math

Cours

La pointe de la flèche-tension doit être toujours tournée vers
la 1ère lettre de la tension.

Le sens de la flèche-tension sert à interpréter le signe de la tension.
Il existe deux conventions : la convention récepteur et la convention
générateur.

Convention récepteur : lorsqu’un récepteur (dipôle AB) est Doc.21. Convention récepteur.
parcouru par un courant I allant de A vers B, la tension UAB est
positive. La flèche représentant UAB est orientée de B vers A. Elle
est alors dans le sens opposé à celui du courant (Doc.21).

Convention générateur : la tension UPN aux bornes d’un générateur
est positive si la flèche représentant cette tension est dans le sens
du courant (Doc.22).

2.3. Loi des mailles
En électricité, on appelle maille toute boucle fermée d’un circuit.

La somme algébrique des tensions rencontrées dans une maille Doc.22 Convention générateur.
est nulle.

C’est la loi des mailles énoncée par Gustav Kirchhoff en 1845. Doc.23. Exemple d’un schéma d’une portion
d’un circuit électrique ou le sens de parcours sur
Règle d’écriture de la loi des mailles : deux mailles est indiqué.

• on choisit un sens de parcours arbitraire de la maille et un point
de départ ;

• on affecte le signe + aux tensions dont la flèche indique le même
sens ;

• on affecte le signe - aux tensions dont la flèche indique le sens
contraire.

Exemple :

Pour la maille ABEFA : U1 – U5 – U6 = 0 V.
Pour la maille BCDEB : U5 – U2 + U3 + U4 = 0 V.

Piles électrochimiques 1V à 9V

Batterie d’automobile 12 V

Lampe à halogène 24 V

Prise électrique 220 V

Alternateur de centrale électrique 5 kV à 30 kV

Machine électrostatique 20 kV à 100 kV

Ligne de transport d’énergie électrique 150 kV à 1000 kV

Foudre 100 MV à 600 MV

Doc.24. Quelques ordres de grandeur de la tension électrique. Doc.25. Ligne de haute tension du réseau électrique

Chapitre 10 : Intensité et tension électrique 151

Cours

3 Tensions alternatives

3.1. Visualisation et mesure d’une tension à l’oscilloscope Doc.26. Oscillogramme de la tension du secteur.

Un oscilloscope permet de visualiser toutes sortes des tensions
et de les mesurer.
La courbe obtenue est appelée oscillogramme.

L’axe vertical de l’écran permet de lire les valeurs des tensions,
l’axe horizontal permet de lire les durées. Chaque carreau sur
l’écran s’appelle une division.

Chaque axe possède une échelle :
 la sensibilité verticale (calibre) exprimée en volt par division

(V/div ) ;

 la sensibilité horizontale (balayage) exprimé en seconde (ou
milliseconde) par division (s/div ou ms/div)

3.2. Description d’une tension alternative

Une tension alternative est une tension variable car sa
valeur change au cours du temps et prend des valeurs
positives puis négatives alternativement.

Par exemple, c’est la tension du secteur (Doc.26.) et celle
fournie par un alternateur (Doc.27.). L’alternateur est composé
d’une bobine de fil électrique et d’un aimant. Quand l’aimant
tourne devant la bobine, il y a production d’une tension
alternative.

Les centrales électriques utilisent ce principe pour produire de

l’électricité. Doc.27. Oscillogramme de la tension d’un alternateur

3.3. Caractéristiques d’une tension alternative d’un vélo.

a. Période d’une tension alternative

Une tension alternative est périodique: elle reprend la même valeur au bout d’un intervalle de temps appelé
période notée T et exprimée en seconde (s).

On la calcule en multipliant par exemple le nombre de divisions horizontales nH entre deux maxima (ou deux
minima) successifs de la courbe, par la valeur du balayage b : T = nH x b
b. Fréquence d’une tension alternative

La fréquence d’une tension alternative est le nombre de périodes par seconde.

C’est l’inverse de la période. Elle est notée f et exprimée en hertz Hz) : f = 1
T

c. Amplitude maximale d’une tension alternative

L’amplitude maximale Umax d’une tension alternative est sa valeur maximale.
On la calcule en multipliant le nombre de divisions verticales nV par le calibre s : Umax = nV x S.
Il existe d’autres tensions alternatives périodiques : Tension Triangulaire (Doc.28) et en crénaux (Doc.29)

152 Chapitre 10 : Intensité et tension électrique

Cours

Doc.28. Oscillogramme d’une tension périodique Doc.29 Oscillogramme d’une tension périodique
triangulaire. en créneaux.

L’essentiel du cours

1. Intensité du courant éelctrique

 Un courant électrique est dû à un mouvement d’ensemble de porteurs de charges : des électrons pour
les métaux, des ions pour les électrolytes.

 L e courant électrique à l’extérieur du générateur circule de la borne positive à la borne négative. C’est le
sens conventionnel du courant.

 L’intensité du courant est la quantité d’électricité qui traverse la section d’un conducteur pendant une
seconde. Elle se mesure avec un ampèremètre intercalé en série dans le circuit. Son unité est l’ampère
(symbole : A).

 Elle est la même en tout point d’un circuit en série.

 La somme des intensités des courants qui arrivent à un nœud est égale à la somme des intensités des
courants qui en repartent. C’est la loi des nœuds.

2. Tension électrique

 Une tension électrique entre deux points est égale à la différence de potentiel électrique entre ces deux
points. Ainsi, si VA est le potentiel électrique au point A et VB le potentiel au point B, la tension UAB est telle
que : UAB = VA - VB.

 C’est une grandeur algébrique : UBA = VB – VA = - UAB.
 E lle est mesurée avec un voltmètre monté en dérivation entre ces deux points ; elle s’exprime en volt (V).

La borne V du voltmètre doit être connectée sur la première lettre du nom de la tension et la borne COM
doit être sur la deuxième lettre de la tension à mesurer.

 Une tension électrique entre deux points est représentée par une flèche à côté du conducteur
électrique. Le sens de la flèche est tel qu’il pointe vers la première lettre citée dans le nom de la tension.

 La somme des tensions orientées le long d’une maille est nulle. C’est la loi des mailles.

3. Tension alternative

 Un oscilloscope permet de visualiser une tension et de la mesurer.

 Une tension périodique est caractérisée par sa forme, sa période T ou sa fréquence f et son amplitude
maximale Umax.

Chapitre 10 : Intensité et tension électrique 153

Exercices

Connaître 7.La ……algébrique des tensions orientées le long
d’une…….est ………
1 Sens de circulation des porteurs des charges 4 Caractéristiques d’une tension
1.Citer deux caractéristiques importantes d’une tension
1.Qu’est qu’un courant électrique ? périodique en indiquant les unités correspondantes.
2.Quels sont les porteurs des charges responsables 2.Définir l’amplitude d’une tension sinusoïdale ;
du courant électrique dans : préciser son unité.
-les conducteurs métalliques ? 3.Pour modifier la hauteur d’un oscillogramme sur
-les électrolytes ? l’écran, faut-il modifier la sensibilité verticale ou
3.Définir le sens conventionnel du courant dans un horizontale ?
circuit.
4.Indiquer par rapport au sens conventionnel, le sens 5 Nature d’une tension
du mouvement des porteurs des charges dans :
- les conducteurs métalliques ; À l’aide des adjectifs suivants : variable, continue,
- les électrolytes. alternative, sinusoïdale, périodique, qualifier chaque
tension dont l’évolution au cours du temps est
2 R épondre par vrai ou faux et corriger les représentée ci-dessous.

propositions fausses Appliquer

1.La quantité des charges électriques Q est le produit 6 Quantité des charges et intensité du courant
de l’intensité du courant I par la durée Δt. 1.Une pile fournit à un circuit électrique une intensité
2.Dans un électrolyte, tous les ions se déplacent dans
le même sens. du courant I égale à 0,2 A
3.Au nœud N du schéma ci- pendant une durée Δt = 8
contre, la loi des nœuds permet secondes. Calculer la quantité
d’écrire I1 + I2 = I3. des charges électriques Q
4.Pour mesurer une intensité délivrée par cette pile ?
de 300 mA, on peut utiliser le 2.Sur une pile rechargeable
calibre 1 A. d’un téléphone portable, on
5.La tension mesure un état électrique. relève la valeur suivante : 1400 mAh.
6.La flèche qui représente la tension UBA part du point a.Que représente cette valeur ?
A vers le point B. b.Quelle est la quantité des charges électriques Q de
7.La tension UBA = VA – VB. cette pile en Coulomb ?
8.La tension entre deux points est toujours positive. c.Cette pile fournit une intensité de courant I constante
pendant une durée de fonctionnement
3 Recopier et compléter

1.L’…..du courant est la ……d’électricité qui ……la
section d’un conducteur pendant une…….
2.Elle se mesure avec un…….branché en………
3.La ……des intensités des courants qui arrivent à
un…est …à la somme des intensités qui en……
4.Une ….électrique entre deux points est égale à la
……des potentiels électriques entre ces deux points.
5.Le …….. de la masse d’un circuit est………..
6.La tension UAB aux…..d’un récepteur est……si le
courant électrique circule de… vers …..

154 Chapitre 10 : Intensité et tension électrique

Exercices

Δt = 72 heures. Quelle est la valeur de cette intensité I ? 10 Représentation des tensions

7 Loi des nœuds On considère le circuit schématisé ci-contre :

Dans chaque cas trouver la valeur des courants qui 1.Nommer les tensions fléchées sur le schéma
manquent 2.Déterminer les valeurs des tensions UPN, UPC, UCD et
UND:
8 Calcul des courants  Circuit fermé ;

 Circuit ouvert.

L’ ampèremètre A1 indique 11 Loi des mailles
0,325 A.
L’ampèremètre A3 indique Dans le circuit représenté
850 mA. ci-contre, on mesure UDE = 12,0 V et UAB = 4,00 V.
Quelle indication porte
l’ampèremètre A2? 1.Représenter sur le schéma le voltmètre permettant
les mesures de ces tensions.
9 Différence des 2.Quelles sont les valeurs des tensions UPN et UAC ?
Justifier.
potentiels et tension électrique 3.En utilisant la loi
des mailles, calculer la
Voici les potentiels de certains points d’un circuit tension la tension UCB.
électrique : 4.Représenter cette
VA = 9,0 V ; VB = 0,0 V ; VC = 1,7 V ; tension sur le schéma
VD = 2,5 V ; VE = 9,0 V. par une flèche.
1.Quel est le point qui représente la masse du circuit ?
Justifier la réponse. 12 Fréquence et Période

2.Quels sont les points qui sont dans le même état 1.La période des clignotements du phare de Balbala
électrique. est de 1 s. Déterminer sa fréquence.
2.La période d’un feu rouge est de 1 min 25 s.
3.Déterminer les tensions UAB, UAE, UEC et UCD. Calculer sa fréquence.
4.À l’aide d’un voltmètre numérique, on mesure la 3.Une corde d’une guitare produit un son de
tension entre le point D et un nouveau point F du fréquence de 294 Hz. Déterminer la période de ce
circuit. On trouve UDF = -5,4 V. son.
a.Quelle est la tension UFD ? 4.Quelle est la période de la fréquence radio de la
b.Trouver la valeur du potentiel électrique VF de ce R.T.D de 91,302 MHz ?
point F.

