Mesures Physiques et Informatique, MPI, Physique

Mesures Physiques et Informatique, MPI, Physique analogique, électricité,
électronique
Page modifiée le 17 / 3 / 2003
Contenu : Tension électrique, visualisation d'une tension à l'oscilloscope, intensité d'un courant électrique,
conducteurs ohmiques, amplificateur intégré linéaire, montage suiveur, montage comparateur,
application du comparateur, montage amplificateur, montage amplificateur différentiel
1 La tension électrique
// Note : Cette page donne une idée des notions que les élèves devront avoir assimilé, à la fin
de l'année, mais elle ne doit pas constituer un cours magistral, à traiter in extenso, avant toute
manipulation ou expérimentation, ce qui serait contraire à l'esprit du programme.
1.1. Notion de tension
La tension caractérise une dissymétrie entre deux conducteurs.
L'existence d'une tension entre deux conducteurs peut provoquer un déplacement de porteurs
de charges de l'un vers l'autre.
Un courant ne peut traverser un dipôle passif que s'il existe une tension ou différence de
potentiel (D.D.P.) entre ses bornes.
1.2. Unité
L'unité de tension est le volt, symbole V.
// Remarquez que volt est un nom commun qui commence par une minuscule et s'accorde au
pluriel, V est un symbole qui ne doit pas s'accorder, car le symbole s représente la seconde.
On doit donc écrire :
Deux volts, ou 2 V.
Petit historique de l'invention de la pile électrique par Volta
Cette découverte, fortuite, peut se résumer en foudre, Franklin, Galvani, Volta :
Dans toutes les religions antiques, la foudre est l'arme divine. Vers 1600, des scientifiques lui
cherchent une explication naturelle. A quoi est donc dû l'échauffement provoqué par un éclair
? Descartes propose de retenir la compression de l'air entre deux nuages, Boerhaave suggère
la présence dans les nuages de petits glaçons jouant le rôle de loupe et concentrant les rayons
du Soleil sur les exhalaisons soufrées et huileuses de la Terre. Aucun rapport n'est établi entre
l'éclair et les étincelles données par la machine électrostatique de Guericke. La découverte de
la bouteille de Leyde, ancêtre du condensateur, qui rend les étincelles moins nombreuses,
mais plus spectaculaires, rend plus évidente l'analogie (voir la machine de Whimshurst de
votre lycée).
Les tentatives de détermination du signe de l'électricité aérienne se multiplient, employant des
cerfs-volants retenus par un fil de chanvre humide, ou un fil de cuivre entourant la corde du
cerf-volant. En 1760, inspiré par ces recherches, Franklin met au point la paratonnerre.

