit pas de mettre au point des expériences où la température joue un rôle (par ex. la thermoélasticité des gaz avec l'étude des lois p. V= f(T) dans le montage sur le repérage et la mesure des températures ; il faut montrer comment le phénomène étudié peut conduire à la réalisation d'un thermomètre ou à la définition d'une échelle de température. De même, pour les phénomènes non linéaires, il ne suffit pas de monter quelques expériences sur le pendule simple ou sur le redressement du courant par des diodes ; il faut dégager en quoi les propriétés observées entrent dans le cadre plus général des phénomènes non linéaires.
7 L'informatique nous fournit des outils encore trop peu utilisés. Il existe maintenant des systèmes associant des capteurs, une carte d'acquisition et de traitement des données et un ordinateur qui permettent de faire des mesures de qualité et qui sont facilement et directement exploitables. Le jury regrette la lenteur de l'évolution dans ce domaine.
Tout cela fait évidemment beaucoup et il est indispensable que le candidat ait pu bénéficier, pendant l'année, d'une préparation à cette épreuve.
Les résultats des expériences
Des expériences qualitatives mais spectaculaires, démonstratives, présentant un intérêt particulier ou illustrant bien une notion importante, peuvent être présentées brièvement ; cela ne doit pas empiéter sur le temps consacré aux mesures quantitatives et suppose que le sujet est complètement traité par ailleurs.
1 Le soin apporté aux mesures est souvent insuffisant. En électricité, les conditions d'utilisation des appareils ne sont pas suffisamment précisées ; les candidats disposent maintenant d'oscilloscopes munis de curseurs et permettant de faire des mesures avec une grande facilité. Il n'est pas toujours facile de savoir ce que l'on mesure exactement car le pointé se fait sur l'écran de l'appareil. En optique, la validité des conditions de diffraction à l'infini (FRAUNHOFER) est souvent, au mieux, affirmée, sans vérification. même approximative.
Z II est essentiel que le candidat distingue clairement ce qu'il mesure (à partir de l'expérience) ce qu'il calcule (à partir d'une loi ou d'un modèle) et ce qu'il prévoit ou vérifie (à partir de tables de données physiques). Quand la mesure est indirecte, les calculs intermédiaires doivent être explicités au tableau afin que le jury puisse en contrôler la validité. Il n'est pas admissible qu'une algèbre obscure camoufle un résultat manifestement aberrant. En revanche, un candidat qui, critiquant une mesure visiblement anormale, détecte et corrige immédiatement une erreur, n'est pas pénalisé.
3 La précision des résultats Trop de candidats ne savent pas comment l'aborder. Les considérations qui suivent se veulent simples et pratiques. Rappelons d'emblée qu'une mesure qui donne exactement (ou pratiquement exactement) le résultat attendu n'a pas de valeur particulière car des erreurs ont fort bien pu se compenser. La critique des résultats obtenus repose trop souvent uniquement sur un classique calcul d'incertitude utilisant dans la pratique des différentielles dont on a pris la valeur absolue. Le résultat obtenu est à la fois optimiste et pessimiste. Il est pessimiste car il suppose que toutes les causes d'erreur agissent dans le même sens, cas défavorable qui n'a que peu de chances de se produire et qui, seul, justifierait une combinaison linéaire des composantes. Il est optimiste car il suggère que la valeur cherchée »e peut pas être à l'extérieur de la barre d'incertitude ; en outre, il suppose parfaitement valable une relation mathématique.
En fait, il est préférable d'exprimer l'incertitude globale par l'écart-type Sigma associé au résultat obtenu. La composition quadratique des différentes contributions à l'incertitude de mesure, chacune exprimée sous forme d'écart-type (même si l'appréciation de celui-ci ne résulte pas d'une multiplicité de mesures), correspond alors mieux à la prise en compte simultanée des causes d'erreur indépendantes. Ainsi, lors de la détermination d'une résistance R par voltmètre et ampèremètre, il n'est a priori pas justifié de corréler les composantes de l'incertitude associées à la mesure de la tension U et à celle de l'intensité I ; cette corrélation est implicite dans le calcul habituel par différentielle logarithmique DR/R = DU/U + DI/I, qui tend à qualifier un hypothétique intervalle maximal pour le résultat. On préférera donc, pour exprimer SigmaR . la relation (SigmaR/R)^2 = (SigmaU/U)^2+(SigmaI/I)^2
Dans la pratique, on pourra se contenter de dire que DR/R est de l'ordre de Racine carrée de (DU/U)^2+(DI/I)^2.
