Chapitre 13 – Signaux et capteurs

Thème 3 : Ondes et signaux | Physique-Chimie | Seconde générale et technologique

Dernière mise à jour : 22 juin 2026, 16:30

Objectifs du chapitre :

Citer les unités et mesurer une tension \(U\) et une intensité \(I\) dans un circuit ;
Reconnaître un conducteur ohmique et exploiter la loi d'Ohm \(U=R\times I\) sous ses trois formes ;
Tracer et lire une caractéristique \(U=f(I)\), en déduire la résistance ;
Comprendre le principe d'un capteur électrique et exploiter une courbe d'étalonnage.

Situation d'introduction

Un thermomètre électronique affiche la température au dixième de degré ; un lampadaire s'allume tout seul à la tombée de la nuit ; un smartphone réduit la luminosité de l'écran dans le noir. Tous ces appareils transforment une grandeur physique — température, luminosité — en signal électrique grâce à des composants appelés capteurs. Pour comprendre comment, il faut d'abord savoir mesurer deux grandeurs électriques fondamentales, la tension et l'intensité, et connaître la loi qui les relie : la loi d'Ohm.

1. Tension et intensité dans un circuit

Définition L'intensité du courant \(I\) traduit le débit de charges électriques qui circulent dans un fil. Elle se mesure en ampères (A) avec un ampèremètre branché en série (le courant doit le traverser).
La tension \(U\) entre deux points traduit la « différence » électrique qui met les charges en mouvement. Elle se mesure en volts (V) avec un voltmètre branché en dérivation (en parallèle aux bornes du dipôle).

Sous-multiples utiles En électricité courante, les valeurs sont souvent petites : \(1\ \text{mA}=10^{-3}\ \text{A}\) ; \(1\ \text{mV}=10^{-3}\ \text{V}\) ; et pour les résistances \(1\ \text{k}\Omega=10^{3}\ \Omega\), \(1\ \text{M}\Omega=10^{6}\ \Omega\).

Méthode — Brancher les appareils de mesure

Pour mesurer l'intensité traversant un dipôle : ouvrir le circuit et insérer l'ampèremètre en série à cet endroit.
Pour mesurer la tension aux bornes d'un dipôle : ne rien débrancher, relier le voltmètre en dérivation directement sur les deux bornes.
Respecter les bornes (COM et la borne « V » ou « A ») et choisir un calibre adapté.

Mini-exercice 1. Convertir : \(35\ \text{mA}\) en ampères ; \(0{,}012\ \text{A}\) en milliampères ; \(4{,}7\ \text{k}\Omega\) en ohms.

\(35\ \text{mA}=0{,}035\ \text{A}\) ; \(0{,}012\ \text{A}=12\ \text{mA}\) ; \(4{,}7\ \text{k}\Omega=4\,700\ \Omega\).

2. La loi d'Ohm

Définition Un conducteur ohmique (ou « résistance ») est un dipôle pour lequel la tension à ses bornes est proportionnelle à l'intensité qui le traverse. Sa valeur \(R\) s'exprime en ohms (Ω).

Loi d'Ohm Pour un conducteur ohmique :

\( U=R\times I \)

avec \(U\) en V, \(I\) en A, \(R\) en Ω. On en déduit les deux autres formes utiles :

\( I=\dfrac{U}{R} \qquad\text{et}\qquad R=\dfrac{U}{I} \)

Méthode — Choisir la bonne formule On connaît deux grandeurs sur trois, on cherche la troisième :

on cherche \(U\) → \(U=R\times I\) ;
on cherche \(I\) → \(I=\dfrac{U}{R}\) ;
on cherche \(R\) → \(R=\dfrac{U}{I}\).

Toujours convertir d'abord en unités de base (A, V, Ω) avant de calculer.

Exemple travaillé. Une résistance \(R=100\ \Omega\) est parcourue par \(I=0{,}05\ \text{A}\) : \(U=R\times I=100\times0{,}05=5{,}0\ \text{V}\). Inversement, sous \(U=11\ \text{V}\) avec \(R=220\ \Omega\) : \(I=\dfrac{U}{R}=\dfrac{11}{220}=0{,}050\ \text{A}=50\ \text{mA}\).

Mini-exercice 2. Sous 6,0 V, une résistance laisse passer 0,02 A. Quelle est sa valeur \(R\) ?

\(R=\dfrac{U}{I}=\dfrac{6{,}0}{0{,}02}=300\ \Omega\).

Caractéristique \(U=f(I)\)

Propriété La caractéristique d'un conducteur ohmique est le graphique de \(U\) en fonction de \(I\). C'est une droite passant par l'origine, dont la pente est égale à \(R\).

Méthode — Déterminer \(R\) à partir de la caractéristique

Lire les coordonnées d'un point bien placé de la droite, par exemple \((I\,;\,U)\).
Calculer la pente : \(R=\dfrac{U}{I}\) (le rapport est le même pour tous les points d'une droite par l'origine).

