FICHE DE RÉVISION – électricité
(Niveau : Seconde)
Signaux Électriques et Capteurs
Maîtriser les lois fondamentales des circuits (nœuds, mailles, Ohm) et comprendre le fonctionnement des capteurs.
Partie 1 : Grandeurs Fondamentales (Tension, Intensité)
Pour analyser un circuit, on doit mesurer deux grandeurs principales :
1. La Tension Électrique ($U$)
- Ce que c’est : Une différence de potentiel (une « pression ») entre deux points d’un circuit. C’est ce qui « pousse » les électrons.
- Unité : Le Volt (V).
- Mesure : On la mesure avec un Voltmètre, branché en dérivation (parallèle) aux bornes du dipôle.
2. L’Intensité du Courant ($I$)
- Ce que c’est : Le débit de charges électriques (d’électrons) qui traverse un fil en un point donné.
- Unité : L’Ampère (A). (On utilise souvent le milliampère, mA).
- Mesure : On la mesure avec un Ampèremètre, branché en série (il faut « couper » le circuit pour l’insérer).
Partie 2 : Les Lois Fondamentales des Circuits
Pour analyser un circuit complexe, on utilise deux lois principales (Lois de Kirchhoff).
A. La Loi des Nœuds
Un nœud est un point de connexion où au moins 3 fils se rencontrent (un « carrefour »).
Énoncé : La somme des intensités des courants qui entrent dans un nœud est égale à la somme des intensités des courants qui en sortent.
Autrement dit : Le courant ne se perd pas, il se partage.
$$ \sum I_{\text{entrant}} = \sum I_{\text{sortant}} $$
Si un courant \(I_1\) arrive à un nœud et se sépare en deux courants \(I_2\) et \(I_3\), alors :
\(I_1 = I_2 + I_3\)
B. La Loi des Mailles
Une maille est une boucle fermée dans un circuit (un « parcours »).
Énoncé : La somme algébrique des tensions le long d’une maille fermée est nulle (égale à zéro).
En pratique (Loi d’additivité) : Dans une boucle, la tension du générateur est égale à la somme des tensions des autres dipôles.
Dans un circuit série avec un générateur (\(U_g\)) et deux résistances (\(U_{R1}\) et \(U_{R2}\)) :
\(U_g = U_{R1} + U_{R2}\)
Partie 3 : La Loi d’Ohm et la Résistance
Le dipôle le plus simple est le conducteur ohmique (ou « résistance »). Il résiste au passage du courant.
Sa résistance est notée \(R\) et s’exprime en Ohms (\(\Omega\)).
Loi d’Ohm : La tension \(U\) aux bornes d’un conducteur ohmique est proportionnelle à l’intensité \(I\) qui le traverse.
$$ U = R \times I $$- \(U\) en Volts (V)
- \(R\) en Ohms (\(\Omega\))
- \(I\) en Ampères (A)
Pour ne jamais vous tromper, retenez « U-R-I » dans un triangle :
U
/ \
R x I
– Vous cherchez U ? Cachez U : \(U = R \times I\).
– Vous cherchez R ? Cachez R : \(R = U / I\).
– Vous cherchez I ? Cachez I : \(I = U / R\).
Attention aux unités ! Mettez toujours \(I\) en Ampères (ex: 50 mA = 0,050 A).
Partie 4 : Caractéristique d’un Dipôle
La caractéristique d’un dipôle est le graphique qui représente la tension \(U\) à ses bornes en fonction de l’intensité \(I\) qui le traverse (ou l’inverse).
C’est la « carte d’identité » du dipôle.
- Pour un conducteur ohmique (Résistance) : La caractéristique est une droite qui passe par l’origine. La pente de cette droite est la résistance \(R\).
- Pour d’autres dipôles (diode, pile…) : La caractéristique n’est pas une droite.
Le point de fonctionnement est le point (U, I) unique où le dipôle fonctionne lorsqu’il est branché dans un circuit. Graphiquement, c’est l’intersection entre la caractéristique du dipôle et la « droite de charge » du reste du circuit.
Partie 5 : Capteurs Électriques
Un capteur est un composant qui transforme une grandeur physique (température, lumière, force…) en un signal électrique (tension, intensité, résistance).