Chapitre 10 : Intensité et tension électrique 155

Exercices

13 Etude d’un oscillogramme Analyser

Ci-contre est représenté l’oscillogramme d’une tension 15 Batterie d’accumulateurs
périodique.
Une batterie
1.Quelle est la nature de cette tension. d’accumulateurs de voiture a
2.Sachant que la base de temps est 2 ms/div, calculer une capacité de 90 A.h. Par
la période T et la fréquence f de cette tension. souci de simplification, on
3.Sachant que la sensibilité verticale est de 5 V/div, suppose que la batterie est
calculer la valeur maximale Umax de cette tension. complètement déchargée si
sa capacité devient 0 A.h.
14 Lecture d’un oscillogramme
1.Quelle est l’intensité du
Voici ci-contre un oscillogramme obtenu avec une courant constant qu’elle peut débiter en 10 h ?
sensibilité verticale de 0,5 V/div et un balayage de
2.Calculer le nombre d’électrons pouvant transités
50 µs/div. dans les conducteurs pendant cette durée sachant
que la valeur absolue de la charge élémentaire d’un
électron est égale à 1,6.10- 19 C.
À la suite d’une panne il a fallu faire fonctionner le
démarreur pendant une durée totale de 6 mn 30 s. Le
démarreur est un moteur qui a besoin d’un courant,
supposé constant, d’intensité Id = 50 A pendant les
intervalles de temps où il est mis sous tension.

3.Quelle quantité des charges électriques Qd a
été nécessaire au fonctionnement du démarreur ?
Donner le résultat en Coulomb.
4.Pendant combien de temps peut-on faire encore
fonctionner ce démarreur ? (mettre ce résultat sous
forme heure, minute, seconde).

16 Montage des lampes identiques

Toutes les lampes du circuit électrique ci-après sont
identiques.

1.Quelle est la nature de cette tension ? L’intensité du courant électrique dans la lampe L1 est
2.Déterminer la valeur des tensions aux points A, B, I1 = 0,32A.
C ,D et E. 1.Calculer l’intensité du courant électrique dans
chaque lampe et dans le générateur.
3.Calculer la valeur de la tension maximale.
4.Déterminer la période et la fréquence de cette 2.On admet qu’une lampe est à son éclat maximum
tension. lorsqu’elle est parcourue par un courant d’intensité
égale à environ 1A. De quelles lampes est-ce le cas
5.Reproduire sur votre cahier l’allure de cette tension lorsque l’interrupteur est fermé ?
si on règle la sensibilité verticale à 1 V/div (on ne
modifie pas la durée de balayage).

156 Chapitre 10 : Intensité et tension électrique

Exercices

3.Le circuit est réalisé avec d’autres lampes, dont échelles des deux axes.
l’éclat est maximum lorsqu’elles sont parcourues par
un courant d’intensité 0,32A. Que se passe-t-il ? 1.La fréquence de la tension est de 5 Hz. Calculer la
période de cette tension.
17 Calcul des potentiels électriques 2.Retrouve l’échelle de l’axe des abscisses.
20 Etude des tensions périodiques.
1.Refaire le schéma et I. L’allure d’une tension délivrée par un GBF est
indiquer à côté de chaque visualisée sur l’oscilloscope (figure ci-après).
flèche la tension qu›elle
représente. 1.Quelle est la nature de cette tension ?
2.Quelle est celle qui est 2.Relever sur l’oscilloscope les valeurs du balayage et
nulle ? Pourquoi ? de la sensibilité verticale.
3.Combien peut-on définir 3.Déterminer la période et la valeur maximale de la
de mailles dans ce circuit tension mesurée
? Ecrire la loi des mailles 4.En déduire sa fréquence.
pour l’une d’entre elles. II. On sélectionne maintenant sur le GBF un autre
4.On donne UEC = 24 V ; UFE = - 5 V ; UAB = 12 V ; type de tension de fréquence 800 Hz.
UIH = -2 V On visualise cette tension avec le même oscilloscope
Calculer les valeurs de toutes les autres tensions que le cas précédent (figure ci-après).
représentées.

5.Indiquer le sens du courant sur chaque branche du
circuit.
6.On décide que VC= 0.
Que représente alors C pour ce circuit ?

7.Calculer les potentiels de tous les autres points.

18 Calcul et représentation des tensions électriques

Dans une partie du circuit représenté ci-après, on a
mesuré les tensions suivantes

UAB = 2,0 V UAC = 6,0 V UAE = 4,8 V UAD = 8,0 V

1.Reproduire le
schéma et préciser le
branchement et les
bornes du voltmètre
pour mesurer la tension
UAC.
2.Le multimètre utilisé possède plusieurs calibres :
1000 V ; 200 V ; 20 V ; 2V et 200mA.

Quel est le calibre le mieux adapté ?

3.Représenter les flèches correspondant aux tensions
UAC et UAE.
4.Calculer les tensions UBC, UBE, UDE, UCD et UEC.

19 Etude d’un oscillogramme

Un élève a réalisé le graphique d’une tension en
fonction du temps, mais il a oublié d’indiquer les

Chapitre 10 : Intensité et tension électrique 157

Exercices

1.Quelle est la nature de cette nouvelle tension ? 4. À partir de l’électrocardiogramme, déterminer la
période et la fréquence de cette tension.
2.La sensibilité horizontale de l’oscilloscope a-t-été 5.En déduire le nombre de battements de ce cœur
modifié pour la deuxième tension ? Justifier votre par minute. Le rythme cardiaque de ce patient est-il
réponse. normal ?
3.Comment évolue le nombre de divisions
horizontales si on double la valeur du balayage ? 22 Circuit électrique d›une voiture
4.Quelle est l’amplitude de cette tension sachant que
la sensibilité verticale est de 2 V/div On considère une partie du circuit électrique d’une
voiture dont le moteur est à l’arrêt. L’alimentation
21 Etude d’un cœur qui bat électrique est donc assurée uniquement par la
batterie. Le schéma simplifié du circuit est représenté
Le cœur est constitué de ci-dessous :

fibres musculaires. Lorsqu’il

bat, les fibres musculaires se

contractent périodiquement

et génèrent des tensions

électriques qui peuvent

être détectées par un

électrocardioscope.

En fait cet appareil est une

sorte d’un oscilloscope

médical. Il permet de suivre Un infirmier en train
d’examiner l’activité
l’activité électrique du cardiaque d’un La batterie a une tension à ses bornes UG est égale à
cœur du patient. patient à l’aide d’un 12 V et une capacité nominale de 45 A.h.

L’enregistrement s’effectue électrocardioscope

à l’aide d’électrodes Les intensités du courant absorbées par :

placées sur son torse. L’appareil imprime un

tracé papier de l’activité électrique dans le cœur :  le démarreur D est : ID = 60 A ;

l’électrocardiogramme (ECG). Il s’agit en fait d’une  une lampe de code (LC) : IC = 4,60 A ;

mesure de l’évolution d’une tension électrique au

cours du temps.  une lampe de position (Lp) : IP = 420 mA ;

Le rythme cardiaque normal d’une personne adulte au  l’autoradio : IA = 200 mA.
repos est en moyenne entre 60 et 80 battements par
minute. 1.Montrer que l’intensité du courant absorbée par
le dispositif d’éclairage Ie est égale à 10,0 A lorsque
l’interrupteur Ke est fermé ?

2.Lorsque les trois interrupteurs sont fermés, quelle
est l’intensité I du courant débité par la batterie ?

Le conducteur écoute de la musique en utilisant
l’autoradio et toutes les lampes restent allumer. Seul
l’interrupteur Kd est ouvert et le moteur est toujours à
l’arrêt.

Pour démarrer le moteur, il faut que la batterie ait au

Sur cet électrocardiogramme, 1 carreau représente moins 1 de sa capacité nominale.
horizontalement 0,05 s. 5

1.Quelle est l’utilité d’un électrocardioscope ? 3.Le conducteur peut-il démarrer sa voiture au bout
2. qu’est ce qu’un électrocardiogramme ? de 2 heures.
3.En observant le graphique, que peut-on dire de la
nature de la tension créée par le cœur ? 4.Pendant combien de temps, le conducteur peut-il
écouter de la musique avec les lampes allumées ‘sans
risque’ ?

158 Chapitre 10 : Intensité et tension électrique

CHAPITRE

Composants électroniques

11usuels

Au cours du XIXème siècle, des progrès techniques considérables ont été
accomplis dans le domaine de l’électronique. Par exemple, les téléphones, les
postes de radio et de télévision illustrent par leurs fonctionnements différents
composants électroniques.
)) Q uel est le principe de fonctionnement d’un conducteur ohmique ou d’une diode ?

Composants électroniques présent dans l’ordinateur

Compétences attendues

 Distinguer un dipôle récepteur linéaire d’un dipôle récepteur non-linéaire.
 Connaître et utiliser les lois d’association des résistances.
 Utiliser un ohmmètre pour mettre en évidence les lois d’association des résistances.
 Connaître le rôle d’un diviseur de tension ou d’un potentiomètre.
 Réaliser un montage diviseur de tension et un montage potentiométrique.
 Montrer l’intérêt pratique des diodes et exploiter leurs caractéristiques.
 Utiliser un dipôle en respectant ses limites de fonctionnement.

Activités

1 Association des conducteurs ohmiques

Les conducteurs ohmiques sont les composants les plus présents dans les montages électroniques. Ils sont le
plus souvent utilisés en association.

Quelle est l’intérêt de telles associations ?

Matériel

1 générateur de courant continu de 12 V; 2 conducteurs
ohmiques R1 = 330 Ω ; R2 = 470 Ω ; 1 multimètres ;
1 interrupteur et des fils de connexion.

Protocole Doc.1. Les résistances R1 et Doc.2. Les ernéspisatrarnaclèelsesR1
1. R éaliser le montage du (Doc.1) et le faire vérifier par le R2 sont en série. et R2 sont

professeur avant de mettre le générateur en sous-tension.

2. Fermer l’interrupteur K et relever la valeur I de l’intensité du courant.

3. Réaliser maintenant le montage (Doc.2) et le faire vérifier par le professeur avant de mettre le générateur en

sous-tension.

4. Fermer l’interrupteur K et noter la valeur I’ de l’intensité du courant.

5. Relever les valeurs des résistances R1 et R2 à l’aide de l’ohmmètre en dehors du circuit.
6. M onter les résistances R1 et R2 en série. Mesurer à l’aide de l’ohmmètre la résistance Rs de l’association et

noter cette valeur.

7. Mettre maintenant R1 et R2 en parallèle et mesurer à l’aide de l’ohmmètre la résistance Rp de l’association
et noter cette valeur.

Exploitation

1. Comparer les valeurs des intensités du courant I et I’. Que peut-on en conlure ?
2. O n voudrait remplacer les résistances R1 et R2 par un seul conducteur ohmique dans les deux montages

précédents. On garde le même générateur de courant continu de 12 V.

