Signaux et capteurs

Généralités sur le circuit électrique

1./ Quelques définitions :

• Dipôle : un dipôle est un dispositif électrique à deux bornes.
• Circuit : c’est un assemblage de dipôles reliés par des fils. Il faut au moins un générateur et un récepteur.
• Nœud : un nœud est le point de rencontre d’au moins trois fils. Les points F et K du circuit de droite sur la figure précédente sont des nœuds.
• Maille : c’est un chemin fermé dans un circuit. Par exemple, ABCDA, EFMKLE, EFGHJKLE et FGHJKMF sont des mailles. Une maille ne contient pas forcément de générateur.
• Circuit en série : un circuit est en série lorsqu’il n’existe qu’un seul chemin pour aller du + au –. Par exemple le circuit de gauche sur la figure précédente est un circuit en série.
• Circuit en dérivation : un circuit est en dérivation lorsqu’il existe plusieurs chemins pour aller du + au –. Par exemple le circuit de droite sur la figure précédente est un circuit en dérivation.

2./ Tension électrique (ou différence de potentiel) :

La tension électrique (ou différence de potentiel, en abrégé d.d.p.) se mesure entre deux points d’un circuit et s’exprime en volt (V). Elle traduit la différence d’état électrique (de potentiel électrique) entre les deux points. La tension se mesure avec un voltmètre (ou un multimètre en position voltmètre) branché en dérivation et se note U.

La tension entre les points R et S (dans ce sens) se note U_RS et se représente par une flèche allant de S à R(Attention au sens !). Pour mesurer U_RS, on place la borne « V » du voltmètre sur le premier point (R) et la borne « COM » sur le deuxième point (S). On a : U_RS = –U_SR.

La tension aux bornes d’un fil de connexion est nulle.

3./ Intensité du courant :

Le courant électrique correspond à un mouvement d’ensemble de particules (appelées porteurs de charge) à travers le circuit. Le sens conventionnel du courant va de la borne + à la borne –, mais en réalité les porteurs de charge sont des électrons, négatifs, qui se déplacent de la borne – à la borne +. L’intensité du courant est une mesure du nombre de porteurs de charge qui circulent en un point du circuit par unité de temps. Elle s’exprime en ampère (A) et se mesure avec un ampèremètre (ou un multimètre en position ampèremètre) branché en série et se note I. On branche l’ampèremètre de façon à ce que le courant (sens conventionnel !) rentre par la borne « A » et sorte par la borne « COM ».

Lois de l’électricité

1./ Loi des mailles :

La loi des mailles indique que la somme des tensions des dipôles le long d’une maille est égale à 0 V, si on prend toutes les tensions dans le même sens. Par exemple, si on considère le schéma de gauche, on a :

U_AD + U_BA + U_CB + U_DC = 0 V

On a alors : U_AD = – U_BA – U_CB – U_DC, soit : U_AD = U_AB + U_BC + U_DC. On retrouve donc la loi d’additivité des tensions dans un circuit en série (loi vue au collège), qui dit que dans un circuit en série, la tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions de tous les autres dipôles.

Autre exemple : si on considère le schéma de droite, on a : U_EL + U_MF + U_MK = 0. U_MF + U_MK = U_KF.
Donc : U_EL + U_KF = 0, soit : U_EL = – U_KF, ou encore : U_EL = U_FK. On retrouve donc la loi d’unicité des tensions dans un circuit en dérivation (loi vue au collège), qui dit que dans un circuit en dérivation, la tension est la même aux bornes de chaque branche.

2./ Loi des nœuds :

La loi des nœuds traduit la conservation des porteurs de charge : la somme des intensités des courants qui arrivent en un nœud est égale à la somme des intensités des courants qui en repartent. Par exemple, si on considère le schéma de droit, on a deux nœuds, F et K. Au point F, on a : I₁ = I₂ + I₃. Au point K, on a : I₂ + I₃ = I₁. On retrouve donc la loi d’additivité des intensités dans un circuit en dérivation (loi vue au collège).

Si on considère le schéma de gauche, il n’y a aucun nœud. La conservation des porteurs de charge impose que l’intensité du courant est la même partout dans un circuit en série. On retrouve donc la loi de l’unicité de l’intensité dans un circuit en série (loi vue au collège).

Vidéo rappelant les lois de la tension et de l’intensité :

3./ Loi d’Ohm :

Un résistor (ou conducteur ohmique, ou plus simplement « une résistance ») est un dipôle qui s’oppose au passage du courant. Un résistor est caractérisé par une grandeur appelée résistance, qui se note R et s’exprime en ohm (Ω).

La loi d’Ohm traduit la relation qui existe entre U, la tension aux bornes du résistor, I, l’intensité du courant qui traverse le résistor, et R, sa résistance.

On a : U = R × I avec : U en V, I en A et R en Ω.

La tension aux bornes d’un résistor est donc proportionnelle à l’intensité qui le traverse.

Vidéo rappelant la loi d’Ohm :

 

Caractéristique d’un dipôle

La caractéristique d’un dipôle est une courbe reliant l’intensité du courant qui traverse ce dipôle à la tension existant entre ses bornes. Il y a deux types de caractéristiques, selon que l’on trace U = f(I) ou I = g(U), c’est-à-dire la tension en fonction de l’intensité, ou l’intensité en fonction de la tension. Voici trois exemples
de caractéristiques :

Remarques :

• La loi d’Ohm indiquant que tension et intensité sont proportionnelles pour un résistor, la caractéristique d’un résistor sera une droite passant par l’origine du repère.
• Un dipôle récepteur (comme le résistor ou la lampe) aura toujours une tension à ses bornes nulle lorsque l’intensité qui le traverse sera nulle.
• Un dipôle générateur (comme la pile) aura une tension à ses bornes non nulle lorsque l’intensité qui le traverse sera nulle.

Capteurs

Un capteur est un dispositif mesurant une grandeur physique quelconque (pression, température, humidité, intensité lumineuse, intensité sonore, …) pour la transformer en signal électrique manipulable, par exemple, par un ordinateur.

Un exemple de capteur est la photorésistance (ou L.D.R., pour Light Dependant Resistor), qui est un dipôle dont la résistance varie en fonction de l’éclairement : plus l’éclairement est important, plus la résistance est faible.

Un deuxième exemple est la thermistance, un dipôle dont la résistance varie en fonction de la température. On distingue les thermistances CTN (Coefficient de Température Négatif : si la température augmente, R diminue), et les thermistances CTP (Coefficient de Température Positif : si la température augmente, R augmente).

Exemple d'utilisation d'un capteur : réalisation d'un thermomètre électronique à l'aide d'une carte Micro:bit :

Description complète du projet : Thermomètre à Microbit v2