Exemples de capteurs résistifs (leur résistance change) :
- Thermistance : Sa résistance \(R\) dépend de la température. (Souvent CTN : Coefficient de Température Négatif -> si T augmente, R diminue).
- Photorésistance (LDR) : Sa résistance \(R\) dépend de l’intensité lumineuse. (Si la lumière augmente, R diminue).
- Jauge de contrainte : Sa résistance \(R\) dépend de l’étirement (force).
Courbe d’étalonnage :
C’est le graphique qui fait le lien entre la grandeur physique et la grandeur électrique. C’est le « mode d’emploi » du capteur.
Exemple : On ne peut pas mesurer directement la température avec un Voltmètre. Mais on peut mesurer la résistance d’une thermistance, puis utiliser sa courbe d’étalonnage (Température en °C vs. Résistance en \(\Omega\)) pour trouver la température correspondante.
Microcontrôleurs (ex: Arduino, micro:bit) : Ce sont des « mini-ordinateurs » qui lisent le signal électrique du capteur et le traduisent en une information utilisable.
Partie 6 : Entraînement (Exercices)
-
Exercice 1 (Loi d’Ohm) : Un conducteur ohmique a une résistance \(R = 150 \Omega\). Il est traversé par un courant \(I = 80 \text{ mA}\).
Quelle est la tension \(U\) à ses bornes ? -
Exercice 2 (Loi des Nœuds) : Dans un circuit, un courant principal \(I = 1,2 \text{ A}\) arrive à un nœud et se divise en deux branches. L’intensité dans la première branche est \(I_1 = 0,7 \text{ A}\).
Quelle est l’intensité \(I_2\) dans la seconde branche ? -
Exercice 3 (Loi des Mailles) : Un générateur de \(U_g = 9 \text{ V}\) alimente une LED (\(U_{LED} = 2 \text{ V}\)) et une résistance (\(U_R\)) en série.
Quelle est la tension \(U_R\) aux bornes de la résistance ? -
Exercice 4 (Capteur) : On utilise une photorésistance. On mesure sa résistance \(R\) et on trouve \(R = 10 \text{ k}\Omega\) (soit 10 000 \(\Omega\)).
La courbe d’étalonnage du capteur indique : 5 000 \(\Omega\) pour 100 lux, 10 000 \(\Omega\) pour 50 lux, 20 000 \(\Omega\) pour 10 lux.
Quelle est l’intensité lumineuse mesurée ?
Partie 7 : Corrections Détaillées
Correction Exercice 1 (Loi d’Ohm)
1. Convertir l’intensité en Ampères :
\(I = 80 \text{ mA} = 0,080 \text{ A}\).
2. Appliquer la Loi d’Ohm ($U = R \times I$) :
\(U = 150 \Omega \times 0,080 \text{ A} = 12 \text{ V}\).
La tension aux bornes de la résistance est de 12 V.
Correction Exercice 2 (Loi des Nœuds)
La loi des nœuds dit : \(I_{\text{entrant}} = I_{\text{sortant}}\).
Ici, \(I = I_1 + I_2\).
On cherche \(I_2\) :
\(I_2 = I – I_1 = 1,2 \text{ A} – 0,7 \text{ A} = 0,5 \text{ A}\).
L’intensité dans la seconde branche est de 0,5 A (ou 500 mA).
Correction Exercice 3 (Loi des Mailles)
La loi des mailles (additivité) dit : \(U_{\text{générateur}} = \text{somme des tensions des récepteurs}\).
Ici, \(U_g = U_{LED} + U_R\).
On cherche \(U_R\) :
\(U_R = U_g – U_{LED} = 9 \text{ V} – 2 \text{ V} = 7 \text{ V}\).
La tension aux bornes de la résistance est de 7 V.
Correction Exercice 4 (Capteur)
C’est une simple lecture de la courbe d’étalonnage (donnée ici sous forme de texte).
1. On mesure la grandeur électrique : \(R = 10 \text{ k}\Omega\).
2. On se reporte aux données d’étalonnage.
3. On lit que « 10 000 \(\Omega\) (soit 10 k\(\Omega\)) correspond à 50 lux ».
L’intensité lumineuse mesurée est de 50 lux.
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