En utilisant la loi d’Ohm :

• D éterminer la valeur de la résistance notée R du conducteur ohmique qu’il faudrait utiliser pour que le
générateur délivre la même intensité I du courant.

• D éterminer la valeur de la résistance notée R’ du conducteur ohmique qu’il faudrait utiliser pour que le
générateur délivre la même intensité I’ du courant.

3. Comparer les valeurs calculées R et R’ aux valeurs mesurées à l’ohmmètre Rs et Rp.
4. Recopier et compléter les tableaux suivants :
5. En déduire une relation entre Rs, R1 et R2 d’une part et entre 1 ,1 et 1 d’autre part. Conclure.
Rp R1 R2

R1 R2 R1 + R2 Rs 11 1 +1 1
R1 R2 R1 R2 Rp

Doc.3.Tableau de valeurs avec R1 et R2 en série. Doc.4.Tableau de valeurs avec R1 et R2 en parallèle.

160 Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels

Activités

2 Diviseur de tension et Potentiomètre

Chaque fois que vous tournez un bouton pour augmenter ou diminuer le son de votre radio, la luminosité de
votre lampadaire ou la vitesse de rotation de votre ventilateur, vous agissez sur un potentiomètre.

Comment fonctionne alors un potentiomètre ?

Expérience 1 : Diviseur de tension Doc.5. Potentiomètre d’une chaîne Hi-Fi
Matériel :

1 générateur de courant continu E de 12 V ; 2 multimètres ;
2 conducteurs ohmiques R1 = 330 Ω ; R2 = 470 Ω ;
1 interrupteur ; des fils de connexion.

Protocole

1. À l’aide de l’ohmmètre, vérifier les valeurs R1 et R2 des
résistances hors du circuit.

2. Réaliser le montage (Doc.6) et le faire vérifier par le
professeur avant de mettre le générateur en sous-tension.

4. M esurer la tension U aux bornes de la résistance R2 avec
le voltmètre et noter la valeur affichée.

Exploitation

1. Avec la loi des mailles et la loi d’Ohm, montrer que Doc.6. Montage diviseur de tension

U= R2 E
R1 + R2

2. C alculer U et comparer avec la valeur affichée par le voltmètre.
3. J ustifier le nom de « diviseur de tension» donné à ce montage.

Expérience 2 : Potentiomètre

Matériel
1 générateur de courant continu E de 12 V ; 2 multimètres ;
1 potentiomètre ; 1 interrupteur ; des fils de connexion.

Protocole Doc.7. Coupe schématique d’un rhéostat

1. Réaliser le montage (Doc.7) et le faire vérifier par le

professeur avant de mettre le générateur en sous-tension.

2. Déplacer le curseur de l’extrémité B à A et observer la tension UBC affichée par le voltmètre.
3. Remplacer le voltmètre par la lampe. Déplacer le curseur et

observer l’éclat de la lampe.

Exploitation

1. L orsque l’on déplace le curseur de l’extrémité B à A, que peut-

on dire de la tension UBC ?
2. D écrire l’éclat de la lampe lorsqu’on déplace le curseur du

rhéostat de B à A. Doc.8. Montage potentiométrique
3. Quel est l’utilité pratique de ce montage ?

Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels 161

Activités

3 Utilisation d’une diode ordinaire

Les constructeurs mettent souvent en série une diode ordinaire avec les piles
de certains appareils électriques .

Quel rôle joue la diode pour ces appareils ?

Matériel
1 générateur de tension continue réglable ; 1 conducteur ohmique
R = 220 Ω ; 1 diode ordinaire ; 1 diode Zener ; 1 D.E.L. ; 2 multimètres et des
fils de connexion.

Pour vous aider Doc.9. Quelques diodes ordinaires

Il existe une grande variété de diodes parmi lesquelles les diodes
ordinaires, les diodes Zener et les diodes électroluminescentes
appelées D.E.L ou L.E.D.
Contrairement à un conducteur ohmique, les deux bornes d’une diode
sont différentes et sont appelées ‘anode’ (A) et ‘cathode’ (K).
La cathode est indiquée par un cercle coloré pour les diodes
ordinaires et Zener et par un plat sur la base pour les D.E.L.
Lorsque la cathode est du coté de la borne négative du générateur,
on dit que la diode est placée dans le sens direct dans le circuit. Sinon
elle est dans le sens inverse.

Protocole Doc.10. Une diode ordinaire, une
diode Zener et une DEL.
1. R éaliser le circuit représenté (Doc.11) et le faire vérifier par le
professeur avant de mettre le générateur en sous-tension. Doc.11. Schéma du montage d’une diode
ordinaire placée en série.
2. A ugmenter très progressivement, à partir de 0 V, la tension délivrée
par le générateur jusqu’à ce que la l’ampèremètre affiche une valeur
de l’intensité du courant I non nulle : la tension aux bornes de la
diode est alors appelée tension de seuil. Noter la valeur de cette
tension et la valeur I de l’intensité du courant.

3. Continuer d’augmenter très progressivement la tension délivrée
par le générateur jusqu’à 8 V. Observer la valeur de l’intensité du
courant.

4. I nverser maintenant les bornes de la diode. Faire varier la tension
aux bornes du générateur de 0 à 8 V. Observer l’intensité I du
courant et la tension aux bornes de la diode.

5. Refaire l’expérience en remplaçant la diode ordinaire par une diode
Zener puis par une D.E.L.

Exploitation

1. D ans le circuit (Doc.11), dans quel sens la diode est-elle placée ? Comment évolue l’intensité I du courant

avant et après la tension de seuil ?

2. Que peut-on dire de l’intensité I dans le cas où la diode est inversée ?
3. D’après vos observations quel est alors le sens où la diode laisse passer le courant ?
4. Q uel est l’intérêt pratique de placer une diode ordinaire en série avec les piles dans un appareil ?
5. D’après vos connaissances du collège, citer une autre utilisation de cette diode en tension alternative.
6. Comparer le comportement d’une diode Zener et d’une D.E.L. avec celui d’une diode ordinaire. Conclure.

162 Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels

Activités

4 Rôle d’une diode Zener

Un régulateur de tension est un système permettant de rendre
ou de maintenir une tension constante dans certaines limites.
Il est utilisé pour des circuits des montages électroniques qui
nécessitent une tension, qui ne varie pas.

Comment peut-on obtenir une tension stable avec une
diode Zener ?

Matériel

1 générateur de tension continue E de 12 V, 3 conducteurs Doc.12. Photo d’un régulateur de tension.
ohmique R1 = R2 = 120 Ω ; R3 = 330 Ω ; R4 = 470 Ω; Diode Zener
5,5 V ; 1 interrupteur ; 1 multimètres et des fils de connexion.

Protocole

1. Réaliser le montage n°1 (Doc.13) et le faire vérifier par le
professeur avant de mettre en sous tension le générateur.

2. R égler le générateur afin d’avoir une tension continue E de
12 V. Fermer l’interrupteur et relever la valeur de la tension

UBC affichée par le voltmètre.
3. Placer entre B et C en parallèle avec R2, la résistance

R3 puis la résistance R4. Observer et noter la tension UBC
affichée par le voltmètre.
4. Remplacer maintenant dans le montage (Doc.13) la
résistance R2 par la diode Zener (voir montage n°2) .

La diode doit être en sens inverse : sa cathode doit être
reliée à la borne B du circuit.

5. A près avoir fait vérifier votre montage par le professeur, Doc.13. Schéma du montage n° 1
fermer l’interrupteur et relever la tension UBC.

6. P lacer de nouveau entre B et C en parallèle avec la diode
la résistance R3 puis la résistance R4. Observer et noter
également la tension UBC.

Exploitation

1. Comment appelle-t-on le montage n°1 ?
2. Que peut-on dire de la tension UBC lorsqu›on a inséré

les résistances R3 ou R4 dans le montage n°1 et dans le
montage n°2?
3. Quel rôle la diode Zener joue t-elle dans le montage n°2 ?

Doc.14. Schéma du montage n° 2 163
Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels

Cours

1 Conducteur ohmique

1. 1. Description et caractéristique

Un conducteur ohmique est un composant très utilisé en électronique. Il

est caractérisé par sa résistance R.

La résistance électrique d’un matériau traduit sa capacité à s’opposer

plus ou moins au passage du courant électrique lorsqu’il est soumis à

une tension.

La résistance s’exprime en ohm (Ω) et se mesure à l’aide d’un

multimètre réglé en ohmmètre.

Remarque :

Dans la pratique le mot « résistance » désigne en même temps

le dipôle et la grandeur qui le caractérise. Doc.15. Résistances à couche de carbone

Le fonctionnement d’un conducteur ohmique a été étudié au collège.
Sa représentation graphique intensité-tension appelée caractéristique du conducteur ohmique est une droite
passant par l’origine . Un conducteur ohmique est un dipôle récepteur linéaire.

La tension UAB aux bornes d’un conducteur ohmique de résistance R, parcouru de A vers B par un courant
électrique d’intensité I est proportionnelle à I.

C’est la loi d’ohm : UAB = R.I. Cette tension UAB est positive.
1.2.Association des conducteurs ohmiques

Lorsqu’on associe deux ou plusieurs
conducteurs ohmiques, on peut les remplacer
par un seul pour les calculs dont la résistance
est appelée résistance équivalente notée RE.

a. Association en série

Soit R1 et R2 deux résistances montées en série. Doc.16. Les résistances R1 et R2 mesurées à l’ohmmètre.
Elles sont traversées par un courant de même
intensité I. En appliquant la loi d’Ohm et la loi
d’additivité des tensions :
U = U1 + U2 = R1.I + R2.I soit U = (R1 + R2).I.
En posant RE = R1 + R2, on retrouve la loi d’Ohm :
U = RE.I.

Lorsque deux ou plusieurs résistances sont
associées en série, elles forment un dipôle
dont la résistance totale RE (dite «équivalente»)
est la somme des résistances individuelles :
RE = R1 + R2.

Si on a un nombre N conducteurs ohmiques
en série:
RE = R1 + R2 +… + RN.

Doc.17. R1 et R2 sont en série. RE = 67,4 +99,0 = 166,4 Ω

164 Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels

Cours

b. Association en parallèle

Les résistances R1 et R2 ont la même
la tension U à leurs bornes. En appliquant la loi d’Ohm

et la loi des nœuds : 11
UU
I = R1 + R21 soit I= U (1R1 + R2 ).
1
En posant = R1 + R2 .
U RE

on a I = RE ou U = RE.I. On retrouve également la loi Doc.18. R1 et R2 sont en parallèle . RE = 40, 1 Ω .

d’Ohm.

Lorsque deux ou plusieurs résistances sont
associées en parallèle, elles forment un dipôle de résistance
équivalente RE telle que :
1 11
RE = R1 + R2 .

