- Exploiter la loi des mailles et la loi des nœuds dans un circuit électrique comportant au plus deux mailles.
- Mesurer une tension et une intensité.
- Exploiter la caractéristique d’un dipôle électrique : point de fonctionnement, modélisation par une relation U = f(I) ou
I = g(U). - Utiliser la loi d’Ohm.
- Représenter et exploiter la caractéristique d’un dipôle.
- Capacités numériques : représenter un nuage de points associé à la caractéristique d’un dipôle et modéliser la caractéristique de ce dipôle à l’aide d’un langage de programmation.
- Capacité mathématique : identifier une situation de proportionnalité.
- Citer des exemples de capteurs présents dans les objets de la vie quotidienne.
- Mesurer une grandeur physique à l’aide d’un capteur électrique résistif.
- Produire et utiliser une courbe d’étalonnage reliant la résistance d’un système avec une grandeur d’intérêt (température, pression, intensité lumineuse, etc.).
- Utiliser un dispositif avec microcontrôleur et capteur.
Tension électrique
On a vu en classe de 5ème qu’un générateur est caractérisé par la valeur de la tension entre ses deux bornes. Cette tension s’exprime en Volt (V).
Lorsqu’une pile est introduite dans un circuit électrique, la tension entre ses deux bornes établit un courant électrique dans le circuit fermé.
La tension entre deux points d’un circuit se mesure à l’aide d’un voltmètre et se note U.
Le voltmètre mesure la différence de niveau électrique existant entre deux points d’un circuit : il est placé en dérivation entre ces deux points.
Le voltmètre est l’une des fonctions d’un multimètre. Il faut respecter les polarités et le type de courant sur l’appareil.
La mesure peut se faire directement sur l’écran avec un voltmètre numérique, mais doit être interprétée avec un voltmètre à aiguille (pour lequel il faut être particulièrement vigilant avec les polarités).
Tension d’un dipôle
Tout composant électrique comportant deux bornes est un dipôle.
En circuit ouvert, la tension aux bornes d’une pile n’est pas nulle. la tension aux bornes de la pile est plus grande en circuit ouvert qu’en circuit fermé.
Si nous montons plusieurs piles en série (en branchant chaque borne – à la borne + de la pile suivante), la tension totale est égale à la somme des tensions de chaque pile.
Pour tous les dipôles qui ne sont pas des générateurs, la tension à leurs bornes est nulle en dehors d’un circuit électrique.
En circuit ouvert, la tension aux bornes de chaque dipôle du circuit est nulle, mais la tension aux bornes de l’interrupteur est égale à la tension aux bornes du générateur, alors qu’aucun courant ne circule dans le circuit :
Il peut y avoir une tension entre deux points entre lesquels ne passe aucun courant.
Si on mesure la tension aux bornes d’un fil de connexion en circuit ouverte et fermé, on constate qu’elle est toujours nulle : il peut y avoir une tension nulle aux bornes d’un élément dans lequel passe du courant !
En circuit fermé, la tension aux bornes d’un dipôle peut varier en fonction du type de circuit et du générateur. Mais pour un même circuit, la tension d’un dipôle ne dépend pas de la place occupée par ce dipôle.
Intensité du courant
Le courant électrique traversant la lampe a pour effet de lui faire émettre de la lumière, moins ce courant est intense, moins la lampe brille.
Le courant électrique est caractérisé par son intensité, notée I et qui se mesure en ampère (A). L’intensité se mesure à l’aide d’un ampèremètre.
Il est placé en série dans le circuit comprenant au moins un récepteur.
Attention : Un ampèremètre ne doit jamais être placé directement aux bornes du générateur sous peine de provoquer un court-circuit qui détériorerait l’appareil. Un ampèremètre doit toujours être branché de telle façon que le courant sorte par la borne marquée COM (vers la borne – du générateur).
Symboles dans les circuits
Pour représenter des circuits électriques on utilise des symboles normalisés :
Un circuit électrique peut être décomposé en une ou plusieurs « boucles » appelées mailles. Dans le circuit ci-dessus il y a deux mailles :
- Celle contenant le générateur, la résistance R1 et la résistance R3
- Celle contenant le générateur, la résistance R2 et la résistance R3
On notera que le sens conventionnel du courant va de la borne positive à la borne négative de la pile.
