Chapitre 17 : Electricité : signaux et capteurs
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www.plusdebonnesnotes.com – Seconde GT – Physique-Chimie – Thème 3 – Ondes signaux CHAPITRE 17 : ELECTRICITE : SIGNAUX ET CAPTEURS I. Le circuit électrique A. Généralités Un circuit électrique est composé d’au moins un générateur, un récepteur (résistance, moteur, DEL etc.) et des fils de connexion. Définitions : Un dipôle est un élément d’un circuit électrique possédant deux bornes. Un nœud est une connexion qui relie au moins trois dipôles entre eux. Sur le circuit ci-dessus, C et F sont des nœuds électriques. Une maille est un chemin fermé, ne comportant pas forcément de générateur. Le circuit ci-contre possède trois mailles : (), () et (). Attention, on a choisi d’écrire une maille entre parenthèses et de nommer les points du circuit qui appartiennent à la maille. Il existe deux types d’association des dipôles entre eux, l’association en série et en dérivation : Deux dipôles sont en série s’ils sont situés dans la même maille et ne sont pas séparés par un nœud. Deux dipôles sont en dérivation si leurs bornes sont connectées aux mêmes nœuds. Sur le circuit ci-dessus, l’ampèremètre et la résistance 1 sont associées en série (ils sont donc traversés par un courant de même intensité). Les résistances 2 et 3 sont associés en dérivation. Attention, seuls les points C et F sont des nœuds électriques. Les autres points A, B, D et E ont été ajoutés pour faciliter la lecture du schéma de montage et l’écriture des tensions. B. Définition de l’intensité du courant Le courant électrique est un mouvement d’ensemble de particules chargées, appelées porteurs de charge. Dans un circuit électrique, ce sont les électrons, chargés négativement, qui sont mis en mouvement par le générateur. L’intensité du courant est une grandeur quantifiant le nombre d’électrons qui traversent un fil ou un dipôle en une seconde. L’intensité s’exprime en ampère noté . On mesure l’intensité d’un courant avec un ampèremètre toujours placé en série. Sur le circuit du A, l’ampèremètre A mesure la valeur de l’intensité . Le symbole de l’ampèremètre est : C. Définition de la tension électrique La tension électrique st une grandeur caractérisant une différence d’état électrique entre deux points d’un circuit. On a choisi de la représenter par une flèche. Ainsi, dans le circuit de la partie A, la tension 2 est égale à la tension (la flèche pointe vers ). La tension (la flèche pointe vers ) est égale à − (la flèche de pointe vers ). La tension d’exprime en . La tension électrique aux bornes d’un dipôle se mesure avec un voltmètre toujours placé en dérivation sur les bornes de ce dipôle. Le symbole du voltmètre est : II. Relations entre grandeurs électriques A. La loi d’Ohm
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CHAPITRE 17 :
ELECTRICITE : SIGNAUX
ET CAPTEURS
I. Le circuit électrique
A. Général ités
Un circuit électrique est
composé d’au moins un
générateur, un récepteur
(résistance, moteur, DEL etc.)
et des fils de connexion.
Définitions :
Un dipôle est un élément
d’un circuit électrique
possédant deux bornes.
Un nœud est une connexion qui relie au
moins trois dipôles entre eux. Sur le circuit
ci-dessus, C et F sont des nœuds
électriques.
Une maille est un chemin fermé, ne
comportant pas forcément de générateur.
Le circuit ci-contre possède trois mailles :
(𝐴𝐵𝐶𝐹𝐴), (𝐴𝐵𝐶𝐷𝐸𝐹𝐴) et (𝐶𝐷𝐸𝐹𝐶).
Attention, on a choisi d’écrire une maille entre
parenthèses et de nommer les points du circuit qui
appartiennent à la maille.
Il existe deux types d’association des dipôles entre
eux, l’association en série et en dérivation :
Deux dipôles sont en série s’ils sont situés
dans la même maille et ne sont pas séparés
par un nœud.
Deux dipôles sont en dérivation si leurs
bornes sont connectées aux mêmes nœuds.
Sur le circuit ci-dessus, l’ampèremètre et la
résistance 𝑅1 sont associées en série (ils sont donc
traversés par un courant de même intensité). Les
résistances 𝑅2 et 𝑅3 sont associés en dérivation.
Attention, seuls les points C et F sont des nœuds
électriques. Les autres points A, B, D et E ont été
ajoutés pour faciliter la lecture du schéma de
montage et l’écriture des tensions.
B. Définition de l ’ intensité du
courant
Le courant électrique est un mouvement d’ensemble
de particules chargées, appelées porteurs de charge.
Dans un circuit électrique, ce sont les électrons,
chargés négativement, qui sont mis en mouvement
par le générateur.
L’intensité du courant est une grandeur quantifiant le
nombre d’électrons qui traversent un fil ou un dipôle
en une seconde. L’intensité 𝑰 s’exprime en
ampère noté 𝑨.
On mesure l’intensité d’un courant avec un
ampèremètre toujours placé en série. Sur le circuit
du A, l’ampèremètre A mesure la valeur de
l’intensité 𝐼. Le symbole de l’ampèremètre est :
C. Définition de la tension
électrique
La tension
électrique st une
grandeur
caractérisant
une différence
d’état électrique entre deux points d’un circuit. On
a choisi de la représenter par une flèche. Ainsi, dans
le circuit de la partie A, la tension 𝑈2 est égale à la
tension 𝑈𝐶𝐹 (la flèche pointe vers 𝐶). La tension 𝑈𝐴𝐵
(la flèche pointe vers 𝐴) est égale à −𝑈𝐵𝐴 (la flèche
de 𝑈𝐵𝐴 pointe vers 𝐵). La tension d’exprime en
𝑽.