Si on a un nombre N conducteurs ohmiques associés en dérivation :

1 11 1
RE = R1 + R2 + ... + RN

1.3. Applications pratiques

a. Montage diviseur de tension

Le montage (Doc.19) est un diviseur de tension : les deux résistances R1 Doc.19. Schéma d’un diviseur de tension
et R2 sont montées en série. On applique aux bornes A et B, une tension
d’entrée UAB fixe de valeur E. Entre les bornes B et C, on obtient une
tension de sortie UBC constante. En utilisant la loi d’Ohm et loi d’additivité
des tensions, on obtient
R2 R2
UBC = R1 + R2UAB = R1 + R2 E

Un montage diviseur de tension permet de donner à partir de la tension

d’un générateur une tension plus faible qui peut être utilisée pour

alimenter un dipôle.

b. Montage potentiométrique Doc.20. Potentiomètre rotatif
Les potentiomètres sont abondamment utilisés en électronique.

Dans le montage (Doc.21), une tension d’entrée E délivrée par le générateur
est appliquée aux bornes A et B du potentiomètre : UAB = E.

La résistance RAB est la résistance totale du potentiomètre.

RBC est la résistance comprise entre B et C et RAC est la résistance entre
A et C.

On a donc : RAC = RAB + RBC.

En utilisant la loi d’Ohm et loi d’additivité des tensions :

UCB = RCB UAB ou UCB = RCB E Doc.21. Schéma d’un montage
RAC + RCB RAB potentiométrique

Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels 165

Cours

uSO4 Lorsqu’on modifie la position du curseur C, la tension de sortie UCB varie et peut alors prendre toute valeur
comprise entre 0 V et la tension E maximale que peut fournir le générateur.

Un montage potentiométrique permet de faire varier la tension délivrée
par un générateur.

Un montage potentiométrique est un diviseur de tension réglable.

2 Diode ordinaire Doc.22. Diode ordinaire et son
symbole électrique
2.1. Description et caractéristique

La diode est un composant électronique de base. Elle possède deux bornes
appelées ‘anode’(A) et ‘cathode’(K). Ce dipôle se présente sous la forme
d’un cylindre sur lequel la cathode est symbolisée par un cercle de couleur,
ce qui permet de repérer son sens de branchement.

 Dans le sens direct, la diode laisse le courant circuler de l’anode vers la
cathode à partir d’une tension appelée tension de seuil de la diode.
C’est son sens passant : La diode est équivalente à un interrupteur
fermé.

D ans le sens inverse, la diode ne laisse pas passer le courant. C’est
son sens bloquant : La diode est équivalente à un interrupteur
ouvert.

Remarque : Doc.23. Sens passant. d’un diode ordinaire.
Dans la plupart des cas, la tension de seuil de la diode peut être
négligée devant la tension du générateur; la diode est alors assimilée
à une diode idéale.

Un conducteur ohmique doit être toujours associé en série avec la
diode pour la protéger contre une intensité électrique élevée.

La caractéristique intensité - tension d’une diode n’est pas linéaire. Elle
fait partie des dipôles récepteurs non-linéaires.

2.2. Applications

a. Diode de protection

On utilise souvent la diode simple pour obliger le courant de circuler Doc.24. caractéristique intensité -

uniquement que dans un seul sens. Dans ce cas, elle sert à protéger certains tension d’une diode ordinaire.

appareils électriques qui risquent d’être

endommagés si on inverse les polarités

des piles électriques.

b. Diode de redressement Doc.25. Redressement double alternance avec pont de diodes.

Une des principales applications de la
diode simple est aussi le redressement
de la tension alternative du secteur pour
faire des générateurs de tension continue
destinés à alimenter des montages
électroniques.

166 Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels

Cours

3 Diodes particulières

3.1. Diode Zener

Lorsque le courant circule de l’anode vers la cathode (dans le sens
direct), la diode Zener se comporte comme une diode ordinaire
avec une tension de seuil de l’ordre de 0,6 V.

Dans le sens inverse, il existe une autre tension de seuil au

dessus de laquelle l’intensité du courant augmente fortement.

C’est la tension Zener notée UZ.

En pratique, la diode Zener est utilisée dans le sens inverse : la Doc.26. Diode Zener et son symbole électrique.
tension aux bornes de la diode reste alors pratiquement constante

et égale à UZ (Doc. 28).
Cette tension UZ constante peut être utilisée pour faire fonctionner un
appareil qui nécessite une tension stable.

Les diodes Zener permettent donc de stabiliser ou de réguler une

tension.

3.2. Diodes électroluminescente (D.E.L.) Doc.27. Caractéristique intensité -
tension
Les diodes électroluminescentes (Doc.29) couramment abrégé sous
le sigle D.E.L. ou L.E.D. en anglais (light-emitting diode) sont des
composants électroniques capables d’émettre de la lumière dans
une bande de fréquence quand elles sont traversées par un courant
électrique. Il en existe de diverses couleurs (jaune, orangé, rose, rouge,
vert, infrarouges).

Elles ne laissent passer le courant que dans le sens direct. Leur
caractéristique ressemble à celle des diodes ordinaires mais leur
tension de seuil est plus élevée. Cette tension est comprise entre
1,2 et 3,8 V environ.

On rencontre les D.E.L partout où on a besoin de témoins lumineux. Doc.28. La diode Zener maintient une
On les utilise aussi pour les feux tricolores de circulation par exemple, tension stable entre ses bornes.
ou pour faire les panneaux d’affichage électroniques.

Doc.29. D.E.L. et son symbole électrique. Doc.30. Caractéristique intensité - tension d’une
DEL .
Remarque :
La diode Zener et la DEL sont elles aussi des dipôles
récepteurs non linéaires.

Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels 167

Cours

L’essentiel du cours

1. Conducteur ohmique

 U n conducteur ohmique est un dipôle récepteur linéaire car sa caractéristique intensité-tension est
une droite passant par l’origine de l’axe.

 L a tension UAB aux bornes d’un conducteur ohmique de résistance R, parcouru de A vers B par un
courant électrique d’intensité I est donnée par la relation UAB = R.I.

 L a résistance équivalente à l’association en série de deux conducteurs ohmiques de résistances R1 et
R2 est donnée par : RE = R1 + R2.

 L a résistance équivalente à1l’asso1ciatio1n en parallèle de deux conducteurs ohmiques de résistances
R1 et R2 est donnée par : RE = R1 + R2 .

 U n montage diviseur de tension permet de donner à partir de la tension d’un générateur une tension
plus faible qui peut être utilisée pour alimenter un dipôle.

 U n montage potentiométrique permet de faire varier la tension délivrée par un générateur. C’est un
diviseur de tension réglable.

2. Diode ordinaire

 Une diode est un dipôle récepteur non-linéaire car sa caractéristique n’est pas une droite linéaire. Elle
laisse passer le courant à partir d’une tension appelée tension de seuil lorsqu’elle est placée dans le
sens direct. C’est son sens passant. Dans le sens inverse, la diode ordinaire ne laisse pas passer le
courant. C’est son sens bloquant.

 E lle sert à protéger certains appareils contre l’inversion des polarités d’une alimentation en courant
continu. Elle peut être utilisée aussi pour redresser une tension alternative.

3. Diodes particulières

 C ontrairement à une diode ordinaire, une diode Zener peut laisser circuler le courant dans les deux
sens ; Dans le sens direct, elle se comporte comme une diode ordinaire ; Dans le sens inverse, elle
possède une autre tension de seuil au dessus de laquelle l’intensité du courant augmente fortement.
C’est sa tension Zener notée UZ.

 E n pratique, branchée en sens inverse dans un circuit, une diode Zener permet de stabiliser ou de
réguler une tension électrique.

 Une diode électroluminescente (D.E.L.) se comporte elle comme une diode ordinaire mais elle possède
une tension de seuil plus élevée.

 Elle est souvent utilisée comme témoin lumineux ou pour les affichages électroniques.

 La diode Zener et la D.E.L. sont elles aussi dipôles récepteurs non-linéaires.

168 Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels

Exercices

Connaître 6 Modes d’association

1 Résistances équivalentes Deux conducteurs ohmiques identiques de résistance
R sont associés de deux manières différentes. Dans
On dispose de deux conducteurs ohmiques de un cas, on obtient une résistance équivalente de 94 Ω,
résistances R1 et R2. dans l’autre cas une résistance équivalente de 23,5 Ω.
a.Quelle est leur résistance équivalente R si on les 1.Préciser les modes d’association et justifier la
associe en série ? réponse.
b.Même question si on les associe en parallèle ? 2.En déduire la valeur de la résistance R des
conducteurs ohmiques.
2 Diviseur de tension et potentiomètre
7 Calcul des résistances équivalentes
a.Quelles sont les fonctions d’un diviseur de tension et
d’un potentiomètre ? Dans chacun des cas suivants, calculer la résistance
b.Faire les schémas des montages correspondants. équivalente des associations :

3 Caractéristique d’un dipôle récepteur On donne R1 = 30 Ω ; R2 = 60 Ω ; R3 = 180 Ω.

On a tracé la caractéristique intensité-tension de trois
dipôles.
Quelle est celle qui correspond à :
a.un conducteur ohmique ?
b.Une diode électroluminescente ?

8 Association des résistances

On voudrait que l’ampèremètre mesure une intensité :
I1
4 Diodes I2 = 100
1.Donner le symbole du schéma électrique d’une
Quelle résistance R1 faut -il utiliser sachant que
diode ordinaire, d’une D.E.L. et d’une diode Zener. R2 = 0, 99 Ω ?
2.Définir une tension de seuil d’une diode ?
3.Quelle est le nom de la diode qui possède deux de
seuil ?

Appliquer

5 Lois d’association des conducteurs ohmiques

On dispose de deux conducteurs ohmiques de
résistances R1 = 470 Ω et R2 = 220 Ω.
1.Calculer la résistance équivalente RE de l’association
en série.
2.Calculer la résistance équivalente R’E de
l’association en parallèle.

Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels 169

Exercices

9 Diviseur de tension 12 Résistance de protection d’une diode

Les circuits ci-dessous représentent chacun un La diode utilisée
diviseur de tension. est caractérisée par
Déterminer la valeur de la tension U pour les deux Useuil = 0,7 V et
circuits. I =15 mA.
Le générateur
10 Potentiomètre délivre une tension
de 6V.
Un potentiomètre de résistance totale R comporte 6
positions. Chaque division vaut 1 Ω. La résistance de
Déterminer la valeur de la tension de sortie US pour la protection utilisée
position 2 du curseur schématisé ci-après : permet-elle à la diode de fonctionner dans les
conditions nominales ?

13 Résistance de protection d’une D.E.L.

Voici les caractéristiques d’une D.E.L. rouge :

Useuil = 1,7 V, Iseuil = 10 mA.
Umax = 2,0 V, Imax = 45 mA.
Quelle est la valeur de la résistance à utiliser en série
avec la D.E.L. pour faire fonctionner normalement
l’ensemble sous une tension de 24 V ?

14 Diode Zener

On réalise le circuit schématisé ci - après.

11 Potentiomètre et loi d’Ohm 1.Indiquer la borne positive du générateur pour que
la diode zener fonctionne en sens inverse.
Dans le montage ci- 2.La résistance de protection R étant égale à 1 kΩ,
contre, on utilise un calculer la valeur de l’intensité traversant la diode
potentiomètre qui porte Zener.
l’indication Rmax = 100 Ω.
On déplace le curseur C Analyser
pour que la tension soit
U1B.QC u=e3lleV.est la valeur 15 Pont des résistances
de la portion de la
résistance RBC comprise On réalise le montage ci-dessous : R1 = R3 = 20,0 Ω ;
entre B et C du potentiomètre ? R2 = R4 = 80,0 Ω ; UAB = 6,0 V.
1.Déterminer les intensités I1 et I2. En déduire
2.En utilisant la loi d’Ohm, quelle est alors la valeur I l’intensité I fournit par le générateur.
de l’intensité du courant ?