Relations entre les intensités : loi des nœuds
Lorsqu’il y a une bifurcation (fils qui se rejoignent) dans un circuit, on parle de nœud.
Les électrons se déplacent dans les conducteurs sans s’arrêter ni s’accumuler. Arrivé à un nœud, une partie des électrons traverse la résistance R1 (I1), tandis que l’autre partie traverse la résistance R2 (I2). Tous les électrons circulent à nouveau dans la branche principale(I).
Dans l’expérience : I = I1 +I2
L’intensité dans le circuit principale est égale à la somme des intensités des courants dérivés : c’est la loi des nœuds.
Relations entre les tensions : loi des mailles
La somme des tensions des dipôles dans une maille est égale à 0V.
Dans l’exemple du circuit ci-dessus il y a deux mailles, donc :
UG + UR1 + UR3 =0 donc UG = -UR1 – UR3
Et
UG = UR1 + UR2 =0 donc UG = – UR1 – UR2
Les signes négatifs expliquent le sens des flèches sur le schéma. On constate également ici que UR2=UR3, relation que vous avez vu au collège.
Caractéristiques d’un dipôle
Lorsqu’on mesure simultanément la tension aux bornes d’un dipôle et l’intensité du courant qui le traverse, on peut tracer une courbe de l’intensité en fonction de la tension : I = f(U) que l’on nomme caractéristique du dipôle.
Voici les caractéristiques de quelques dipôles :
La “résistance” ou résistor
La “résistance” électrique est le nom commun du conducteur ohmique. C’est un composant très utilisé dans les circuits électriques et électroniques.
Un conducteur ohmique consomme de l’énergie (il chauffe). Dans ce circuit, la présence de la résistance permet de diminuer l’intensité du courant dans le circuit. Il n’a pas de sens de branchement particulier : c’est un dipôles symétrique.
Plus la valeur de la résistance est grande, plus l’intensité est faible. Mais l’emplacement de la résistance dans le circuit ne change pas l’intensité du courant.
Déterminer la valeur d’une “résistance”
Il existe trois moyens principaux de déterminer la résistance d’un conducteur ohmique :
- Le code des couleurs.
- La mesure à l’ohmmètre : il mesure directement la valeur de la résistance si il est branché aux bornes de celle-ci.
- Déterminer la pente de la caractéristique du résistor
La valeur de la résistance d’un fil dépend du matériau employé, de sa longueur et de son diamètre.
La loi d’ohm
En utilisant un générateur dont la tension est ajustable, il est possible d’étudier la variation de la tension aux bornes d’une résistance selon l’intensité du courant qui la traverse.
On remarque que lorsque la valeur des résistances change, l’intensité est modifiée : il y a une relation entre la résistance, la tension et l’intensité. Pour chaque valeur de l a tension U, l’intensité de I est telle que le rapport U/I est pratiquement constant. Cette constante est appelée résistance électrique et est notée R. Son unité est l’ohm (Ω).
Lorsqu’un courant d’intensité I traverse un conducteur ohmique de résistance R, la tension à ses bornes est donnée par :
U = R × I
U est la tension aux bornes du résistor en volt, R est la résistance en ohm (Ω) et I est l’intensité du courant qui traverse le résistor en Ampère (A).
Microcontrôleurs et capteurs
Un capteur est un dispositif qui va convertir une valeur physique (pression, température, accélération, luminosité…) en grandeur physique mesurable (généralement une variation de tension) afin qu’elle puisse être exploitée dans un programme, pour tracer une courbe ou pour agir en conséquence (monter le chauffage s’il fait trop froid par exemple).
Un microcontrôleur est un dispositif électronique intégré qui peut fonctionner de façon autonome (avec une alimentation électrique) afin d’interpréter les valeurs de ses capteurs et d’actionner des interrupteurs ou des moteurs en fonction de sa programmation.