Galvani est surtout physiologiste. En 1780, il étudie les nerfs de la cuisse d'une demi
grenouille, à côté de son assistant qui poursuit des travaux sur une machine électrostatique.
Au moment où le scalpel touche un nerf, une décharge se produit et les pattes se contractent
violemment. Galvani, persuadé comme beaucoup d'une parenté entre fluide électrique et
fluide nerveux, approfondit ses recherches ; il remplace son scalpel par d'autres objets et varie
les sources d'électricité, employant finalement une pointe en fer plantée sur le toit de sa
maison, reliée à un crochet en cuivre sur lequel est embrochée une demi grenouille. A chaque
éclair d'un orage, les cuisses de grenouilles se contractent.
Notez que cela fait beaucoup penser aux expériences du légendaire docteur Frankenstein.
Un jour, Galvani suspend son crochet de cuivre avec demi grenouille à son balcon en fer. Et
là, alors qu'il fait grand beau temps, les cuisses se contractent. Il renouvelle ses expériences
pendant cinq ans, remarque que l'effet est maximum quand les deux métaux en contact avec
l'animal sont différents. Il trouve cependant une explication fausse, une soi-disant électricité
animale.
Volta propose une explication tout aussi fausse, l'électricité métallique. En 1800, il empile des
couples argent zinc, séparés par un morceau de toile imbibée d'eau salée : argent, zinc, toile
mouillée, argent... , argent, zinc. Le montage est incorrect, mais il fonctionne. Il va permettre
le développement des recherches sur le courant électrique.
En 1805, le peintre David réalise une toile représentant Napoléon, offrant une pile électrique à
l'école Polytechnique. Preuve de l'extrême importance de cette invention, pour les
scientifiques.
1.3. Quelques ordres de grandeurs
Par temps d'orage, entre nuages et Terre : 10 millions de volts,
lignes à haute tension, entre deux câbles : 540 000 V (un rang d'isolateurs en verre correspond
à 10 000 V),
entre phase et neutre d'une installation domestique, tension maximale : 310 V.
1.4. La tension, grandeur algébrique
Mesurez, à l'aide d'un voltmètre numérique, la tension délivrée par votre générateur ;
branchez ensuite le voltmètre dans l'autre sens. Quelle est votre conclusion ?
UNP = - UPN
Relevez votre résultat positif et celui des autres groupes. Ces résultats sont-ils égaux ?
Trouvez une explication à cette fluctuation et proposez une expérience confirmant votre
explication.
// Réponse :
Dans une classe, nous avons mesuré le + 15 V d'une alimentation Jeulin - 15, + 15 V, à l'aide
d'une série d'excellents voltmètres. Le professeur peut laisser les élèves en totale autonomie,
puisque ces alimentations sont limitées en courant de sortie à 100 ou 200 mA.
Voici les résultats obtenus :
14,80 - 14,98 - 15,21 - 15,05 - 14,84 - 14,69 - 15,12 et 14,89 V
Les élèves proposent plusieurs explications, mais ne vont pas directement aux causes
essentielles. Ils évoquent (parfois avec l'aide du professeur) :

 Les parasites électriques,
 la mauvaise qualité des fils de connexion,
 la qualité des appareils de mesure,
 les tolérances de fabrication des alimentations électroniques.
Certains élèves proposent de faire la moyenne des résultats. Bonne initiative, mais ici, ce
traitement mathématique n'apporte rien.
Les parasites doivent provoquer des variations des résultats successifs obtenus par un groupe
(avec la même alimentation et le même voltmètre) ; il en est de même pour une mauvaise
qualité des fils ; il faut mesurer la tension d'une alimentation, avec tous les voltmètres, pour
tester les voltmètres.
1.5. Représentation de la tension
On représente une tension entre deux points par une flèche.
Attention ! Le sens de cette flèche est contraire aux notations vectorielles.
Attention ! Cette flèche sur un schéma, n'est pas un fil électrique, erreur courante des élèves
en travaux pratiques (cela provoquerait un court-circuit).
1.6. Tension, potentiel, masse
La tension UAB entre les deux bornes A et B est égale à la différence des potentiels de ces
bornes, VA et VB.
UAB = VA - VB.
// Attention, cette relation fait penser à la relation de Chasles, mais avec des signes opposés.
Il n'est pas facile, à ce niveau du programme d'expliquer la différence entre tension (ou
différence de potentiel) et potentiel, car la définition du potentiel est énergétique. Essayons
avec un exemple :
Vous disposez d'une pile plate de 4,5 V. Pouvez-vous raccorder l'une de ses bornes à une
entrée d'un ordinateur qui fonctionne entre 0 et 5 V ?
Réponse : Non ! Cela provoquera au mieux un blocage de l'ordinateur, au pire la destruction
de composants.
La raison est la suivante : Entre les bornes de la pile, il existe bien une différence de potentiel
de 4,5 V ; mais si vous tenez la pile à la main et si vous vous trouvez sur une moquette qui
vient d'être frottée (nettoyage, passage...), il se peut que l'une des bornes de la pile soit au
potentiel 1000 V et l'autre au potentiel 1004,5 V. Lors du branchement, un courant électrique
va circuler, avec de graves conséquences pour l'ordinateur. Voyez quelques lignes plus loin,
comment il faut procéder, pour éviter ces ennuis. C'est pour cette raison, qu'il est nettement
préférable de commencer les branchements dans un circuit, par la masse (fils noirs).