170 Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels

Exercices

2.Déterminer la Re 18 Diviseur de tension avec rhéostat
résistance équivalente
des conducteurs On considère le montage ci-dessous.
ohmiques du circuit. R1 = 120 Ω ; R2 = 80 Ω ; Un rhéostat de résistance
maximale Rmax = 40 Ω ;
3.Retrouver l’intensité I UAM = 12 V.
en utilisant la loi d’Ohm. On laisse l’interrupteur K ouvert.

16 Thermistance

Une thermistance est un conducteur ohmique dont la
résistance R0 dépend de la température T.
On l’utilise dans le montage ci-après. On donne :

E = 10 V ; R = 10 kΩ.

Symbole électrique d’une 1.Établir l’expression de la tension UBM en fonction de
thermistance R1, R2 et UAM. Calculer la valeur de cette tension.
2.Calculer l’intensité I du courant du circuit.
Recopier et compléter le tableau en calculant la
tension U aux bornes de la résistance R. On ferme maintenant l’interrupteur K. On déplace le
curseur C entre B et M.
Température (° C) 0 25 50 3.Calculer la tension UBM et l’intensité I du courant
traversant R1 pour les valeurs extrêmes de la
Résistance R0 (kΩ) 95,1 30,0 10,9 résistance du rhéostat.
Tension U (V)
19 Rôle d’une diode Zener
17 Un diviseur de tension
Dans le circuit ci-après, la résistance R est de 4,7 kΩ
On désire une tension et la diode Zener a une tension Zener UZ = 5,5 V. Pour
U = 5 V mais on ne dispose que d’une batterie alimenter ce circuit, on dispose d’une pile de 9V, de 7
d’accumulateur de tension E = 9 V. V et de 4,5 V.

Déterminer la valeur de la résistance R2 nécessaire
pour avoir cette tension U.

1.Pour chaque pile déterminer la valeur de la tension U
aux bornes de R et de l’intensité I.
2.Quel est le rôle de la diode zener ?

Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels 171

Exercices

20 Modélisation de diodes 22 Thermomètre à diode Zener

Sur les schémas suivants indiquer quelles sont les Le composant LM 335 est une diode Zener qui
lampes susceptibles de briller. peut être utilisé pour réaliser un thermomètre
électrique. Sa tension Zener UZ varie en fonction de la
température selon la loi suivante :

UZ(T) = 0,01 θ + 2,73 avec UZ en volt (V) et θ en

degré Celsius (°C).

On réalise le montage ci-après :

21 Photorésistance P est un potentiomètre de Rmax = 10 kΩ, R1 = 4,7 Ω.
Une photorésistance (ou L.D.R) a une résistance
qui dépend de l’éclairement qu’elle reçoit. Dans le Z est une autre diode Zener de tension Zener
montage suivant on utilise deux photorésistances U’Z = 6,8 V.
identiques A et B associées à deux résistances
identiques R = 100 kΩ chacune. 1.Calculer à 0 °C, la valeur de la résistance R0 qu’il
La résistance des L.D.R. utilisées est : faut mettre en série avec la diode LM 335 pour que
- RA = RB = 500 kΩ dans l’obscurité totale ; l’intensité du courant soit de 1,8 mA. Comment
- RA = RB = 1 kΩ lorsque la L.D.R. est éclairée. appelle –t- on cette résistance ?

1.Sachant que le générateur maintient une tension 2.Déterminer les valeurs des résistances R2 et R3 pour
U0 = 6 V, calculer les tensions U1, U2 et U (entre M et que la tension puisse varier de 2,2 V à 3,0 V (positions
N) lorsque A est éclairée et B dans l’obscurité. extrêmes du potentiomètre).
2.Même question lorsque A est dans l’obscurité et B
est éclairée. Llaedviooldtme èZterneemr LeMsu3re35laetsetnpslioonngUée=dUa2n–s Uu3n. Lorsque
3.Même question lorsque A et B sont éclairées de la mélange
même façon.
eau-glace (0 °C), on voudrait que le voltmètre affiche

une valeur U = 0,00 V.

3.À quelle valeur doit-on régler la tension U3 ?
Ce réglage ne sera plus modifié.

4.Quelle sera la valeur affichée par le voltmètre pour
une température de 20 °C ?

5.On plonge maintenant la diode Zener LM335 dans
une eau chaude. Quelle est la température de cette
eau si le voltmètre affiche une valeur de 0,45 V ?

172 Chapitre 11 :Composants éléctroniques usuels

Générateurs de tension 12CHAPITRE
continue

Aujourd’hui, l’électricité est utile dans notre vie quotidienne. Différents
moyens de production de l’électricité sont utilisés : Centrales hydraulique,
thermique, éolienne, nucléaire...Actuellement, grâce aux progrès
technique, des photopiles peuvent fournir une énergie électrique notable.
Elles constituent des générateurs de courant continu.
)) Quelles grandeurs caractérisent de tels générateurs ?

Panneaux solaires photovoltaïques

Compétences attendues

 Distinguer un générateur idéal de tension d’un générateur réel de tension.
 R éaliser un montage faisant intervenir des dipôles générateurs linéaires.
 Tracer et exploiter la caractéristique d’un dipôle générateur linéaire pour déterminer la f.é.m.

E et la résistance interne.
 C onnaître et utiliser le schéma électrique équivalent d’un générateur réel de tension.
 Connaitre et utiliser la loi d’association en série des dipôles générateurs linéaires.

Activités

1 Caractéristique d’un générateur de tension

La pile et l’alimentation stabilisée sont des générateurs de tension continue.
Comment peut-on les caractériser ?

Matériel

1 pile de 4,5 V ; 1 alimentation stabilisée de 12 V ; 1 rhéostat
Rmax = 100 Ω ; 1 interrupteur ; 2 conducteurs ohmiques
R = 68 Ω et Rp = 120 Ω ; 2 multimètres.

Expérience 1 : Etude de l’alimentation stabilisée Doc.1. Une pile Doc.2. Une alimentation
Protocole électrochimique de 4,5V.- stabilisée.

Le générateur utilisé d’abord est une
alimentation stabilisée de 12 V.

1. Régler la tension U aux bornes du générateur à
12 V.

2. Réaliser le montage (Doc.3) et le faire
vérifier par le professeur avant de mettre le
générateur en sous-tension.

3. L’interrupteur K étant ouvert, relever et noter
la valeur U0 de la tension U aux bornes du
générateur.

4. R égler le rhéostat sur la valeur maximale de sa
résistance, puis fermer l’interrupteur.

5. Déplacer le curseur du rhéostat et observer les Doc.3. Schéma d’étude d’une alimentation stabilisée
valeurs de l’intensité I du courant et la tension U.

6. Recopier et compléter le tableau suivant :

I (mA) 0 (K ouvert)

U (V) U0 =

Doc.4.Tableau des valeurs de l’expérience 1.

Exploitation
1. L orsqu’un générateur ne débite pas de courant (I = 0 A), sa tension à ses bornes est appelée force

électromotrice (f.é.m.) et notée E.
Quelle est la f.é.m. E de l’alimentation stabilisée ?
2. Que peut-on dire de la tension U lorsque l’intensité I du courant varie ?
3. Sur un papier millimétré représenter graphiquement la tension U en fonction de l’intensité I du courant.
Commenter l’allure de cette droite.

Expérience 2 : Etude de l’association de l’ alimentation stabilisée et d’un conducteur ohmique.

Protocole
1. Mesurer à l’aide d’un ohmmètre la valeur de la résistance R et noter cette valeur.
2. O n insère maintenant cette résistance R en série avec l’alimentation stabilisée de 12 V entre les bornes P

et N dans le montage (Doc.3). Réaliser ce circuit et le faire vérifier par le professeur avant de mettre le
générateur en sous tension.

174 Chapitre 12 : Générateurs de tension continue

Activités

3. L’interrupteur K étant ouvert, relever et noter la valeur U0 de la tension U aux bornes d’association.
4. Régler le rhéostat sur la valeur maximale de sa résistance, puis fermer l’interrupteur.
5. Déplacer le curseur du rhéostat et les valeurs de l’intensité I du courant et la tension U.
6. Recopier et compléter le tableau suivant :

I (mA) 0 (K ouvert)

U (V) U0 =

Doc.5 Tableau des valeurs de l’expérience 2.

Exploitation

1. Faire le schéma du montage électrique étudié.
2. Que représente la tension U0 ?
3. Que peut-on dire de la tension U lorsque l’intensité I du courant varie?
4. S ur un papier millimétré ou à l’aide d’un tableur, représenter graphiquement la tension U en fonction de

l’intensité I du courant. Commenter l’allure de
cette droite.
5. Montrer que la tension U s’exprime sous la forme
: U = a x I + b.
6. Monter que a = -R et b = U0.

Expérience 3 : Etude de la pile électrique.

Protocole

Le générateur utilisé est maintenant la pile de 4,5 V.

Il faut penser à ouvrir l’interrupteur K à la fin

de l’expérience pour que la pile ne soit pas usée Doc.6. Schéma d’étude d’une pile.
totalement.

1. Réaliser le montage du (Doc.6) en remplaçant

l’alimentation stabilisée par une pile et le faire vérifier par le professeur avant de mettre le générateur en

sous - tension. L’interrupteur K étant ouvert, relever et noter la valeur U0 de la tension U aux bornes de la
pile.

3. Régler le rhéostat sur la valeur maximale de sa résistance, puis fermer l’interrupteur.

4. Déplacer le curseur du rhéostat et observer les valeurs de l’intensité I du courant et la tension U.

5. Recopier et compléter le tableau suivant :

I (mA) 0 (K ouvert)
U (V) U0 =

Doc.7.Tableau des valeurs de l’expérience 3

Exploitation

1. Que peut-on dire de la tension U lorsque l’intensité I du courant augmente ?
2. S ur un papier millimétré ou à l’aide d’un tableur , représenter graphiquement la tension U en fonction de

l’intensité I du courant. Commenter.
3. E n comparant l’allure de cette droite avec celui de l’expérience n°2, montrer que la pile est équivalente à

une association en série d’une alimentation stabilisée et d’un conducteur ohmique de résistance r.
4. Déterminer la f.é.m. E et la résistance r. En déduire l’expression de la tension U en fonction de l’intensité I.

Chapitre 12 : Générateurs de tension continue 175

Activités

2 Photopile

L’électricité solaire (photovoltaïque) est de plus en plus présente dans notre environnement. Une photopile est
l’unité de base du panneau solaire qui alimente en électricité par exemple les feux de circulation.

Qu’elle est le principe de fonctionnement d’une photopile ?

