Électricité : comment caractériser et exploiter un signal électrique ?

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Le matériel électrique et les symboles

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(*) suivant branchement

Le circuit électrique

A) Le schéma électrique

Le schéma électrique permet de normaliser le montage avec des symboles basés sur des conventions.

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Montage électrique et son schéma correspondant

B) Montage en série, montage en parallèle

Il existe deux montages possibles avec deux dipôles :

le montage « série », dans lequel les dipôles sont branchés l’un après l’autre,

le montage « parallèle » ou « dérivation », dans lequel les dipôles sont montés borne sur borne.

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Montage en série

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Montage en parallèle

C) Grandeurs, unités et symboles

Les principales grandeurs électriques utilisées jusqu’à présent sont :

la tension, dont l’unité est le volt, de symbole V ;

l’intensité du courant électrique, dont l’unité est l’ampère, de symbole A ;

la puissance, dont l’unité est le watt, de symbole W ;

la fréquence, dont l’unité est le hertz, de symbole Hz.

Le courant et la tension

A) Les mesures

a) La tension

Elle se note U et son unité est le volt (V).

Elle se mesure avec un voltmètre, branché en parallèle (ou dérivation) aux bornes du dipôle.

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Dessin et schéma d’un montage avec voltmètre

b) L’intensité du courant

Elle se note I et son unité est l’ampère (A).

Elle se mesure avec un ampèremètre, branché en série.

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Dessin et schéma d’un montage avec ampèremètre

B) Les lois

a) La loi d’addivité des tensions

Pour des dipôles branchés en série, les tensions s’ajoutent.

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b) La loi des mailles

Définition

Une maille est un chemin fermé dans un circuit électrique.

La somme des tensions (orientées) le long d’une maille est nulle :

–E + U1 +U2 +U3 = 0.

La tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions aux bornes des autres dipôles :

E = U1 +U2 +U3.

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Remarque

Des dipôles montés en dérivation (parallèle) sont soumis à la même tension U :

E = U1 = U2 = U.

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c) La loi des nœuds

Définition

Un nœud est un point de connexion qui relie au moins trois conducteurs.

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Dans un montage en série, l’intensité I est la même en tout point du circuit.

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La somme des intensités des courants qui entrent par un nœud est égale à la somme des intensités des courants qui sortent du même nœud :

I1 + I3 = I2 + I4 + I5.

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Exemple

Dans le schéma ci-contre, on a :

– au nœud A : I = I1 + I2 ;

– au nœud B : I2 + I1 = I.

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La tension continue et la tension variable

A) Les différents types de tension

Définitions

Tension continue : la tension est toujours la même.

Tension variable : la tension varie en fonction du temps.

Il existe différentes sortes de tensions, dont on peut visualiser l’aspect à l’oscilloscope. Le tableau suivant décrit les types de tension que l’on peut observer.

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À savoir

En France, la tension est sinusoïdale de fréquence 50 Hz et de valeur efficace 230V.

B) La tension alternative sinusoïdale

Elle est caractérisée par (voir schéma ci-contre) :

sa période T (en rouge), exprimée en secondes (s) ou sa fréquence f, exprimé en hertz (Hz) ;

sa tension maximale Umax(en vert), appelée amplitude, ou sa valeur efficace Ueff, toutes deux exprimées en volt (V).

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Propriétés

f = 1T ; T = 1f .

Umax = 2 × Ueff ; Ueff = Umax2 ; UmaxUeff = 2.

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Remarque

La période est inversement proportionnelle à la fréquence : si la période augment, la fréquence diminue, et inversement.

T1 > T2f1 < f2.

C) Les mesures

Les appareils utilisés pour les mesures en électricité sont généralement le multimètre (qui fait à la fois voltmètre, ampèremètre, etc.) et l’oscilloscope. Chaque appareil possède ses avantages et ses inconvénients (précision, aperçu).

Le schéma suivant résume les façons dont on peut calculer les grandeurs électriques à partir des mesures faites à l’oscilloscope et au voltmètre.

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La relation entre la tension et l'intensité

A) Les capteurs

Un capteur est un transducteur. Il transforme une grandeur physique Ve en une autre Vs. Le schéma d’un transducteur est donné ci-contre.

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Exemples

De nombreux capteurs existent dans la vie courante : le thermomètre, le haut-parleur, le détecteur de luminosité, le microphone, le baromètre, l’anémomètre, etc.

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Un capteur électrique résistif est un capteur dont la résistance dépend de la grandeur physique d’entrée.

B La caractéristique d’un dipôle

On appelle caractéristique courant-tension d’un dipôle la courbe représentative de la tension U en fonction de l’intensité du courant I qui le traverse. U = f(I).

Chaque dipôle possède une courbe spécifique, qui le « caractérise » :

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Cas particulier : si la caractéristique est une droite passant par l’origine du repère, alors les grandeurs U et I sont proportionnelles et le coefficient de proportionnalité, appelé R, est la résistance du dipôle, exprimée en Ω.

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À savoir

Loi d’Ohm :

U = R × I.