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I. Qu’est-ce que le courant électrique ?

La matière est faite d’atomes tous électriquement neutres. De ce fait, la matière est elle-même neutre. On peut néanmoins retirer ou ajouter des électrons à un matériau, soit en le frottant, soit en l’électrisant.

Par exemple, en frottant une baguette de verre avec un chiffon, on arrache des électrons à la baguette qui se charge positivement,

et le chiffon qui récupère les électrons arrachés acquière donc une charge négative. Entre les deux objets apparaît alors une

tension notée U et quantifiée en volt (V).

Si les protons et les neutrons présents dans les noyaux ne peuvent bouger dans la matière solide, il est néanmoins possible de motiver certains électrons de certains atomes à « sauter » d’atome en atome pour parcourir un fil conducteur par exemple.

Il faut pour cela prendre des atomes d’un matériau conducteur et appliquer aux

extrémités de ce matériau une tension électrique. Une très faible partie des électrons de

ces atomes se déplacera dans le matériau. Le flot d’électrons dans la matière correspond

à l’intensité électrique I quantifiée en ampère (A).

A retenir :

• L’intensité électrique I (en ampère A) est proportionnelle au nombre d’électrons qui traversent la section d’un fil en une seconde.

• Une tension électrique U (en volt V) est une différence de potentiels entre deux points d’un circuit électrique.

II. Lois générales

II.1. Loi des nœuds

Dans un circuit électrique, un nœud est un point d’où partent au moins 3 fils.

Exercice 1 :

On considère un circuit électrique contenant un générateur de tension UG= 3,0 V, de

deux conducteurs ohmiques et d’une ampoule.

a. Retrouver le symbole utilisé dans un circuit pour le conducteur ohmique. Même question pour l’ampoule.

b. Déterminer la valeur de l’intensité I0.

c. Que valent alors I2 et I3 ? Justifier.

d. Comment s’appellent des points C et D ?

e. Déterminer la relation qui lie les intensités qui partent ou arrivent au point C.

150 mA

60 mA

R

G + -

R I0

I2

I3

I1

3V A B

C D

E F

A

C

E

F

G

D

P N

6V

R2

G + -

R3

R1

A retenir :

La somme des intensités des courants arrivant à un nœud est égale à la somme des intensités

des courants qui partent de ce nœud.

II.2. Loi des mailles

Nous avons réalisé le montage ci-contre :

• La tension aux bornes du générateur UG = 6V , la tension aux bornes de la lampe UCD = 4V ,

enfin la tension aux bornes de la résistance R3 UFG = 3V.

Partie III : ONDES ET SIGNAUX Exploiter la loi des mailles et la loi des noeuds. Exploiter la caractéristiques d’un dipole électrique Utiliser la loi d’Ohm

Capteurs électriques

Chapitre 8

Signaux et capteurs

I

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A retenir :

• Une flèche de tension est toujours orientée vers la première lettre du segment qui la délimite.

• Loi de mailles : La somme des tensions des dipôles le long d’une maille est égale à 0V.

II.3. Loi d’Ohm

Loi d’Ohm :

La tension UR aux bornes d’un conducteur ohmique de résistance R est proportionnelle à l’intensité I que le traverse : UR = R I

L’unité de la résistance R est le ohm ( - oméga majuscule)

III. Caractéristique tension-courant

A retenir :

• La caractéristique tension-courant d’un dipôle électrique est la représentation graphique I = f (U) de l’intensité I qui le traverse en fonction de la tension U à ses bornes.

• Pour mesurer l’intensité dans un fil, on branche un ampèremètre en série. • Pour mesurer la tension aux bornes d’un dipôle, on branche un voltmètre en dérivation.

Pour obtenir une caractéristique tension-courant d’un dipôle, on le teste en le plaçant dans un

circuit comme sur le schéma ci-contre. En faisant alors varier l’intensité I qui le traverse, on mesure la tension UD à ses bornes.

Exemples :

A

B

C D

E F

P N

Exercice 2 : A partir du montage précédent, répondre aux questions suivantes :

a. Déterminer la tension UPN aux bornes du générateur.

b. Déterminer la tension UAC aux bornes du conducteur ohmique R1.

c. Quelle est la tension aux bornes du fil CE ?

d. Déterminer la valeur des tensions UEF aux bornes du conducteur ohmique R2.

e. Relier les 3 tensions UEF, UFG et UEG par une égalité.

f. Montrer que UEG = UCD

g. En déduire la valeur de UDC.

h. En faisant le tour de la maille dans le sens indiqué ci-contre, en partant par exemple du point C, et en additionnant les tensions rencontrées on obtient : UCE + UEF + UFG + UGD + UDC . Calculer la valeur de cette addition.

Que peut-on en déduire ?

