Signaux et circuits électriques complexes : les capteurs

Préambule : avant d'attaquer cette fiche de révision, il est fortement conseillé de relire les fiches du collège (5^e, 4^e et 3^e) suivantes :

• Le circuit électrique ;

• Circuit électrique en série ;

• Circuit électrique en dérivation ;

• La tension électrique dans un circuit ;

• Intensité du courant électrique ;

• La résistance électrique dans un circuit ;

• Puissance et énergie : calcul d'une consommation d'énergie électrique courante.

I. Circuit électrique complexe : quelques rappels

1. Définitions

• Un circuit électrique est un ensemble de composants électriques (ou électroniques), reliés entre eux par des fils électriques et parcourus par un courant électrique.

• Il est constitué :

  $\circ\quad$ d'un ou plusieurs générateur(s) ($G$) ;

  $\circ\quad$ d'un ou plusieurs récepteur(s) ($D$) ;

  $\circ\quad$ de nœuds ou non (= intersections entre au moins $3$ fils électriques, qui sont également appelées branches) ;

  $\circ\quad$ de branches ou non (= composants électriques contenus entre $2$ nœuds) ;

  $\circ\quad$ d'une ou plusieurs maille(s) (= ensemble des branches parcourues, en partant d'un nœud et en y revenant : c'est donc une boucle fermée).

• Illustration dans un circuit au repos :

• Un circuit électrique est dit complexe lorsqu'il contient plusieurs mailles, avec plusieurs récepteurs et au moins un générateur.

2. Intensité du courant et loi des nœuds

• Définition :

  L'intensité du courant $I$ qui circule dans un conducteur est égale à la valeur absolue de la charge électrique qui traverse, par unité de temps, une section du circuit électrique.

  $\circ\quad$ Mesure : l'intensité d'un courant électrique traversant un dipôle se mesure à l'aide d'un ampèremètre monté en série.

  $\circ\quad$ Unité : elle s'exprime en ampères ($A$).

• Sens conventionnel du courant : le courant électrique circule dans le circuit de la borne positive vers la borne négative du générateur.

• Remarque : les dipôles d'une même branche du circuit électrique sont traversés par un courant électrique de même intensité.

• Loi des nœuds :

  Dans un circuit électrique, la somme algébrique des intensités des courants entrant $E$ dans un nœud est égale à la somme des intensités qui en sortent $S$. Autrement écrit :

$\boxed{\sum_E I_E = \sum_S I_S}$

$\Longleftrightarrow I_{E_1} + I_{E_2} + ... = I_{S_1} + I_{S_2} + ...$

3. Tension électrique et loi des mailles

• Définition :

  La tension électrique $U_{AB}$ entre deux points $A$ et $B$ d'un circuit électrique est égale à la différence de potentiel électrique qui existe entre ces deux points.

  $\circ\quad$ Mesure : la tension électrique entre deux points A et B se mesure à l'aide d'un voltmètre branché en dérivation.

  $\circ\quad$ Unité : elle s'exprime en volts ($V$).

• Sens conventionnel du courant :

• Remarque : la tension aux bornes d'un fil de connexion est quasi nulle.

• Loi des mailles :

  Dans un circuit électrique, la somme algébrique des tensions électriques dans une maille (= une boucle fermée) est nulle. Autrement écrit :

$\boxed{\sum_{maille} U_{AB_{maille}} = 0}$

$\Longleftrightarrow U_{AB_1} + U_{AB_2} + ... = 0$

II. Composants d'un circuit électrique complexe : les dipôles

1. Définition

• Un dipôle est un système électrique relié à l'extérieur par deux bornes.

  Son état électrique est caractérisé par la différence de potentiel (= tension) à ses bornes et l'intensité du courant qui le traverse.

• Pratiquement, un récepteur est un dipôle qui, hors circuit, ne présente aucune tension à ses bornes.

• Il existe deux principaux types de dipôles :

  $\circ\quad$ Un récepteur est un convertisseur d'énergie qui consomme de l'énergie électrique et la transforme en une ou plusieurs autres formes d'énergies (mécanique, thermique, chimique, etc.) ;

  $\circ\quad$ Un générateur est un convertisseur d'énergie qui transforme en énergie électrique une autre forme d'énergie.

2. Caractéristique courant-tension d'un dipôle

• Définition :

  Il s'agit de la représentation graphique de la tension $U_{AB}$ aux bornes d'un dipôle en fonction de l'intensité $I$ du courant qui le traverse : c'est la courbe qui caractérise le fonctionnement du dipôle.