Exemple travaillé. Sur une caractéristique, le point \((I=0{,}040\ \text{A}\,;\,U=12\ \text{V})\) appartient à la droite. Alors \(R=\dfrac{U}{I}=\dfrac{12}{0{,}040}=300\ \Omega\).

Attention — domaine de validité La loi d'Ohm ne s'applique qu'aux conducteurs ohmiques. D'autres dipôles ne sont pas ohmiques : la caractéristique d'une lampe, par exemple, n'est pas une droite (le filament chauffe et sa résistance augmente). Pour ces dipôles, on ne peut pas écrire \(U=R\times I\) avec une valeur \(R\) unique.

Mini-exercice 3. Sur la caractéristique d'une résistance, on lit le point \((I=0{,}020\ \text{A}\,;\,U=5{,}0\ \text{V})\). Déterminer \(R\). La caractéristique passe-t-elle par l'origine ?

\(R=\dfrac{U}{I}=\dfrac{5{,}0}{0{,}020}=250\ \Omega\). Oui : pour un conducteur ohmique, quand \(I=0\) alors \(U=0\), la droite passe par l'origine.

3. Les capteurs électriques

Définition Un capteur est un composant dont une grandeur électrique — le plus souvent la résistance — dépend d'une grandeur physique :

thermistance (CTN) : sa résistance diminue quand la température augmente ;
photorésistance (LDR) : sa résistance diminue quand l'éclairement augmente.

Chaîne de mesure Exploiter un capteur revient à remonter la chaîne suivante :

grandeur physique \(\;\to\;\) résistance \(R\) du capteur \(\;\to\;\) mesure de \(U\) et \(I\) \(\;\to\;\) \(R=\dfrac{U}{I}\) \(\;\to\;\) courbe d'étalonnage \(\;\to\;\) valeur de la grandeur

La courbe d'étalonnage est tracée une fois pour toutes : elle donne la résistance du capteur en fonction de la grandeur à mesurer.

Méthode — Utiliser un capteur résistif

Mesurer la tension \(U\) aux bornes du capteur et l'intensité \(I\) qui le traverse.
Calculer sa résistance par la loi d'Ohm : \(R=\dfrac{U}{I}\).
Reporter cette valeur de \(R\) sur la courbe d'étalonnage et lire la grandeur physique correspondante.

Exemple travaillé. Aux bornes d'une thermistance CTN, on mesure \(U=4{,}0\ \text{V}\) et \(I=2{,}0\ \text{mA}=0{,}0020\ \text{A}\).
Résistance : \(R=\dfrac{U}{I}=\dfrac{4{,}0}{0{,}0020}=2\,000\ \Omega=2{,}0\ \text{k}\Omega\).
D'après la courbe d'étalonnage ci-dessus, \(R=2{,}0\ \text{k}\Omega\) correspond à une température \(T\approx 40\ \degree\text{C}\).

Mini-exercice 4. Une photorésistance (LDR) mesure \(R\approx 1\ \text{M}\Omega\) dans l'obscurité et \(R\approx 100\ \Omega\) en plein jour. Explique comment elle peut commander l'allumage automatique d'un lampadaire.

La nuit, l'éclairement est faible : la résistance de la LDR est très grande. Le jour, l'éclairement augmente : sa résistance chute fortement. Le circuit de commande détecte cette variation de résistance (donc de tension) et allume le lampadaire seulement quand la résistance dépasse un seuil, c'est-à-dire quand il fait nuit.

4. Applications

Autour de nous.

Thermomètre électronique (médical, four, frigo) : une thermistance CTN convertit la température en résistance, puis en affichage chiffré.
Détecteur de luminosité : une LDR commande l'éclairage public, l'allumage des phares ou la luminosité d'un écran.
Capteurs de l'automobile : température du moteur, niveau de carburant — souvent des résistances variables.

Erreurs fréquentes

❌ Brancher l'ampèremètre en dérivation → ✅ il se branche en série.
❌ Brancher le voltmètre en série → ✅ il se branche en dérivation.
❌ Calculer \(R=\dfrac{U}{I}\) sans convertir → ✅ passer d'abord les mA en A (ex. \(20\ \text{mA}=0{,}020\ \text{A}\)).
❌ Appliquer la loi d'Ohm à une lampe → ✅ elle n'est pas un conducteur ohmique.
❌ Confondre les deux capteurs → ✅ CTN = température, LDR = lumière (les deux voient leur résistance diminuer quand la grandeur augmente).

À retenir

Voltmètre en dérivation (mesure \(U\), en V) ; ampèremètre en série (mesure \(I\), en A).
Conversions : \(1\ \text{mA}=10^{-3}\ \text{A}\), \(1\ \text{k}\Omega=10^{3}\ \Omega\).
Loi d'Ohm (conducteur ohmique) : \(U=R\times I\), soit \(I=\dfrac{U}{R}\) et \(R=\dfrac{U}{I}\).
Caractéristique \(U=f(I)\) : droite par l'origine, de pente \(R\). Une lampe n'est pas ohmique.
Capteur : résistance dépendant d'une grandeur physique (CTN → température, LDR → lumière). On l'exploite avec la loi d'Ohm et une courbe d'étalonnage.