Une photopile appelée aussi cellule Doc.8. Feux de circulation.
photovoltaïque est un générateur de tension
basée sur l’effet photovoltaïque. Cet effet a été
découvert en 1839 par Becquerel. Il caractérise
la conversion de la lumière en électricité par des
matériaux semi-conducteurs.

Une cellule photovoltaïque exposée à la lumière,
donne une tension électrique de 0,5 à 0,6 volt.

Cette tension est trop faible pour être
directement utilisable : il faut l’augmenter en
raccordant en série les cellules pour constituer
un module ou capteur solaire.

Un capteur (ou panneau photovoltaïque)
est classiquement constitué de 36 cellules
raccordées en série, c’est-à-dire avec un pôle «
plus » et un pôle « moins » comme une pile, d’où
le nom de photopile.

Document : Etude d’une photopile

Exploitation

À partir de vos recherches personnelles Doc.10. Une cellule solaire.
et du document, répondre aux questions
suivantes :
1. Qu’est qu’un matériau semi-

conducteur ?
2. Qu’est-ce que l’effet photovoltaïque ?
3. C iter une ou deux utilisations

pratiques de l’électricité solaire dans Doc.9. Des panneaux solaires
votre environnement.
4. P ourquoi doit-on associer les cellules
photovoltaïques en série ?
5. Proposer un protocole expérimental en utilisant des piles
classiques pour confirmer votre réponse.

En s’appuyant sur le schema ci-contre, répondre aux Doc.11 Caractéristique d’une photopile
questions suivantes :
6. Faire le schéma du montage qui permet de tracer la
courbe U = f(I).
7. U ne photopile est-elle un générateur de tension idéale ?
8. Déterminer la force électromotrice E et la résistance
interne r de la photopile.

176 Chapitre 12 : Générateurs de tension continue

Cours

1 Etude d’un générateur de tension continue

1. 1. Notion de force électromotrice Doc.12. Mesure de la f.é.m. d’une pile

Un générateur de tension continue est un appareil qui fournit du
courant électrique à un circuit. On peut citer par exemple, une pile,
une alimentation stabilisée, une batterie, une photopile…

Contrairement à un récepteur, un générateur de tension possède
une tension électrique entre ses bornes même lorsqu’il est isolé,
c’est à dire lorsqu’il ne débite pas du courant (I = 0 A). C’est sa
tension à vide appelée aussi force électromotrice (f.é.m.) du
générateur, notée E.

Cette force électromotrice E se mesure à l’aide d’un voltmètre
directement branché aux bornes du générateur en dehors du circuit
(Doc.11). Elle s’exprime en volt(V).

1.2. Générateur idéal de tension

Au laboratoire du lycée, on utilise comme générateur une alimentation
stabilisée branchée sur le secteur. Ce générateur possède entre ses
bornes une tension continue.

Dans l’activité 1 (expérience 1), on met en série une alimentation
stabilisée, un conducteur ohmique et un rhéostat permettant de faire
varier l’intensité I du courant électrique.

En modifiant la valeur de l’intensité I du courant, on constate que la Doc.13. Caractéristique intensité-tension et
tension UPN aux bornes du générateur reste constante et est égale à la symbole électrique d’un générateur idéal.
f.é.m. du générateur quelque soit la valeur de l’intensité I : UPN = E.

Un générateur dont la tension reste constante et égale à sa f.é.m. lorsqu’il qu’il débite du courant est un
générateur idéal de tension.
La caractéristique intensité-tension d’un générateur idéal est une droite horizontale(Doc.13).

Un générateur est dit linéaire lorsque sa caractéristique est une droite.

L’alimentation stabilisée est donc un générateur linéaire et idéal de
tension continue.

1.3. Générateur réel de tension

On refait la même expérience en remplaçant l’alimentation stabilisée
par une pile.

On constate que la tension UPN aux bornes de la pile diminue quand Doc.14. Caractéristique intensité-tension
l’intensité I du courant augmente. et symbole électrique générateur réel.

Un générateur dont la tension à ses bornes varie lorsqu’ il débite du
courant est un générateur de tension réel.

Un générateur dont la tension à ses bornes varie lorsqu’ il débite du courant est un générateur de tension
réel. La caractéristique intensité-tension d’un générateur linéaire et réel est une droite décroissante.

La caractéristique d’un générateur réel est une droite décroissante (Doc.14).

Chapitre 12 : Générateurs de tension continue 177

Cours

La pile est donc un générateur linéaire et réel de tension continue.

La tension U est maximale lorsque le circuit est ouvert (I = 0 A). Cette tension est la f.é.m. E de la pile.

2 Schéma électrique équivalent d’un générateur réel (linéaire)

2.1. Association d’un générateur idéal de tension et d’un conducteur
ohmique

Dans l’expérience 2 de l’activité 1, on associe en série une
alimentation stabilisée de f.é.m. E et un conducteur ohmique de
résistance R. On étudie la tension UPN aux bornes de l’association en
fonction de l’intensité I du courant.

On constate que cette tension UPN diminue en fonction de l’intensité I Doc.15. Montage d’étude d’une pile.
du courant. Le tracé de la caractéristique (Doc.16) nous montre une
droite décroissante d’équation : UPN = a x I + b où a est son coefficient
directeur et b son ordonnée à l’origine.

En calculant le coefficient directeur, on constate qu’il
est égal à l’opposé de la valeur de la résistance du
conducteur ohmique : a = - R.

L’ordonnée à l’origine de cette droite est égale à la force
électromotrice E de l’alimentation stabilisée : b = E.

L’équation de cette caractéristique est donc :
UPN = E – R x I.

2.2. Schéma électrique équivalent d’une pile

La caractéristique intensité – tension de la pile étant

elle aussi une droite décroissante (Doc.16), on peut Doc.16. Caractéristique de l’association d’une
dire que la pile est équivalente à une association alimentation stabilisée et d’un conducteur ohmique.
d’une alimentation stabilisée et d’un conducteur

ohmique. La f.é.m. E de la pile est égale alors à celle

de l’alimentation stabilisée. La résistance r appelée résistance interne est

égale à celle du conducteur ohmique.

Nous pouvons donc la représenter par le schéma équivalent du (Doc.17).

Soit UPN la tension aux bornes de la pile. D’après la loi d’additivité des Doc.17. Schéma électrique équivalent à
tensions : UPN = UPQ + UQN. un générateur réel.
UPQ est la tension aux bornes de l’alimentation stabilisée: UPQ = E.
UQN est la tension aux bornes de la résistance r. D’après la loi d’ohm,
UNQ = r r x I Or UQN = - UNQ.
Donc UQN = - r x I.
Finalement on obtient UPN = E - r x I.

Un générateur réel est donc équivalent à une association en série d’un générateur idéal de f.é.m. E et d’un
conducteur ohmique de résistance r.

L’équation de sa caractéristique intensité-tension s’écrit : UPN = E – r x I.

Un générateur réel et linéaire de tension est caractérisé par sa f.é.m. E et sa résistance r.

178 Chapitre 12 : Générateurs de tension continue

Cours

3 Association en série des générateurs de tension continue

Il est possible de relier ensemble plusieurs générateurs : c’est le cas dans les appareils qui fonctionnent avec
plusieurs piles.

Les générateurs sont en général reliés en série lorsque la borne - de l’un
des générateurs et reliée à la borne + du générateur suivant.

Exemple : associons deux piles.

E1 et E2 sont les forces électromotrices de la pile n°1 et la pile n°2. Doc.18. Une pile de 9 V est constituée
R1 et R2 sont leurs résistances internes. de 3 piles de 3 V mises en série.
La tension de la pile n°1 : U1 = UPQ = E1 - r1 x I.
La tension de la pile n°2 : U2 = UQN = E2 - r2 x I.
La tension U de l’association = UPN = UPQ + UQN = U1 + U2.
Soit U = E1 - r1 x I + E2 - r2.I = E1 + E2 – (r1 + r2) x I.
En posant E = E1 + E2 et r = r1 + r2.
On peut écrire U = E – r x I.

On constate que l’association de deux piles est Doc.19. Schéma électrique équivalent à l’association de deux
équivalente à une seule pile dont la f.é.m. E est égale piles.
à la somme des f.é.m. E1 et E2 et la résistance interne
r est égale à la somme des résistances internes
r1 et r2.

Généralisation

L’association en série de N générateurs linéaires est équivalente à un générateur linéaire dont :
 La f.é.m. E = E1 + E2 +……..+ EN : les f.é.m. s’ajoutent.
 La résistance interne r = r1 + r2 +…….. + rN : les résistances internes s’ajoutent.

L’essentiel du cours

 U n générateur idéal de tension maintient entre ses bornes une tension indépendante de l’intensité
du courant débité. Cette tension fixe est la force électromotrice (ou f.é.m.) E du générateur idéal :
UPN = E.

 Un générateur réel à caractéristique linéaire, se comporte comme l’association en série d’un
générateur idéal, de f.é.m. E, et d’un conducteur ohmique de résistance r.
Sa relation caractéristique est : UPN = E – r x I

 Deux générateurs réels de tension sont branchés en série si l’on relie le pôle + du premier au pôle –
du second : leurs f.é.m. s’ajoutent ainsi que leurs résistances internes.

Chapitre 12 : Générateurs de tension continue 179

Exercices

Connaître On a tracé trois caractéristiques de générateurs de
tension.
1 Recopier et compléter. Attribuer à chaque générateur sa caractéristique.
1.Générateur idéal.
1.Un générateur idéal de tension continue maintient 2.Générateur réel et linéaire.
entre ses bornes une…..indépendante de l’… .du
…..débité. Cette…..invariable est la……du générateur Appliquer
idéal ; elle est représentée par la lettre….et son unité
est le….. 5 Générateur de tension
2.La tension aux bornes d’un générateur réel …. en
fonction de l’…….. Sa……intensité-tension est une La tension aux bornes d’un générateur s’écrit :
droite……. Il est caractérisé par sa….. et sa……..
interne. UAB = 6,0 – 2,0 x I (UAB en volts et I en ampères).
3.La tension UPN aux bornes d’un générateur réel et 1.Quelles sont les valeurs de sa f.é.m. E et de sa
l’intensité I du courant sont reliées par la relation….. résistance interne r ?
4.On peut modéliser un générateur …… par 2.Faire un schéma équivalent de ce générateur.
l’association d’un générateur….et d’un……
5.Les f.é.m. de deux générateurs……….en série 6 Équation de la caractéristique d’une pile
s’…………..
Une pile est caractérisée par sa f.é.m. E = 4,8 V et sa
2 Générateur idéal de tension. résistance interne r = 1,2 Ω.

