I) Mise en situation
Pour introduire la séquences sur les signaux et capteurs électriques, la séance d'activité expérimentale d'introduction est la suivante :
II) Rappels d'électricité
Les notions élementaires d'électricité ont largement été vues au collège.
1) Les dipôles électriques
Les éléments ou composants électriques utilisés généralement au lycée comportent deux pôles de branchement. C'est la raison pour laquelle le composant est appelé un dipôle.
Chaque dipôle dispose de son schéma normalisé. En voici une petite liste :
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Pile |  |
Générateur | |
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Moteur |  |
Lampe | |
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Résistance |  |
Diode | |
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Diode E.L. |  |
Interrupteur | |
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Voltmètre. |  |
Ampèremètre |
Le schéma normalisé est un schéma qui relie les composant du circuit avec des fils de connexion tracés à angle droit comme le montre le schéma suivant :
2) La tension électrique
La tension électrique est une grandeur physique notée souvent \(\displaystyle U\) qui s'exprime en volt de symbole V. L'appareil de mesure est le volmète. Cette grandeur est mesurée entre les bornes du dipôle. C'est la raison pour laquelle le voltmètre est branché en dérivation du composant étudié.
Exemple :
La borne COM du voltmètre doit correspondre avec la borne négative de la pile. Si le voltmètre est branché à l'envers, la valeur affichée sera négative.
3) L'intensité électrique
L'intensité électrique est une grandeur physique notée souvent \(\displaystyle I\) qui s'exprime en ampère de symbole A. L'appareil de mesure est l'ampèremète. Cette grandeur est mesurée au travers du circuit où figure le dipôle. C'est la raison pour laquelle l'ampèremètre est branché en série avec composant étudié.
Au niveau seconde, on précise que cette intensité est liée à un débit d'électrons dans les fils de connexion. Ce débit traduit le déplacement d'électrons en fonction du temps. Ce déplacement est causé par la tension électrique.
On précise aussi que dans le cas d'un circuit en série, l'intensité du courant est identique en tout point du circuit. L'ampèremètre peut ainsi se placer à l'nimporte quel endroit dans le circuit.
Remarque : Dans le cas des générateurs, le sens de la tension et de l'intensité sont identiques alors que pour un dipôle, le sens du segment fléché est dans le sens contraire du courant électrique.
III) Les lois de Kirchoff
En classe de seconde, on distingue la loi des noeuds qui concerne l'intensité et la loi des mailles qui concerne la tension.
1) La loi des noeuds
On considère les deux définitions suivantes :
Définition : On appelle « noeud » un point du circuit où sont reliés au moins trois fils électriques.
Chacun de ces fils est parcouru par une intensité de courant particulière et de sens particulier.
Définition : La loi des noeuds indique que la somme des intensités des courants électriques orientés vers le noeud est égale à la somme des intensités des courants électriques orientés à partir du noeud.
Exemple : On considère un noeud avec 4 fils :
Les intensités allant vers le noeud sont \(\displaystyle I_1\) et \(\displaystyle I_4\). Les intensités partant du noeud sont \(\displaystyle I_2\) et \(\displaystyle I_3\). On a alors la relation \(\displaystyle I_1+I_4=I_2+I_3\).
2) La loi des mailles
On considère les deux définitions suivantes :
Définition : On appelle « maille » une boucle formée dans un circuit.
Définition : La loi des mailles indique que la somme des tensions indiquées dans un sens est égale à la somme de celles indiquées dans l'autre sens.
Exemple : On considère le circuit suivant :
Dans le sens de la rotation, on distingue \(\displaystyle U_R\) et \(\displaystyle U_L\). Dans le sens contraire, on a \(\displaystyle U_P\). Ainsi, la loi des mailles nous donne l'égalité \(\displaystyle U_P=U_R+U_L\).
IV) Etude du dipôle
Un dipôle peut être étudié en fonction de l'intensité du courant traversé et de la tension qui existe entre ses bornes.