La tension électrique aux bornes d’un dipôle se
mesure avec un voltmètre toujours placé en
dérivation sur les bornes de ce dipôle. Le symbole du
voltmètre est :
II. Relations entre grandeurs
électriques
A. La loi d’Ohm
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La loi d’Ohm relie la tension aux bornes d’un résistor
et l’intensité du courant qui le traverse. On a alors :
𝑈 = 𝑅 × 𝐼
𝑈 la tension aux bornes de la résistance en
𝑉.
𝑅 la résistance du résistor en ohm de
symbole Ω.
𝐼 l’intensité du courant qui circule dans le
résistor en 𝐴.
La résistance électrique d’un dipôle
est une grandeur qui se mesure avec
un multimètre en mode ohmmètre.
Le dipôle doit être déconnecté du
circuit pour effectuer la mesure.
Pour que les tensions représentées correspondent à
des valeurs positives de tension, l’orientation des
flèches de tension est importante. Dans le cas d’un
générateur la flèche représentant la tension est
orientée dans le même sens que le sens de parcours
du courant électrique.
Dans le cas d’un dipôle récepteur passif comme une
résistance par exemple, la flèche représentant la
tension est orientée dans le sens opposé au sens de
parcours du courant électrique.
B. Relation entre les intensités
La quantité d’électrons qui
circulent dans le circuit se
conserve. La loi des nœuds
traduit cette conservation :
𝐼1 + 𝐼2 = 𝐼3 + 𝐼4
S’il n’y a pas de nœuds,
comme pour deux dipôles
associés en série, alors l’intensité est la même.
C. Relation entre les tensions
Loi des mailles : la somme des tensions des dipôles le
long d’une maille est égale à 0 𝑉.
Ainsi, en parcourant la maille (𝐴𝐺𝐹𝐸𝐷𝐶𝐵𝐴) dans
le sens des pointillés verts, on peut écrire 𝑈𝐴𝐴 = 0𝑉
soit :
𝑈𝐴𝐺 + 𝑈𝐺𝐹 + 𝑈𝐹𝐸 + 𝑈𝐸𝐷 + 𝑈𝐷𝐶 + 𝑈𝐶𝐵 + 𝑈𝐵𝐴 = 0𝑉
0 + 0 − 𝑈𝐸𝐹 − 𝑈𝐷𝐸 + 0 + 0 + 𝑈𝐵𝐴 = 0𝑉
Donc :
𝑈𝐵𝐴 = 𝑈𝐸𝐹 + 𝑈𝐷𝐸
On retrouve la loi d’additivité des tensions dans un
circuit en série vue en quatrième.
Par ailleurs en
parcourant la
maille
(𝐴𝐵𝐶𝐺𝐴)
dans le sens
inverse des
pointillés
bleus, on peut
écrire 𝑈𝐴𝐴 =
0𝑉 soit :
𝑈𝐴𝐵 + 𝑈𝐵𝐶 + 𝑈𝐶𝐺 + 𝑈𝐺𝐴 = 0𝑉
−𝑈𝐵𝐴 + 0 + 𝑈𝐶𝐺 + 0 = 0 𝑉
Ainsi :
𝑈𝐵𝐴 = 𝑈𝐶𝐺
On retrouve ici la loi d’unicité des tensions sur deux
branches en dérivation.
Remarque : On considère que la tension est nulle aux
bornes d’un fil électrique.
III. Caractéristiques d’un
dipôle
A. De quoi s’agit - i l ?
Un dipôle est caractérisé par la relation entre la
tension à ses bornes et l’intensité du courant qui le
traverse. Cette relation peut être représentée par une
courbe du type 𝑈 = 𝑓(𝐼) ou 𝐼 = 𝑔(𝑈).
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Dans le cas d’un
résistor, la courbe
peut être modélisée
par une droite dont
l’équation associée
est du type linéaire :
𝑦 = 𝑎 × 𝑥
Qui est une droite
passant par
l’origine). Ce n’est
pas généralisable aux
autres types de
dipôles.
IV. Capteurs Schéma général du fonctionnement d’un capteur :
A. Général ités
Dans le domaine de la santé, de nombreux capteurs
permettent de surveiller les grandeurs physiques du
corps humain en temps réel, comme le capteur de
pulsation cardiaque, le capteur de saturation en
dioxygène (𝑂2) ou encire le capteur de température.
Un capteur permet de transformer une grandeur
physique mesurable en une grandeur exploitable par
un dispositif de commande. La grandeur de sortie est
souvent une tension électrique.
B. Les capteurs en électricité
Certains dipôles sont couramment utilisés comme
capteurs : la photorésistance (capteur
d’éclairement), la thermistance (capteur de
température), le capteur de mouvement, le
pressiostat (capteur de pression) le capteur de champ
magnétique.
Ces capteurs permettent l’automatisation de
certaines tâches, en interaction avec un
microcontrôleur de type Arduino.
Ne pas confondre les termes analogique, numérique
et logique :
Le signal analogique est composé d’une
infinité de valeurs (en bleu).
Le signal numérique n’est composé que
d’un nombre fini de valeurs (points rouges).
C’est le cas d’un son enregistré au format
mp3.
Le signal logique ne peut prendre que deux
états : l’état haut (A ou HIGH) ou l’état bas
(0 ou LOW) :
V. Exercices
Exercice n°1
Exercice n°2
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Exercice n°3
Exercice n°4
Exercice n°5
Exercice n°6
Exercice n°7
Exercice n°8
Exercice n°9
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Exercice n°10
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Exercice n°12
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Exercice n°15
Exercice n°16
Exercice n°17
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Exercice n°18
Exercice n°19