1.Définir un générateur idéal de tension continue. 1.Exprimer la tension UPN entre ses bornes en fonction
2.Donner l’allure et l’équation de sa caractéristique. de E, r et I, l’intensité du courant dans la pile.
3.Représenter son schéma électrique. Citer un 2.Calculer la tension UPN lorsque l’intensité du courant
exemple. I = 0,2 A.
7 Association d’un générateur idéal et d’un
3 Générateur réel et linéaire de tension. conducteur ohmique

1.Nommer les deux grandeurs caractérisant un On associe en série un générateur idéal de f.é.m.
générateur réel et linéaire. Préciser leur symbole et E = 6 V et un conducteur ohmique de 9 Ω. On
leur unité de mesure. considère la tension UPN positive aux bornes de
2.Donner l’équation de sa caractéristique intensité- l’association.
tension.
3.Ce générateur est équivalent par l’association de 1.Dessiner le schéma de cette association.
deux dipôles. 2.Quelle est l’expression de la tension UPN en fonction
a.Préciser quels sont ces dipôles. de l’intensité I du courant.
b.Faire un schéma de l’association, en indiquant le 8 Etude d’un gnérateur de tension
sens du courant et en représentant les tensions par
des flèches. Au cours d’une séance des travaux pratiques, on a
mesuré la tension UAB aux bornes d’un générateur et
4 Choix d’une caractéristique . l’intensité I du courant. On a obtenu le tableau suivant :

180 Chapitre 12 : Générateurs de tension continue

Exercices

I (A) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 11 Association série de deux piles
UAB(V) 20 19,8 19,5 19,3 19 18,8 18,5 18,3
1. Donner le schéma du montage permettant de faire Deux piles (E1 = 4,5 V, r1 = 1,5 Ω ; E2 = 1,5 V, r2 = 0,50 Ω)
cette mesure. sont montées en série. La borne négative de l’une est
2.Tracer la caractéristique UAB = f( I ) de ce générateur. reliée à la borne positive de l’autre.
3.Donner l’équation de cette caractéristique. En
déduire la f.é.m. E et la résistance r de ce générateur. 1.Faire un schéma de l’association.
2.Quelles sont les valeurs de la force électromotrice E’
9 Caractéristique d’une pile et de la résistance interne r’ du générateur équivalent
de cette association.
On considère la caractéristique représentée ci-après
d’une pile. 12 Batterie d’accumulateur

1.Ce générateur est-il un générateur idéal ? Pourquoi ? Une batterie d’accumulateurs d’une voiture a pour
2.Donner le schéma du montage permettant de tracer f.é.m. E = 12,0 V et pour résistance interne r = 0,03 Ω.
Elle est constituée de six éléments identiques au
cette caractéristique. plomb, montés en série. Deux éléments consécutifs
3.Déterminer la force électromotrice E et la résistance sont reliés par leurs pôles de signes opposés.
interne r de cette pile.
4. Par quelle association ce dipôle peut-il être 1.Faire un schéma de l’association.
modélisé ? 2.Faire un schéma équivalent en remplaçant chaque
élément de l’association en série d’un générateur
10 Caractéristique d’une photopile idéal de tension et d’un conducteur ohmique.
3.Appliquer la loi des tensions et en déduire la force
Lorsqu’elle est éclairée, la photopile se comporte électromotrice et la résistance interne de chaque
comme un générateur. Sa caractéristique est élément.
représentée ci-contre.
1.Calculer la f.é.m. de cette 13 Alimentation d’un appareil.
photopile et sa résistance
interne. On désire alimenter un poste de radio portable avec
2.Pour I = 0,5 A : des piles de 1,5 V. Pour une intensité maximale de
a.Déterminer graphiquement 0,30 A, la tension doit être supérieure à 8,4 V.
la tension aux bornes de la
photopile ; 1.Combien faut-il associer de piles en série ?
b.vérifier par le calcul 2.Quelle doit être la valeur maximale de la résistance
la tension trouvée interne de chaque pile ?
précédemment.
3.Combien des photopiles doit-on associer en série Analyser
pour réaliser un panneau photovoltaïque de tension à
vide de 18 V ? 14 Etude d’une pile

On branche un voltmètre électronique entre les bornes
d’une pile, il indique une tension de 6,0 V.

Quand la pile débite un courant d’intensité 0,1 A, la
tension entre ses bornes devient égale à 5,8 V.

1.Donner le schéma électrique équivalent de cette
pile.
2.Déterminer les valeurs de la tension du générateur
idéal et de la résistance interne correspondantes.

Chapitre 12 : Générateurs de tension continue 181

Exercices

15 Etude d’une batterie d’accumulateurs de mesurer I et U.
2.Tracer la courbe U = f(I) et en déduire le
La tension à vide, mesurée aux bornes d’une batterie caractère linéaire ou non linéaire du générateur.
d’accumulateurs de camion, est de 25,2 V. 3.Justifier que la pile peut être remplacée par un
générateur idéal associé à une résistance.
Lorsque l’on actionne le démarreur, la tension chute à 4.Déterminer la f.é.m. E et la résistance interne r
21,6 V et l’intensité du courant vaut 50 A. de la pile.
1.Cette batterie est-elle un générateur idéal ? Justifier 5.Qui est responsable, à l’intérieur de la pile, de la
la réponse. chute de tension lors du débit de courant ?
2.Déterminer la f.é.m. E de cette batterie. 6.Déterminer la relation U = f(I) du générateur
3.Calculer sa résistance interne r. (pile).
4.Calculer l’intensité «théorique» du courant de court- On utilise maintenant la pile pour alimenter une
circuit, courant obtenu lorsque U = 0 V. résistance R = 10 Ω.
5.Sachant que cette batterie est constituée de
six piles montées en série, déterminer la force 7.Faire le schéma équivalent de la pile.
électromotrice E0 de chacune de ces piles. 8.Calculer alors les valeurs de U et I lors du
branchement de la résistance R.
16 Démarrage d’une voiture
18 Résistance interne d’une pile
Le conducteur d’une voiture actionne le démarreur. 1.Comment procéder pour mesurer la f.é.m. d’une
Avant que le moteur n’ait le temps de tourner, le
démarreur se comporte comme une résistance pile ? faire un schéma.
R = 0,05 Ω, formant un circuit fermé avec la batterie
d’accumulateurs. La f.é.m. de celle-ci est 12,0 V et sa Après avoir déterminé la f.é.m. E = 1,5 V, on
résistance interne r = 0,03 Ω. relie en série la pile, un conducteur ohmique de
résistance R = 4,4 Ω et un ampèremètre.
1.Faire le schéma du dispositif
2.Exprimer de façon littérale l’intensité du courant. 2.Faire le schéma du montage.
Calculer sa valeur. 3.L’ampèremètre indique l’intensité I = 0,30 A.
3.Exprimer de façon littérale la tension aux bornes de Calculer la résistance interne de la pile et la tension
chaque dipôle et calculer sa valeur. entre ses bornes pendant la mesure.

17 Circuit avec pile et résistance réglable 19 Alimentation stabilisée

On désire étudier le comportement électrique d›un Une alimentation stabilisée de tension est réglée
générateur de type «pile 9V». On réalise, pour cela, le sur une force électromotrice E = 9,0 V. Elle est
montage ci-après : montée en série avec un conducteur ohmique de
résistance
On fait varier RC pour avoir plusieurs valeurs de I et on R = 30 Ω, et un rhéostat de résistance totale
relève à chaque fois la valeur de U correspondante. RT égale à 100 Ω. On dispose également un
Les résultats son indiqués dans le tableau ci-après : ampèremètre et un voltmètre.

I(A) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.Que constate-t-on lorsqu’on relève les valeurs de
U(V) 9,0 8,2 7,4 6,6 5,8 5,0 la tension entre les bornes de l’alimentation pour
1.Placer, sur le schéma, les appareils qui ont permis différents réglages du rhéostat ?
2.Faire le schéma du montage en plaçant les deux
appareils de mesure.
3.Tracer l’allure de la caractéristique intensité-
tension de l’alimentation.
4.Calculer la valeur minimale Imin et maximale Imax
de l’intensité du courant de ce circuit.

Les résultats doivent être donnés avec le nombre

182 Chapitre 12 : Générateurs de tension continue

Exercices

des chiffres significatifs adéquats. 3.La batterie est –elle- un générateur de tension
idéale ? Justifier votre réponse.
5.Le rhéostat possède maintenant une résistance 4.Déterminer ses caractéristiques (f.é.m. E1 et
notée Rx pour une position de son curseur. résistance interne r1).
L’ampèremètre affiche alors une intensité I du courant
de 200 mA. La batterie parfaitement chargée est utilisée dans une
voiture. On prend pour la suite E1=12,6V et r1 = 0,02 Ω.
Déterminer cette valeur Rx de la résistance du
rhéostat. Une fois que la moteur démarre, c’est l’alternateur qui
recharge la batterie afin que sa f.é.m. retrouve sa valeur
20 Schéma équivalent d’une pile E1. On suppose que pour cette voiture, l’alternateur est
défaillant si bien que la charge de la batterie ne se fait
Une pile plate du commerce alimente une lampe. pas.

1.Faire le schéma du circuit qui permet de mesurer Lors du démarrage du moteur, le démarreur absorbe
la tension entre les bornes de la pile et l’intensité du un courant de 130 A pendant 2s et a besoin d’une
courant débité pour différentes lampes. tension au moins égale 10 V.

2.Le tableau ci-dessous donne les mesures de la 5.Déterminer la valeur de la tension aux bornes de la
tension U entre les bornes de la pile et de l’intensité batterie au démarrage.
I du courant débité pour plusieurs lampes mais
certaines valeurs manquent. 6.Quelle est la quantité d’électricité (en Coulomb)
fournie pour chaque démarrage ?
Lampe 1 Lampe 2 Lampe 3 Lampe 4
7.Combien de démarrages peut-on espérer réaliser ?
U (V) 4,23 4,13 ? 4,03
I (mA) Un jour le conducteur mesure la tension à vide de la
960 ? 228 313 batterie avec un voltmètre. Il relève une valeur de 10,2 V.

a.Faire le schéma équivalent de cette pile. 8.Que représente cette valeur ?
9.Est-ce que cette batterie peut-elle encore faire
b.Une relation entre U, I, la f.é.m. E et la résistance fonctionner le démarreur ?
interne r de la pile.
22 Piles électrochimiques.
c.En utilisant le tableau, déterminer les valeurs de E et
de r. 1.Une pile électrochimique P1 a été étudiée dans les 2
cas suivants :
d.En déduire les valeurs qui manquent dans le
tableau.  La pile est isolée : la tension entre ses bornes est
U0 = 8,9 V
21 Etude expérimentale d’une batterie  La pile est reliée avec une résistance R de 40 Ω :
elle débite une intensité I = 0,22 A.
On dispose d’une batterie de voiture (12 V / 130 A
/ 40 Ah), de deux multimètres numériques et d’un a.Quelle est la valeur de la tension de cette pile
rhéostat. lorsqu’elle débite le courant I ?

