Applications techniques - Physique-Chimie Seconde
Introduction
Découvrez les applications concrètes de la loi d'Ohm et des résistances
Diviseur de tension
Principe fondamental
Un diviseur de tension permet d'obtenir une tension inférieure à la tension d'entrée en utilisant deux résistances en série.
Exemple de diviseur de tension
Application numérique
Un diviseur de tension est constitué de R₁ = 10 Ω et R₂ = 30 Ω. La tension d'entrée est Uₑ = 12 V. Calculer la tension de sortie Uₛ.
- R₁ = 10 Ω
- R₂ = 30 Ω
- Uₑ = 12 V
- Uₛ = ?
2 Us = 12 × (30 / (10 + 30))
3 Us = 12 × (30 / 40)
4 Us = 12 × 0.75 = 9 V
5 La tension de sortie est de 9 volts.
Pont de Wheatstone
Mesure de précision
Le pont de Wheatstone est un circuit électrique utilisé pour mesurer des résistances inconnues avec précision.
Il est constitué de quatre résistances disposées en pont, avec un galvanomètre entre deux points.
Le pont est équilibré quand le galvanomètre indique zéro. Alors :
Soit : Rₓ = (R₂ × R₃) / R₁
Capteurs de température
CTN et CTP
La résistance d'un CTN diminue avec l'augmentation de la température.
Utilisé dans les thermistances et certains capteurs de température.
La résistance d'un CTP augmente avec l'augmentation de la température.
Utilisé dans les sondes PT100 et autres capteurs de précision.
Résistances chauffantes
Effet Joule
Lorsqu'un courant traverse une résistance, de l'énergie électrique est convertie en chaleur.
La puissance dissipée par effet Joule est : P = R × I² = U²/R = U × I
- 1 Radiateurs électriques
- 2 Plaques de cuisson
- 3 Bouilloires électriques
- 4 Sèche-cheveux
- 5 Fer à repasser
Protection par fusible
Sécurité électrique
Un fusible est un dispositif de protection qui contient un fil conducteur fragile.
En cas de surintensité, le fil fond et coupe le circuit.
Cela protège les installations électriques contre les surcharges.
Le fusible doit supporter le courant nominal du circuit.
Il doit fondre avant que les composants soient endommagés.
Les valeurs courantes sont : 5A, 10A, 16A, 20A, 25A, 32A.
Variateur de luminosité
Potentiomètre
Un potentiomètre est une résistance variable utilisée comme diviseur de tension.
En tournant le bouton, on change la position du curseur et donc la tension de sortie.
- 1 Variateurs de lumière
- 2 Contrôle du volume audio
- 3 Commande de moteurs
- 4 Interfaces humaines
Exercice complexe
Problème complet
Un circuit est constitué d'une source de tension continue de 24 V, d'une résistance R₁ = 12 Ω en série avec un diviseur de tension composé de R₂ = 8 Ω et R₃ = 16 Ω. Calculer :
1. La tension aux bornes de R₁
2. La tension de sortie du diviseur de tension
3. L'intensité du courant dans le circuit
Solution de l'exercice
Correction détaillée
Le circuit est constitué de R₁ en série avec un diviseur de tension (R₂//R₃).
On commence par analyser le diviseur de tension R₂ et R₃.
2 Pour le moment, supposons que la tension d'entrée du diviseur est Ud
3 Us = Ud × (R₃ / (R₂ + R₃)) = Ud × (16 / (8 + 16)) = Ud × (16/24) = Ud × (2/3)
2 Le diviseur R₂ et R₃ est en série avec R₁
3 Tension totale = UR1 + Udiviseur = 24 V
4 Udiviseur = UR2 + UR3
Suite de la solution
Calculs détaillés
Le diviseur R₂ et R₃ est en série : Rdiv = R₂ + R₃ = 8 + 16 = 24 Ω
La résistance totale du circuit est : Rt = R₁ + Rdiv = 12 + 24 = 36 Ω
2 Ou Us = Udiviseur × (R₃ / (R₂ + R₃)) = 16 × (16/24) = 32/3 V
Capteurs de lumière
Photorésistances
Une photorésistance est un composant dont la résistance varie en fonction de la lumière reçue.