Mais il existe bien d'autres sources d'incertitudes.
Il y a d'abord les erreurs systématiques qui sont rarement recherchées ou même évoquées. Rappelons qu'on peut parfois compenser de telles erreurs en faisant la moyenne sur deux résultats obtenus en permutant deux appareils réputés identiques ou en inversant le sens du champ magnétique (par exemple).
Il y a également le problème des conditions de validité des lois, des modélisations ou des approximations utilisées. S'il n'est pas toujours facile de faire les vérifications nécessaires, du moins faut-il évoquer les limites de ces conditions. Enfin, pourquoi ne pas tester la répétabilité des mesures
Finalement, il s'agit souvent de comparer le résultat de la mesure à ce que certains candidats appellent abusivement la valeur théorique et qui, la plupart du temps, est issue de valeurs nominales. Si celle-ci figure dans un recueil de données, elle est en général bien connue (constantes physiques fondamentales, longueur d'onde d'une radiation, ...). L'incertitude qu'elle présente alors peut être négligée et il suffira de vérifier que la valeur trouvée dans le recueil tombe à l'intérieur de l'intervalle de confiance obtenu pour la mesure.
Mais il peut arriver que la précision obtenue sur les deux valeurs soit comparable.
Un exemple souvent rencontré est celui de la détermination de la fréquence de résonance d'un circuit RLC série et de la vérification de la formule LC.wo2 = 1.
La mesure directe de la fréquence de résonance doit être effectuée avec soin. Si la technique des courbes de LISSAJOUS à l'oscilloscope est utilisée, il faut se placer dans les meilleures conditions pour repérer la situation dans laquelle l'ellipse est réduite à un segment de droite : traces fines et calibres avec gains maximum. Si la fréquence est mesurée à l'aide d'un fréquencemètre de qualité, la seule incertitude à prendre en compte est pratiquement celle du pointé.
L'incertitude sur le calcul de la pulsation wo peut être estimée à l'aide des formules habituelles. Il faut savoir qu'une bobine réelle peut être assimilée à une inductance L qui n'est pas absolument constante lorsque la fréquence varie, si bien qu'il est loin d'être acquis que le calcul donne une meilleure précision que la mesure.
Des remarques du même ordre peuvent être faites à propos de la période du pendule pesant et de la confrontation des résultats expérimentaux obtenus aux prévisions que permettent les formules mathématiques habituelles.
4.Lorsque les mesures sont faites, même si elles sont correctes ou acceptables, le candidat se limite trop souvent à l'énoncé d'un résultat brut qui est difficilement directement exploitable et dont l'ordre de grandeur même n'est pas toujours évident. Les mesures doivent être faites en relation directe avec le sujet ; elles présentent de l'intérêt si elles donnent un résultat que l'on peut comparer aux valeurs tirées d'un recueil de données physiques ou si elles permettent la vérification d'une loi ou d'un modèle. Par exemple, dans le cas du haut-parleur, choisi comme transducteur électromécanique, on peut déterminer les valeurs de k, a, et BI (respectivement raideur du ressort, coefficient d'amortissement des oscillations à vide du dôme et produit de l'intensité du champ magnétique par la longueur du brin plongé dans celuici), mais aussi montrer qu'elles conduisent à l'impédance motionnelle et à la fréquence de coupure, caractéristiques qui sont plus importantes pour l'utilisateur. De même, la valeur de la distance focale f d'une lentille de paraffine (pour les ondes centimétriques) permet de trouver l'indice de la substance et surtout sa permittivité relative à la fréquence utilisée pour les mesures.
Remarques concernant des montages particuliers
(les numéros renvoient à la liste des montages de la session 1998)
Mécanique, acoustique et thermodynamique
Les micros sont des capteurs industriels utilisés depuis longtemps : les signaux électriques obtenus sont assez facilement traités par ordinateur. A quelque niveau que ce soit, une expérience d'acoustique ne peut plus se concevoir maintenant sans l'outil informatique. Par ailleurs, il existe également des capteurs qui permettent d'accéder à des grandeurs comme la position, la vitesse linéaire d'un mobile, la vitesse de rotation d'un moteur ou la vitesse d'un fluide, l'accélération, le débit, la pression, la température, .... Les données obtenues peuvent de même subir un traitement informatique. Dans ces domaines de la physique, comme dans les autres, le jury encourage donc les candidats à se familiariser pendant l'année de préparation avec l'outil informatique qu'ils pourront utiliser à bon escient pendant les épreuves.