Dans un montage électrique, on choisit souvent un potentiel de référence. Par convention, on
lui attribue la valeur 0. C'est la masse du montage.
Avant d'intervenir à l'intérieur d'un ordinateur, il faut :
 Débrancher celui-ci du secteur (couper l'interrupteur ne suffit pas),
 toucher soi-même la masse de l'ordinateur et la terre, pour se décharger de l'éventuelle
électricité statique, et se retrouver au même potentiel que les composants électroniques
(qu'il faut de toutes façons éviter de toucher, en prenant les cartes par la tranche).
1.7. Mesure d'une tension avec un voltmètre
Pour mesurer la tension UAB entre les points A et B, on branche le voltmètre en dérivation
entre A et B, la borne + sur A.
Sur un schéma, une flèche de tension représente un voltmètre branché et pas un court-circuit
par un fil.
// Note : C'est une erreur courante chez certains élèves, au début.
Un voltmètre se branche une fois le circuit réalisé.
Le calibre représente la tension maximale que le voltmètre peut mesurer.
Un bon voltmètre est traversé par un courant d'intensité très faible.
1.8. Propriétés des tensions électriques
1.8.1. Quelques résultats
Réalisez un circuit comprenant un générateur (Jeulin -15, +15 V), un interrupteur et une
lampe (ou un conducteur ohmique).
Complétez le tableau suivant :
Interrupteur ouvert
Interrupteur fermé
Tension aux bornes du générateur : UAD =
Tension aux bornes de la lampe : UBC =
Tension aux bornes de l'interrupteur : UAB =
Tension aux bornes du fil : UDC =
Imaginez que ce montage serve à éclairer l'entrée d'un appartement. Comment pourriez-vous
brancher une lampe au néon, pour qu'elle indique la position de l'interrupteur dans le noir ?
Quels problèmes semble poser ce montage ?
// Réponse : La lampe au néon peut être branchée entre les bornes de l'interrupteur ; elle
brillera lorsque le circuit est ouvert (éclairage éteint) et s'éteindra à l'allumage de l'éclairage.
Deux problèmes semblent se poser : Le circuit est toujours fermé, par l'interrupteur, ou par la
lampe au néon. Oui, mais l'intensité traversant la lampe au néon est extrêmement faible. La
lampe au néon est alimentée à travers la lampe ordinaire. Oui, mais la résistance de cette
dernière est beaucoup plus faible que celle de la lampe au néon.

Exercice : Imaginez le branchement d'un relais alimentant les phares anti brouillard d'une
automobile, pour que ces phares s'éteignent automatiquement quand les feux de croisement
sont allumés. // Note : Ce type de branchement est interdit par le code de la route (Ce qui fait
qu'il arrive souvent de croiser des véhicules, dont seuls les antibrouillards sont allumés, sans
que leur conducteur s'en aperçoive !).
1.8.2. Circuit série
Réalisez un circuit comprenant un générateur (Jeulin -15, +15 V), et deux lampes (ou
conducteurs ohmiques).
Complétez le tableau suivant :
UAB =
UBC =
UAC =
Conclusion : UAC = UAB + UBC
Cette relation nous rappelle la relation de Chasles.
Ce montage est un diviseur de tension.
// Il partage une tension en deux valeurs dont la somme est égale à la tension totale.
1.8.3. Circuit parallèle
UAB =
UCD =
Conclusion : UAB = UCD
1.9. Mesure d'une tension (continue, constante) à l'aide d'un oscilloscope
 Mettez l'oscilloscope en marche,
 réglez le spot,
 sélectionnez l'entrée YA,
 réglez le 0 de cette entrée,
 placez l'entrée sur DC (entrée directe, symbolisée parfois par ~_, laisse passer
l'alternatif et le continu),
 choisissez le calibre, vérifiez qu'il n'est pas décalibré (sur certains oscilloscopes, le
décalibrage s'accompagne de l'allumage d'un témoin rouge qui signifie attention, vos
mesures seront fausses),
 mesurez les tensions délivrées par l'alimentation électronique.
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