F G

UGF

UFG

9V 0V

R2

R1

G + -

KL

I1

I2

I0

UBC

UPN

UL

UR2

UD

I I

V

I 0

A

Voltmètre

Ampèremètre

Dipôle

Exercice 4 :

a. Déterminer la valeur de la résistance du conducteur ohmique.

b. Pour quel(s) dipôle(s) U et I sont-ils proportionnels ?

c. Quelle est la tension maximale que l’on peut avoir aux bornes d’une diode lorsqu’elle conduit le courant

?

Exercice 3 :

On considère le montage ci-contre avec l’interrupteur K initialement ouvert.

a. Que valent les intensités I0, I1 et I2 ?

b. Montrer, à l’aide de la loi d’Ohm, que la tension UR1 est donc forcément

nulle.

On ferme à présent l’interrupteur. Le générateur débite alors une intensité I0 = 79 mA.

c. Déterminer la tension UR1 = UBC (loi d’Ohm).

d. En déduire la tension UR2 = UEF (loi des mailles).

e. Déterminer alors l’intensité I2 (loi d’Ohm).

f. En déduire la valeur de I1 (loi des nœuds).

g. Que vaut la tension aux bornes de la lampe ?

Données : R2 = 50 ; R1 = 100 ;

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IV. Exemples de capteurs électriques

IV.1. Détecteurs optiques

Les voitures d’aujourd’hui sont équipées de détecteurs optiques capables d’allumer ou d’éteindre automatiquement certaines commandes du véhicule comme par exemple les phares lorsque la luminosité baisse. D’autres détecteurs optiques peuvent repérer la présence d’un individu même dans le noir en étant sensible à la lumière infrarouge.

Le principe de fonctionnement de ces détecteurs est le suivant :

Le montage comporte : • un générateur idéal de tension UG = 5,0 V

Le montage comporte : • un générateur idéal de tension UG = 5,0 V • un conducteur ohmique R = 20

• un système qui allume les phares de la voiture

• une photorésistance RE.

On donne ci-contre l’influence de la lumière sur la valeur de la résistance de la photorésistance :

Dans cet exemple, le système d’allumage s’amorce uniquement si la tension

à ses bornes est supérieure à une valeur minimale fixée à USeuil = 1,5 V

IV.2. Capteur de niveau

Pour pouvoir détecter un niveau bas de liquide dans une cuve, on peut utiliser un capteur de niveau équipé d’un flotteur. La poussée

d’Archimède exercée par le liquide sur le flotteur maintiendra ce dernier à la surface du fluide.

Ainsi, si le niveau de liquide baisse dans la cuve, le flotteur fait de même. Lorsque le flotteur arrive suffisamment bas, le plateau, fait d’un métal conducteur et fixé au flotteur, vient buter sur les deux bornes A et B du circuit électrique.

Luminosité

(lux)

Résistance ()

CIEL

LUMINEUX

CIEL

SOMBRE

0 100 200 300 400 0

5

10

15

20

Exercice 5 :

Soit un ciel relativement lumineux (350 lux) qui ne nécessite pas l’utilisation des feux du véhicule :

a. Déterminer la valeur RE de la photorésistance.

b. Dans cette situation, le générateur débite un courant d’intensité I = 220 mA. Que vaut alors la tension aux bornes du

conducteur ohmique R ?

c. En déduire la valeur de URE et de U.

d. Dans cette situation, le système d’allumage des feux est-il activé ? Justifier.

Soit un ciel sombre (50 lux) qui nécessite l’utilisation des feux du véhicule :

e. Déterminer la nouvelle valeur RE de la photorésistance dans cette situation de pénombre.

f. L’intensité que débite le générateur est alors égale à I = 146 mA. Déterminer la nouvelle valeur de UR.

g. En déduire la valeur de URE et de U.

h. Montrer que les feux de la voiture sont allumés.

i. Montrer que l’intensité qui traverse alors la photorésistance est égale à 104 mA.

j. En déduire l’intensité traversant le système d’allumage des feux.

+

-

R

Système

allumage RE URE

UR

UG

U

I

Exercice 6 :

Considérons une cuve pleine de liquide.

a. Déterminer la valeur de l’intensité I qui circule dans le circuit.

b. Que vaut la tension UAB.

Considérons à présent une cuve vide.

c. Le circuit électrique est-il alors ouvert ou fermé ? Que vaut alors UAB ?

d. La diode électroluminescente est allumée et on mesure UDEL = 0,6 V. Calculer UR.

e. En déduire la valeur de l’intensité I débitée par le générateur si R = 28 .

f. Quel est en réalité le rôle du plateau dans le circuit électrique ?

UG

UR

R

2,0 V

0,0 V

UDEL

I

A B

+

-

Liquide

Cuve

Flotteur Plateau