1 Les lois de la mécanique newtonienne sont celles correspondant aux propriétés de la quantité de mouvement, du moment cinétique et de l'énergie mécanique. Une au moins des expériences présentées doit concerner la rotation du solide, mouvement dont l'importance est considérable. Les lois phénoménologiques (résistance des matériaux, loi de HOOKE, lois du frottement, ... ) sont souvent utilisées dans les sciences appliquées mais n'ont pas à être évoquées dans ce montage.
3 Les mesures effectuées à l'aide du tube de PITOT ne peuvent être comparées aux mesures de vitesse données par l'anémomètre que si la zone de mesure est la même dans les deux cas. Il est nécessaire que le tube et le capteur soient fixés pour la mesure et non tenus à la main, comme c'est souvent le cas.
6 Beaucoup de candidats ignorent le rôle de la caisse de résonance des diapasons. Rappelons qu'il ne s'agit pas d'amplification ; la détermination du coefficient de qualité du diapason (avec, puis sans sa caisse de résonance) est d'ailleurs une expérience intéressante.
Ondes et optique
Il est indispensable que les candidats aient un minimum de connaissance des grandeurs photométriques. Les lampes spectrales ne peuvent pas, en général, être éteintes et aussitôt rallumées. L'alignement des axes des éléments optiques est rarement suffisamment soigné. Il faut vérifier (éventuellement en utilisant une feuille de papier) que le centrage des faisceaux sur les différents éléments est correct. On aura également soin de se placer dans des conditions permettant de minimiser l'effet des aberrations des lentilles (sauf, évidemment, si on désire mettre en évidence ce phénomène). !
7 Dans les cas usuels d'utilisation des spectromètres, la largeur de la fente d'entrée, celle de la fente de sortie ainsi que la diffraction par l'élément dispersif ont une grande importance dans le pouvoir de résolution apparent ; un des objectifs du montage est de montrer le rôle respectif de ces paramètres.
16 L'alignement des axes optiques mentionné plus haut est réellement critique dans la mise en évidence des modes du laser He-Ne. Celle-ci est délicate mais peut se faire à l'aide d'un appareil de type FABRY-PEROT sphérique. La qualité de cet appareil n'empêche pas que la largeur observées des raies est nettement supérieure à celle des modes ; si les différents éléments ne sont pas soigneusement positionnés, on voit surtout les défauts de réglage et le résultat en devient presque ridicule.Correctement faite, cette expérience est très illustrative ; cependant, on peut parfois se demander si elle ne nuit pas au candidat qui l'a montée avec l'aide de techniciens mais qui s'avère incapable d'expliquer l'espacement des modes apparaissant à l'oscilloscope. Par ailleurs, il est intéressant de déterminer la structure géométrique transversale du faisceau laser. Les mesures réalisées avec une photodiode placée derrière un trou de diamètre convenable doivent être analysées de façon critique. Il faut convaincre qu'il s'agit d'une gaussienne et non l'affirmer au vu d'une allure de courbe. La mesure du "waist" ne donne d'indication utile sur la cohérence spatiale que si l'on s'intéresse à son évolution à grande distance. Enfin, les lasers à diode restent peu utilisés. Ils présentent évidemment une divergence de faisceau plus importante, ce qui n'est pas une gêne dans un montage sur les caractéristiques de l'appareil, et ils sont plus faciles à mettre en oeuvre que les lasers He-Ne qu'ils sont d'ailleurs en train de supplanter pour de nombreuses applications.
35 L'interposition d'une plaque entre émetteur et récepteur sur un faisceau (ondes acoustiques ou électromagnétiques) se traduit par la diminution de la réponse du récepteur. Cela ne prouve pas qu'il y a absorption par la plaque. Le signal peut être en effet également réfléchi. L'étude de l'importance de l'épaisseur de la plaque peut permettre de justifier l'existence du phénomène d'absorption. Un des dispositifs émetteurs d'ondes électromagnétiques dans le domaine centimétrique est pourvu d'un système de modulation à une fréquence de l'ordre de 1 kHz. Ce n'est évidemment pas la fréquence d'oscillation du champ. Certains candidats, visiblement contractés pendant l'épreuve, se sont laissés piéger à ce sujet.