1) La caractéristique d'un dipôle
La relation qui existe entre l'intensité du courant qui traverse le dipôle et la tension qui existe entre ses bornes peut être représentée graphiquement par une courbe. Cette courbe s'appelle une caractéristique. Elle exprime l'intensité en fonction de la tension, ou bien la tension en fonction de l'intensité :
2) Le point de fonctionnement
Lorsqu'un générateur est branché simplement à un dipôle, le générateur n'est pas forcément adapté au dipôle connecté, et réciproquement. Le circuit ne peut fonctionner que si le courant et la tension correspondent (ce n'est pas équivalent à être égal). Pour cela, on supperpose les caractéristiques du générateur et du dipôle pour établir le point d'intersection. Ce point est ainsi appelé le point de fonctionnement.
Cf. : exercices
V) La loi d'Ohm
La loi d'Ohm a été vue en classe de quatrième et de troisième. Elle est rapidement résumée ici :
1) Rappel sur la résistance
Une résistance est un dipôle défini par sa résistance \(\displaystyle R\). exprimée en ohms de symbole \(\displaystyle \Omega\). Cette résistance peut être calculée par des formules ou bien mesurée par un appareil de mesure appelé ohmmètre. Pour effectuer cette mesure, la résistance doit être débranchée du circuit.
La résistance a la faculté de « réduire » le débit de courant dans le circuit.
Tous les appareils ou dipôles disposent en quelques sortes d'une resistance. A titre d'exemple, la résistance d'un simple fil de connexion d'une vingtaine de centimètre peut mesurer 0,5 \(\displaystyle \Omega\).
2) La loi d'Ohm
On considère un dipôle défini par une résistance \(\displaystyle R\). Ce dipôle est traversé par un courant d'intensité \(\displaystyle I\) et la tension entre ses bornes est notée \(\displaystyle U\). Ces trois grandeurs sont reliées par la loi d'Ohm :
Définition : La loi d'Ohm relie la tension \(\displaystyle U\), l'intensité \(\displaystyle I\) et la résistance \(\displaystyle R\) par la relation \(\displaystyle U=RI\).
Avec cette relation, on n'oublie pas que \(\displaystyle U\) est exprimé en volt, \(\displaystyle I\) est exprimée en ampère et \(\displaystyle R\) est exprimé en ohm.
Remarque :
Un dipôle qui dispose d'une résistance est logiquement appelé conducteur ohmique ou dipole ohmique. Par abus de langage, ce dipôle est aussi appelé « résistance » .3) La caractéristique d'un dipôle ohmique
Compte tenu de la relation \(\displaystyle u=RI\), on remarque un phénomène de proportionnalité entre la tension \(\displaystyle U\) et l'intensité \(\displaystyle I\). Le coefficient de proportionnalité est donc \(\displaystyle R\). On dit que la relation \(\displaystyle U=f\left(I\right)\) est une fonction linéaire.
VI) Les capteurs électriques
On définit de manière générale, un capteur de la façon suivante :
Définition : Un capteur transforme une grandeur physique observable en une grandeur utilisable.
En électricité, le capteur électrique va transformer une grandeur physique observable (température, luminosité, mouvement, etc.) en signal électrique.
A titre d'exemple, on distingue les capteurs suivants :
1) La photorésistance
La photorésistance est sensible à la lumière. La résistance de la photorésistance diminue quand la muninosité augmente. Elle est utilisée dans la détection de lumière, dans l'éclairage public, ouveture automatique de poulailler, etc.
2) La photodiode
La photodiode est sensible à la lumière. Sa caractéristique varie avec la luminosité : au-delà d'une certaine luminosité, la photodiode se comporte comme un générateur. On parle alors de photopile. Elle est utilisée dans la transmission de données (télécommande, etc.).
3) La termopile
La termopile est sensible à la température. La tension a ses bornes varie si la température à ses bornes varie. Elle est utilisée dans les thermomètre ou dans les générateur.
4) La termistance
La termistance est sensible à la température. Sa résistance varie si sa température varie. Elle est utilisée dans les thermomètres.
5) La sonde à effet Hall
La sonde à effet Hall est sensible au champ magnétique. La tension a ses bornes varie si le champ magnétique varie. Elle est utilisée dans la mesure des champs magnétiques.
6) Les capteurs piézo-électriques
Les capteurs piézo-électriques sont sensibles aux forces. Ces capeturs délivrent une tension dés qu'ils sont soumis à une force. Ils sont utilisés dans les capeturs de forces.