Signaux et Capteurs
Cours · physique (seconde), chapitre 6 · seconde générale, physique-chimie · le début du chapitre, la suite sur Adloun
Ce chapitre relève du thème « Ondes et signaux » du programme. Un signal est une grandeur physique porteuse d'une information : la lumière d'un feu tricolore, le son d'une sonnette, la tension délivrée par un microphone. Beaucoup de ces signaux sont électriques. Nous étudierons d'abord le circuit électrique et son schéma normalisé, puis les deux grandeurs qui le caractérisent, l'intensité et la tension , ainsi que les lois qui les relient (loi des nœuds, loi des mailles, loi d'Ohm). Nous découvrirons enfin les capteurs électriques, ces composants qui traduisent une grandeur physique (température, luminosité…) en une grandeur électrique mesurable.
6.1 Le circuit électrique
Un appareil électrique ne fonctionne que s'il est alimenté et si le courant peut circuler. Cela suppose de relier ses composants pour former une boucle continue : un circuit.
6.1.1 Générateur, récepteurs et dipôles
Un dipôle est un composant électrique possédant exactement deux bornes par lesquelles il est relié au reste du circuit. On distingue :
- le générateur (pile, batterie, alimentation stabilisée), qui fournit l'énergie électrique au circuit ;
- les récepteurs (lampe, résistor, moteur, diode électroluminescente), qui reçoivent cette énergie et la convertissent en une autre forme (lumière, chaleur, mouvement).
Un circuit électrique est une association de dipôles reliés par des fils conducteurs.
- Le circuit est fermé lorsque la boucle est continue : le courant électrique circule et les récepteurs fonctionnent.
- Le circuit est ouvert lorsque la boucle est interrompue (par exemple par un interrupteur ouvert) : aucun courant ne circule, les récepteurs ne fonctionnent pas.
Un seul élément change d'un schéma à l'autre : l'interrupteur. Il suffit d'une coupure, en n'importe quel point de la boucle, pour que le courant cesse partout à la fois et que la lampe s'éteigne.
6.1.2 Le sens du courant
Dans un circuit fermé, le courant électrique circule. Par convention, à l'extérieur du générateur, le sens conventionnel du courant est orienté de la borne positive () vers la borne négative () du générateur. Ce sens conventionnel est opposé au sens de déplacement réel des électrons (qui sont des charges négatives), mais c'est celui que l'on utilise systématiquement pour raisonner sur les circuits.
Les deux flèches vont en sens contraire, et c'est normal : le courant a été orienté par convention bien avant que l'on sache que ce sont des charges négatives qui se déplacent. On raisonne toujours avec la flèche bleue.
6.1.3 Le schéma normalisé
Pour communiquer sans ambiguïté, on ne dessine pas les objets réels : on utilise des symboles normalisés, identiques dans le monde entier. Les fils de connexion sont représentés par des segments de droite, et les dipôles par leur symbole placé sur ces segments.
Méthode : Représenter un circuit par un schéma normalisé
Pour schématiser un circuit :
- Recenser les dipôles présents (générateur, lampe, résistor, interrupteur…).
- Dessiner une boucle rectangulaire à l'aide de segments (les fils).
- Placer chaque symbole normalisé sur un côté de la boucle, sans oublier le générateur.
- Indiquer les bornes et du générateur, puis flécher le sens conventionnel du courant (du vers le à l'extérieur du générateur).
Les symboles normalisés sont les mêmes dans le monde entier : un schéma se lit sans légende et sans connaître la langue de celui qui l'a tracé. On ne dessine jamais l'objet réel.
Le schéma ci-dessous représente le circuit le plus simple : un générateur alimente un conducteur ohmique (résistor) de résistance . Le courant, d'intensité , circule dans le sens indiqué par la flèche.
Dans un circuit qui ne comporte qu'une seule boucle (dipôles en série), l'intensité du courant est la même en tout point. Le courant n'est ni « consommé » ni « affaibli » en traversant un récepteur : c'est l'énergie qui est transférée, pas le courant qui disparaît.
6.2 Intensité et tension
Deux grandeurs électriques décrivent le fonctionnement d'un circuit : l'intensité du courant, liée au débit de charges, et la tension, liée à l'énergie transférée entre deux points.
6.2.1 L'intensité du courant
L'intensité du courant électrique mesure le débit de charges électriques qui traversent une section du circuit : plus il passe de charges par seconde, plus l'intensité est grande. Elle s'exprime en ampères () dans le Système International.
Méthode : Mesurer une intensité : l'ampèremètre en série
L'intensité se mesure avec un ampèremètre, branché en série dans la branche où l'on veut connaître le courant :
- Ouvrir le circuit à l'endroit voulu et y insérer l'ampèremètre de sorte que le courant le traverse (dipôle en série).
- Respecter le sens : le courant doit entrer par la borne « A » (ou ) et ressortir par la borne « COM ».
- Choisir un calibre adapté, puis lire la valeur en ampères () ou milliampères ().
On retiendra : , donc .