Electricité et électronique
Les candidats ont la liberté du choix entre deux titres. Le jury regrette néanmoins que certains sujets d'électronique ne soient que rarement (sinon jamais) choisis. Trop souvent, les montages sont faits et défaits par le candidat qui tourne le dos au jury.
22 Le flux magnétique créé par un courant à travers une bobine n'est proportionnel à l'intensité de ce courant (D = Li) qu'en l'absence de noyau ferromagnétique. La différence entre le modèle théorique que constitue une inductance pure (à laquelle on peut ajouter une résistance série) et une bobine concrète n'apparaît pas toujours clairement. Cette dernière peut révéler des surprises dès que la fréquence augmente quelque peu, alors qu'il n'en est évidemment pas de même du modèle. Les bobines sont évidemment utilisées dans des circuits électriques, RLC série, notamment. Il ne faut pas perdre de vue le titre du montage : toutes les propriétés des circuits utilisés n'ont pas forcément de rapport direct avec le sujet (largeur de la bande passante, notamment).
40 On peut bien entendu se limiter aux asservissements analogiques et laisser, sur ce sujet, les techniques numériques aux spécialistes. Le choix du dispositif, ainsi que celui de la grandeur asservie, sont laissés au candidat. Certains dispositifs un peu sophistiqués permettent d'illustrer assez complètement de nombreux aspects du sujet. Mais, il est dangereux d'utiliser une maquette dont on ne connaît pas le principe. Il existe des montages plus simples utilisant par exemple un correcteur (PI, PID, ... ) et permettant l'étude de l'asservissement de vitesse (ou de position) d'un moteur. Bien qu'on exige davantage à l'agrégation, il faut savoir qu'une simple régulation de température en tout ou rien permet déjà de montrer un certain nombre de phénomènes.
Divers
49 "Détermination" de la valeur de c. la plupart des candidats interrogés savent qu'on ne mesure plus c.
Différents systèmes proposent la mesure du temps que met la lumière pour aller d'une diode laser émettrice à une photodiode réceptrice. Il vaut mieux partager le faisceau en 2 à l'aide d'une lame serai-réfléchissante et déterminer le décalage entre les 2 signaux correspondants. Si on utilise 2 photodiodes, il est préférable de faire 2 mesures (on permute ces 2 diodes) et de faire la moyenne des résultats obtenus.
L'analyse du spectre d'émission de l'hydrogène permet la détermination de la constante de RYDBERG. Le tube émetteur utilisé (GEISSLER, PLÜCKER) donne peu de lumière et les résultats obtenus à l'aide de l'association monochromateur - photomultiplicateur sont souvent médiocres. Il arrive qu'un condenseur soit interposé entre le tube émetteur et la fente d'entrée du monochromateur ; le réglage est souvent défectueux mais, même s'il est fait correctement. il n'est pas évident qu'il donne un meilleur résultat que le fait de mettre directement le tube le plus près possible de l'entrée du monochromateur. Un calcul d'angle solide (ou un simple essai préalable) permet de se placer ensuite dans des conditions optimales.
Analyse du montage 30 : transistors
A titre d'exemple. nous analysons de façon un peu plus détaillée ce montage qui posait régulièrement d'assez sérieux problèmes aux candidats qui l'avaient choisi et qui se contentaient souvent de tracer approximativement (ou simplement de visualiser) les caractéristiques Ic = f(VcE). Le passé est de rigueur car ce montage ne figure plus dans la liste des sujets proposés pour 1999. Néanmoins, le transistor est encore un composant souvent utilisé (notamment dans d'autres montages) et les réflexions qui suivent peuvent être utiles aux candidats des sessions à venir.
Le sujet est vaste. Il est clair que l'on ne peut pas tout faire et tout montrer ; il faut faire des choix que l'on saura justifier. Il existe en effet une grande variété de transistors. Le candidat peut très bien s'en tenir au classique transistor bipolaire npn à jonction ou se limiter au transistor à effet de champ, qui est plus simple dans son principe de fonctionnement et qui est très utilisé, sous forme discrète ou sous forme intégrée. Il est également possible de comparer des composants ou des montages.
Finalement, les différentes approches se regroupent en deux catégories : soit on s'intéresse surtout au composant; soit on s'intéresse surtout aux applications.