• Exemple de courbe caractéristique d'un récepteur :

• Point de fonctionnement :

  $\circ\quad$ Inséré dans un circuit, le dipôle est traversé par un courant électrique d'intensité $I_P$ et la tension entre ses bornes prend la valeur $U_P$ ;

  $\circ\quad$ Le point $P$ de coordonnées ($I_P$ ; $U_P$) sur la caractéristique est appelé point de fonctionnement du dipôle.

3. Cas particulier : le dipôle ohmique (ou résistor)

• Le dipôle ohmique (ou résistor) est caractérisé par une relation de proportionnalité entre l'intensité du courant $I$ qui le traverse et la tension entre ses bornes.

  Le coefficient de proportionnalité est appelé résistance $R$ du dipôle ohmique.

• Loi d'Ohm :

  C'est la loi qui régit $U_{AB}$, la tension aux bornes du dipôle ohmique, avec $I$, l'intensité qui le traverse est :

  $\boxed{U_{AB} = R \times I}$

• Unités :

  $\circ\quad$ $U_{AB}$ en $V$ ;

  $\circ\quad$ $I$ en $A$ ;

  $\circ\quad$ $R$ en ohms ($\Omega$).

• Courbe caractéristique d'un dipôle ohmique : c'est une droite passant par l'origine, dont le coefficient directeur (ou pente) est égal à sa résistance $R$.

• Remarque : plus un dipôle ohmique a une résistance élevée et plus il s'oppose au passage du courant.

III. Un exemple de circuit complexe : les capteurs électriques

1. Définition

• Un capteur électrique est un dispositif dont la fonction est de transformer une grandeur physique observée dans un procédé (débit, pression, température, etc.) en un signal électrique utilisable.

• Un capteur se distingue d'un instrument de mesure (voltmètre, ampèremètre, etc.) dans la mesure où il ne s'agit que d'une simple interface entre un processus physique et une information manipulable (= signal électrique).

• Par opposition, un instrument de mesure est un appareil autonome qui se suffit à lui-même : il dispose d'un affichage et/ou d'un système de stockage des données alors que le capteur en est dépourvu.

2. Acquisition et traitement d'un signal électrique

• Propriété :

  À la différence d'un instrument de mesure, un capteur doit donc être obligatoirement associé à un système d'acquisition et de traitement du signal électrique, permettant de mesurer la grandeur et de commander un autre dispositif en conséquence.

• Schéma de principe :

$\Rightarrow$ En ce sens, c'est un circuit électrique complexe.

3. Utilisation dans la vie quotidienne

• La plupart des objets utilisés dans la vie quotidienne contiennent bon nombre de capteurs permettant d'effectuer des mesures et de communiquer avec l'environnement.

• Exemples :

  $\circ\quad$ Les électroménagers (réfrigérateur, machine à laver le linge, etc.) ;

  $\circ\quad$ Les smartphones ;

  $\circ\quad$ Les tablettes ;

  $\circ\quad$ Etc.

4. Utilisation dans l'industrie

• La plupart des procédés industriels contiennent également de multiples capteurs permettant d'effectuer des mesures et de communiquer avec l'environnement.

• Exemple : chaudière nucléaire d'un réacteur à eau pressurisée d'EDF

  Pour entretenir, en toute sûreté, des réactions de fissions nucléaires dans la chaudière d'un réacteur, il est nécessaire d'effectuer plusieurs mesures et de les communiquer aux systèmes automatiques de régulation, ainsi qu'à l'opérateur en salle de commande :

  $\circ\quad$ Mesure du flux neutronique (permettant de suivre l'évolution des réactions de fission en chaîne s'opérant dans la chaudière) ;

  $\circ\quad$ Mesure du débit d'eau circulant dans la chaudière (pour assurer son refroidissement) ;

  $\circ\quad$ Mesure de la température moyenne dans la chaudière ;

  $\circ\quad$ Mesure de la pression maintenue dans la chaudière (pour faire en sorte que l'eau reste à l'état liquide) ;

  $\circ\quad$ Etc.

5. Capteurs électriques résistifs

• Définition :

  Un capteur résistif est un composant électrique dont la résistance varie avec une grandeur physique : température, pression, etc.

  $\Rightarrow$ Ainsi, pour mesurer indirectement la grandeur physique recherchée à l'aide d'un capteur résistif, il faut nécessairement avoir tracé au préalable une courbe d'étalonnage.

_{= Merci à gbm pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}