Son résistance diminue avec l'intensité lumineuse (effet inverse d'un CTN).
- 1 Éclairage automatique extérieur
- 2 Détecteurs de passage
- 3 Systèmes d'alarme
- 4 Automatisation domestique
Amplificateurs opérationnels
Montages amplificateurs
Un amplificateur opérationnel peut être configuré pour amplifier un signal.
Le gain est déterminé par le rapport des résistances : G = -R₂/R₁
- 1 Amplification de signaux faibles
- 2 Filtrage actif
- 3 Comparateurs
- 4 Intégrateurs et dérivateurs
Stabilisation de tension
Régulateurs de tension
Les résistances sont utilisées dans les circuits de régulation de tension.
Elles permettent de fixer des tensions de référence et de limiter les courants.
La diode Zener maintient une tension constante à ses bornes.
La résistance limite le courant pour protéger la diode.
Le montage fournit une tension stable malgré les variations d'entrée.
Exercice de synthèse
Application complète
Un circuit d'éclairage automatique utilise une photorésistance (LDR) dans un diviseur de tension avec une résistance fixe R = 10 kΩ. La source de tension est de 12 V. La photorésistance a une résistance de 100 Ω en lumière et 1 MΩ à l'obscurité. Calculer :
1. La tension de sortie en lumière
2. La tension de sortie à l'obscurité
3. Expliquer comment ce circuit peut commander un relais pour allumer une lampe
Solution de l'exercice de synthèse
Correction détaillée
R = 10 kΩ = 10 000 Ω, R_LDR = 100 Ω, U_source = 12 V
2 U_sortie = 12 × (100 / (10000 + 100))
3 U_sortie = 12 × (100 / 10100) = 12 × (1/101) ≈ 0.12 V
R = 10 kΩ = 10 000 Ω, R_LDR = 1 MΩ = 1 000 000 Ω, U_source = 12 V
2 U_sortie = 12 × (1000000 / (10000 + 1000000))
3 U_sortie = 12 × (1000000 / 1010000) ≈ 12 × 0.99 = 11.88 V
On peut utiliser un comparateur de tension (amplificateur opérationnel) pour comparer la tension de sortie du diviseur avec une tension de seuil (par exemple 6 V).
Si la tension est inférieure au seuil (obscurité), le comparateur active le relais.
Si la tension est supérieure au seuil (lumière), le comparateur désactive le relais.
Erreurs fréquentes à éviter
Pièges à éviter
Ne pas confondre la tension de sortie avec la tension aux bornes d'une seule résistance.
La formule Us = Ue × (R₂ / (R₁ + R₂)) ne s'applique que si aucune charge n'est connectée.
- 1 La loi d'Ohm ne s'applique qu'aux conducteurs ohmiques
- 2 Ne pas l'appliquer aux composants non-ohmiques
- 3 Considérer la température pour les mesures précises
Attention aux unités : 1 kΩ = 1000 Ω, 1 MΩ = 1 000 000 Ω.
Assurez-vous que les températures sont en degrés Celsius.
Ne pas oublier que ΔT = T - T₀ (différence de température).
Résumé
Points clés
Us = Ue × (R₂ / (R₁ + R₂))
Permet d'obtenir une tension inférieure à la tension d'entrée.
R₁/R₂ = R₃/Rₓ
Permet de mesurer des résistances inconnues avec précision.
P = R × I² = U²/R = U × I
Conversion d'énergie électrique en chaleur.
- CTN : résistance diminue avec la température
- CTP : résistance augmente avec la température
- Phot Résistances : résistance diminue avec la lumière
Conclusion
Félicitations !
Continuez à pratiquer pour renforcer vos compétences en électricité