1 Une première possibilité est de commencer par tracer soigneusement (c'est-à-dire à la table traçante) les caractéristiques du transistor bipolaire à jonction (par exemple 2N1711 ou équivalent). On aura soin de vérifier que pendant le tracé des courbes Ic = f(Vce), le courant de base reste constant. Dans ces conditions, en régime linéaire, c'est-à-dire si Vbe reste positive, les intensités des courants de base et de collecteur sont bien représentées par les relations : IB = Io.exp(Vbe/Ut) et I,- = Betao.Io.(1 + VcE/Uo).exp(VBE/UT), dans lesquelles, en plus des notations évidentes, Betao et Io sont des constantes dites technologiques, c'est-à-dire dépendant du composant étudié, Uo est le potentiel de EARLY (compris entre 30 et 150 V) et UT = kBT/e (kB étant la constante de BOLTZMANN). L'effet EARLY, caractérisé par le terme 1 + VIE/ Uo (qui est peu différent de 1) est assez faible mais peut être facilement mis en évidence. On a là un assez bel exemple de modèle représentant un composant électronique.
Une belle application est le système des miroirs de courant, dont les performances sont limitées par l'effet EARLY. Un montage assez simple permet de montrer le principe de fonctionnement des étages différentiels et des circuits intégrés linéaires.
2 Une deuxième possibilité est (étude des transistors à effet de champ. Le tracé des caractéristiques est aisé. Quelques applications peuvent être mises en oeuvre avec un composant comme le ZN3819 (ou équivalent) : résistance commandée, étage donnant une grande impédance d'entrée à un montage, générateur ou régulateur de courant. Un choix un peu hybride, mais acceptable, consiste à comparer les 2 types de transistors (bipolaires à jonction et effet de champ).
3 Une application importante est (amplification de puissance. La classe A pourrait être envisagée mais peut également être omise car la puissance consommée est relativement importante. L'étude des transistors fonctionnant en classe B (réalisation d'un push-pull à transistors complémentaires avec mise en évidence de la distorsion de croisement) ou C (seule une calotte de la sinusoïde d'entrée rend le transistor passant mais une charge très sélective sur le collecteur permet de récupérer le fondamental ou un harmonique : système très utilisé en HF) avec détermination des rendements constitue un sujet moderne et intéressant.
4 On peut également envisager un montage permettant de comparer les fonctionnement en régime linéaire ou en commutation. Le même moteur (par exemple à aimant permanent avec rotor rendu suffisamment inductif), fournissant approximativement la même puissance mécanique, est alimenté soit par un transistor de puissance fonctionnant en régime linéaire (par exemple 2N3055) soit par un hacheur à transistor MOS (par ex. IRF540) fonctionnant en commutation. Les rendements peuvent être comparés ; il en est de même du rôle (et de la température) des dissipateurs thermiques.
Les prochaines sessions
Le jury souhaite que les montages continuent d'évoluer et qu'il donnent une image plus réaliste de la physique expérimentale moderne. Dans ce but, deux nouveaux titres ont été proposés : l'instrumentation numérique et l'optoélectronique.
Ces sujets ne sont pas entièrement nouveaux.
En effet, en ce qui concerne le premier titre, il était déjà demandé aux candidats qu'ils connaissent le principe de fonctionnement des multimètres et des fréquencemètres numériques. Mais, un sujet entièrement consacré aux techniques numériques permettra d'aborder des problèmes comme la conversion analogique-numérique, l'échantillonnage et le traitement des données numériques. En même temps, les avantages (réels ou supposés) que présentent les appareils numériques par rapport à leurs prédécesseurs analogiques pourront être discutés.
De même, l'utilisation de la lumière (visible ou infrarouge) pour la transmission des données était déjà présente notamment dans les montages consacrés â la télécommunication et aux traitements des signaux. Les titres correspondants subsistent. Mais, le fait de travailler sur un sujet consacré à l'optoélectronique permettra aux candidats de se familiariser avec des outils modernes comme le sont les fibres optiques et leurs composants d'extrémités (diodes luminescentes, photodiodes, optocoupleurs, .. . ).
N.B. - La liste des montages aux épreuves définitives (pratiques et orales) de la session 1999 du concours externe de l'agrégation de sciences physiques (option physique) est publiée au BOEN spécial n°4 du 21 mai 1998, pages 56 à 61. Page 60, pour le montage n°23, il faut lire Conversion de puissance électromécanique au lieu de Conversion de ..