SIgnaux et capteurs

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Notions et compétences

 

Loi des noeuds et loi des mailles
Caractéristiques tension-courant d'un dipôle
Conducteurs ohmiques : résistance, loi d'Ohm 
Capteurs électriques
Utiliser un dispositif avec un microcontroller
Mesurer une grandeur physique à l'aide d'un capteur électrique résistif
Représenter et exploiter la caractéristique d'un dipôle
Mesurer une tension et une intensité 

Loi des circuits électrique 

Les circuits électriques

Les circuits électriques sont un ensemble de composants électriques, appelés dipôles, reliés entre eux.

Les composants électiques sont classés en deux catégories : 

  • les générateurs qui fournissent l'énergie au circuit ; 

  • les récepteurs qui ont besoin d'énergie pour fonctionner.

Grandeurs électriques dans les circuits

Pour étudier le fonctionnement d'un circuit électrique, il est nécessaire de mesurer des grandeurs : la tension électrique et l'intensité du courant.


Activité

Mesurer une tension électrique

La tension UAB aux bornes d’un conducteur ohmique de résistance R est 9,0 V.
Quel appareil permet de mesurer cette tension électrique ?

Reproduire le schéma et le compléter en ajoutant l’appareil permettant de mesurer la tension UAB.


Mesurer l’intensité du courant

Quel appareil mesure l’intensité du courant ?

Comment l’associer avec un dipôle dont on veut mesurer l’intensité du courant qui le traverse ?

Quelle est l’unité de l’intensité du courant ?

Lois de l'électricité

Il existe deux types de circuits électriques :

  • les circuits en série

  • les circuits en dérivation (parallèle)


Pour un ensemble de dipôles associés en série :

Loi d'unicité de l'intensité : L'intensité du courant est la même en tout point.

Loi d'additivité des tensions (loi des mailles) : La tension aux bornes de l'ensemble est égale à la somme des tensions aux bornes de chaque dipôle. 

Dans maille FERMEE, la somme des tensions est nulle.

Loi des mailles
dans l'exemple U = U1 +U2 

Pour un ensemble de dipôles associés en dérivation :

Loi d'unicité des tensions : La tension est la même aux bornes de chaque dipôle.

Loi d'additivité des intensité (loi des noeuds) : La somme des intensités des courants qui arrivent à un noeud est égale à la somme des intensités des courants qui en repartent.

Loi des noeuds
dans l'exemple --> i1 = i2 + i3

Activité

Reconnaître une maille

Un circuit est schématisé ci-dessous, nommer les mailles présentes dans le circuit électrique à l’aide des lettres A, B, C, D, E et F.


Appliquer la loi des mailles

Reproduire le schéma et représenter les tensions UBC, UCD, UAB, et UDE.
Appliquer la loi des mailles dans le circuit.
Exprimer alors la tension UBC en fonction des autres tensions électriques.


Identifier les nœuds d’un circuit

Parmi les points A, B, C,D et E, indiquer lesquels sont des nœuds du circuit.


Appliquer la loi des nœuds

Pour le circuit schématisé ci-dessous, I1 = 100 mA et I2 = 150  mA.
Reproduire le schéma en ajoutant l’ampèremètre permettant de mesurer l’intensité I du courant.
Calculer la valeur de cette intensité I.


Caractéristique d'un dipôle  

Conventions

La tension et l'intensité sont des grandeurs algébriques, c'est à dire qu'elles peuvent avoir des valeurs positives ou négatives.

Pour un générateur : le courant et la tension sont orientés dans le même sens ;

Pour un récepteur : le courant et la tension sont orientés dans des sens opposés. 


Les signes tensions et des courants sont alors fixés :

  • Si l'intensité I est orientée de la borne + à la borne - du générateur, alors elle est positive ;

  • en convention générateur, U et I ont le même signe s'ils ont la même orientation ;

  • en convention récepteur, U et I ont le même signe s'ils ont des orientations opposées. 

Caractéristique tension-intensité d'un dipôle 

La caractéristique d'un dipôle est l'ensemble des couples (U ; I) possibles pour ce dipôle.

Chaque point de la caractéristique d'un dipôle est appelé point de fonctionnement. 


La caractéristique d'un dipôle permet de connaître les conditions de fonctionnement d'un dipôle : à une valeur de tension U correspond une unique valeur de l'intensité I du courant, et réciproquement.


 

Conducteur ohmiques et capteurs

Composants à comportement ohmique

La caractéristique tension-intensité d'un conducteur ohmique est une droite passant par l'origine dont le coefficient directeur est égal à la résistance R.


Loi d'Ohm

La tension U aux bornes d'un conducteur ohmique parcourue par un courant d'intensité I s'écrit : 


Capteurs

Certains matériaux ont une résistance qui dépend de paramètres d'influence (température, éclairement, etc). Ils sont utilisés comme capteurs et permettent de mesurer des grandeurs diverses.


Activités

Appliquer la loi d’Ohm

Pour le conducteur ohmique schématisé ci-dessous, indiquer la relation entre UAB et I en précisant le nom et les unités des différentes grandeurs.

Calculer la valeur de la tension UAB lorsque I = 20 mA  sachant qu’elle est égale à 1,0 V lorsque I = 10 mA.


 Identifier un capteur

On trace la caractéristique tension-intensité d’un dipôle dans trois conditions d’utilisation différentes.

Que représente le coefficient directeur de la caractéristique tension-intensité de ce dipôle ?

Identifier la nature du capteur pouvant être construit avec ce dipôle.


Exercices

 Le pont diviseur de tension

Le montage à pont diviseur de tension schématisé ci-dessous est utilisé dans des capteurs électriques. La résistance R2 dépend d’un paramètre extérieur. Dans ce montage : R2 = 100 Ω ; R1 = 200 Ω et UAE = 6,0 V. On mesure UCD.

Citer un paramètre dont peut dépendre R2.

Exprimer UBD en fonction de UAE.

En déduire l’expression de l’intensité I du courant électrique en fonction de UAE, R1 et R2.

Exprimer la tension UCD en fonction de UAE, R1 et R2, puis expliquer l’appellation « diviseur de tension ».


 Mesurer une température à l’aide d’une thermistance

Une thermistance est un dipôle électrique dont la résistance varie en fonction de la température. Parmi les thermistances, les CTN ont une résistance qui diminue lorsque la température augmente.



Déterminer la température mesurée par la thermistance lorsque l’intensité circulant dans le circuit du schéma est de 5,0 × 10–2 A.

Simulation numérique

 
 
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