1.Proposer le montage à réaliser si l’on veut tracer la b.Déterminer les valeurs de la f.é.m. E1 et la résistance
caractéristique U = (I) . interne r1 de ce générateur.
2.Préciser le rôle des multimètres et le rhéostat.
La batterie étant parfaitement chargée, on obtient la c.Représenter la caractéristique intensité - tension de
caractéristique suivante. cette pile.
2.Une autre pile électrochimique P2 est branchée
seule avec la résistance R de 40 Ω, l’intensité
du courant dans la résistance est alors I’ = 0,18
A. Lorsque cette pile est mise en court-circuit,
l’ampèremètre affiche une intensité du courant

Chapitre 12 : Générateurs de tension continue 183

Exercices

Ic = 9,2 A. II.Exploitation de l’oscillogramme

a.Pourquoi doit-on éviter toujours de mettre un 1.Quelle est la nature de la tension U (alternative, en
générateur en court-circuit ? créneaux, périodique, sinusoïdale variable) ?
2.Déterminer les valeurs maximale Umax et minimale
b.Calculer les valeurs de la f.é.m. E2 et la résistance Umin de la tension U aux bornes de la photorésistance
interne r2 de la pile P2. R3P.C. ÀalqcuuloeircloardreusrpéoenΔdte0notùceRsP valeurs ?
est dans l’obscurité et la
3.Les 2 dipôles sont connectés l’un à l’autre, la borne
positive de E1 est reliée à la borne négative. durée ΔtE où elle est éclairée. Quelle est la phase qui
a.Donner le schéma électrique équivalent. dure plus longtemps que l’autre ? Pourquoi ?
4.Déterminer la période T et la fréquence f de la
b.Déterminer la f.é.m. E et la résistance du générateur tension U.
de tension équivalent. 5.Sachant qu’une fréquence de 1 Hz correspond à 1
tour par seconde, calculer la vitesse de rotation N (en
23 Capteur de vitesse
tours par seconde et par minute) de ce disque.
On alimente un petit moteur électrique à l’aide
d’une battérie G de voiture. Le moteur entraine un Données :
disque portant un trou. Celui-ci est placé entre une
diode électroluminescente D et une photorésistance G : Batterie de voiture ; Tension UG positive
RP. La diode émet en continu une lumière et la F.é.m. E = 12 V ; Résistance interne r = 2 Ω
photorésistance est située en face du trou du disque.
Lorsque ce disque tourne, la photorésistance est D : D.E.L
tantôt éclairée par la lumière émise par la diode et UD = 1,7 V en fonctionnement.
tantôt placée dans l’obscurité. On réalise ainsi un Imax = 40 mA : intensité admissible
petit capteur (voir figure 1) qui permet de mesurer la Moteur
vitesee de rotation d’un moteur. On rappelle que la
photorésistance est un conducteur ohmique dont la Figure 1.
valeur de sa résistance RP dépend de l’élairement
qu’elle reçoit.

On ferme l’interrupteur K et on visualise la tension
U aux bornes de la photorésistance à l’aide
d’un système d’aquisition relié à un ordinateur.
L’osillogramme obtenu est représenté par la figure 2.

I. Étude du circuit électrique

1.Quelle est la valeur de la tension UG lorsque Figure 2.
l’interrupteur K est ouvert ?
2.Exprimer les tensions aux bornes de chaque dipôle Um reste constante à 3,2 V en fonctionnement
indiquées par des flèches sur le schéma en fonction Conducteurs ohmiques
R1 = 80 Ω; R2 = 45 Ω; Eclairée : RP = 500 Ω
des différences de potentiels. Non-éclairée : RP = 2 k Ω <
3.Quelle est le point du circuit relié à la masse. Quelle bUoRr1n, eUsRd2 eetRU1,RRp s2oenttRlePs. tensions positives aux
est alors la valeur son potentiel électrique ?
4.Ecrire la loi des mailles pour ce circuit et en déduire
q5u.CeaUlcu=lerUlGes- (UD + UM + UR1 + UR2).
valeurs de l’intensité I du courant

lorsque RP est éclairée et lorsqu’elle est dans

l’obscurité. En déduire les valeurs des tensions UG et
URp dans les deux cas.

184 Situation problème

Mobiliser ses compétences SITUATION PROBLÈME

Bouh souhaite disposer d’une source d’énergie électrique 220V – 50Hz dans sa maison isolée du réseau
électrique de l’E.D.D. Houmed, son ami lui propose une installation électrique avec un panneau solaire
photovoltaïque qui est un générateur de tension continue.

À l’aide des documents et en utilisant vos connaissances, expliquer comment peut-on produire
du courant alternatif avec un panneau solaire et quelles sont les perspectives pour améliorer son
rendement ?

Document 1 : le silicium, matériau de base de la photopile

Découvert par le physicien BECQUEREL en 1839, l’effet photovoltaïque permet la conversion directe du rayonnement
solaire en électricité. À l’aide de matériaux semi-conducteurs, il est possible de réaliser des dispositifs qui transforment
le rayonnement solaire en électricité : c’est ce que l’on appelle des photopiles ou cellules photovoltaïques.
Les matériaux semi-conducteurs ont des propriétés intermédiaires entre les isolants et conducteurs.
Actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques est le silicium.
C’est l’élément chimique de symbole Si et de numéro atomique Z = 14. C’est l’élément le plus abondant dans la croûte
terrestre après l’oxygène. Il n’existe pas à l’état libre, mais sous forme de composés : sous forme de dioxyde de silicium
(SiO2), la silice (dans le sable, le quartz, etc.). La première étape est la production de silicium dit métallurgique, pur à
98 % seulement, obtenu à partir de morceaux de quartz. Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu’à
plus de 99,999 %. Il doit ensuite subir un traitement pour l’enrichir en éléments dopants pour ainsi obtenir du silicium
semi-conducteur de couche P ou N :
 l ’une de type positif P, avec un défaut d’électrons. On obtient ce défaut en lui incorporant des atomes de bore, celui-ci

comporte en effet un électron de moins que l’atome de silicium.
 l’autre de type négatif N, avec un excès d’électrons. Cet excès est quant à lui obtenu en incorporant des atomes de

phosphore, comportant un électron de plus que l’atome de silicium.
La mise en contact de ces deux couches met en place une jonction PN qui permet le passage des électrons d’une
couche à l’autre. Lorsque la lumière arrive sur la cellule photovoltaïque, il se créé un apport d’énergie qui vient arracher
un électron de la couche N, qui vient ensuite se placer dans la couche P. Il y a création d’une différence de potentiel
électrique (tension) et formation d’un courant électrique.

Document 2 : montage électrique photovoltaïque

Une cellule individuelle ne produit qu'une très faible puissance électrique,
typiquement de 1 à 3 W avec une tension de moins de 1 volt. Pour produire
plus de puissance, les cellules sont assemblées pour former un module (ou
panneau).

La plupart des panneaux commercialisés sont composés de 36 cellules
connectées en série pour des applications en 12 V. Mais un panneau solaire
ne peut fonctionner seul, en effet la nuit ou lorsque le temps n’est pas propice
à son bon fonctionnement, il ne produira pas ou très peu d’énergie. C’est
pourquoi il faut lui associer plusieurs éléments :

 une batterie : elle permet le stockage de l’électricité solaire pour les
systèmes isolés et pour la nuit.

 un régulateur : la plupart des batteries doivent être protégées des
surcharges et des décharges excessives qui peuvent les endommager. C’est le rôle du régulateur qui maintient la tension
de sortie entre deux seuils (13,8 V et 11,4 V pour une tension nominale de 12 V).

 un onduleur : le courant délivré par le module photovoltaïque étant continu et l’utilisation des appareils électriques
nécessitant un courant alternatif, il faut transformer le courant continu (et la tension) en courant alternatif, c’est le rôle
de l’onduleur.

Situation problème 185

SITUATION PROBLÈME Mobiliser ses compétences

Document 3 : Des cellules photovoltaïques à chlorophylle synthétique
Extrait d’un article du site : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/39904.htm
Les feuilles sont des cellules solaires très efficaces qui peuvent convertir jusqu’à 40% de la lumière reçue en
énergie chimique, c’est-à-dire bien plus efficaces que les cellules solaires à base de silicium conventionnelles
qui possèdent un rendement d’environ 15%.

Au cours de la première phase de la photosynthèse, la lumière solaire est absorbée et convertie en énergie
chimique (…….). Ces réactions ont lieu au niveau des molécules de chlorophylle (……).

Des chercheurs de l’Université de Sydney ont synthétisé des molécules de type chlorophylle qui sont capables
de convertir la lumière en énergie électrique, (…..). La structure moléculaire de la chlorophylle naturelle consiste
en un anneau porphyrine azoté (……). Les tests ont montré que la conversion de la lumière en énergie électrique
est plus efficace lorsque les molécules synthétiques ne sont pas trop grandes. Les meilleurs résultats sont
obtenus avec des molécules dont la taille est égale à environ la moitié de la longueur d’onde de la lumière
absorbée, c’est-à-dire entre 300 et 800 nanomètres dans le cas de la lumière visible.

L’intégration de telles structures dans des cellules solaires photovoltaïques améliorera leur rendement. L’équipe
s’emploie maintenant à fabriquer des prototypes de cellules incorporant les molécules synthétiques avant de
se lancer dans la production commerciale de panneaux solaires en collaboration avec l’Université d’Osaka au
Japon

document 4 : Étude de la chlorophylle brute (naturelle)

1ère phase : Obtention de la chlorophylle naturelle

On place dans un mortier un peu de sable et quelques feuilles bien vertes
(salade par exemple). À l’aide d’un pilon on broie à sec les feuilles.
Ensuite, on ajoute un peu d’alcool à 90° pour solubiliser et on continuer à
broyer doucement pendant 5 minutes. Enfin, on filtre le contenu du mortier
et on obtient dans un bécher une solution de chlorophylle brute.

2ème phase : séparation des molécules de la chlorophylle brute par
chromatographie

Sur une bande de papier à chromatographie on dépose à une distance
d’environ 2 cm du bas une tâche de la solution de chlorophylle brute.
On place la bande de papier dans une cuve contenant 5 mL d’éluant
qui est un mélange de solvants organiques (cyclohexane, 5%, éther de
pétrole, 85%, acétone, 10%). On arrête l’élution quand l’éluant arrive à environ 1 cm du bord supérieur. On obtient le
chromatogramme ci-contre.

Questions :
1.Donner une propriété particulière d’une cellule photovoltaïque ?
2.Citer un matériau utilisé pour sa fabrication ?
3.Est-il un matériau synthétique ou naturel ? Justifier.
4.En utilisant le tableau de la classification périodique, donner la
structure électronique de chaque élément présent dans le dioxyde
de silicium. Justifier la formule brute de cette molécule.
5.Comment peut-on doper le silicium ? Quels sont les deux
éléments utilisés ? Donner en justifiant leurs numéros atomiques Z. Figure 1
6.Expliquer comment la lumière arrive-t-elle à produire du courant dans une photopile.

186 Situation problème

Mobiliser ses compétences SITUATION PROBLÈME

7.Quel est le générateur de tension du montage
photovoltaïque pendant la nuit ?

8.Un des éléments du montage photovoltaïque est
constitué en fait de deux dispositifs notés 1 et 2. Un
schéma simplifié est donné (voir figure 1). On visualise à
l’aide d’un oscilloscope la tension UAM. Son oscillogramme
est représenté sur la figure 2.

a.Ces dispositifs appartiennent-ils à quel élément du Figure 2
montage (régulateur, onduleur ou batterie) ? Justifier
votre réponse.

b.Quel est le rôle du dispositif 1 ?

c.Déterminer l’amplitude maximale et la période de la tension UAM. Quelle est la grandeur qui n’est modifiée pas
par le dispositif 2 ? Justifier votre réponse. Quel est alors le rôle du dispositif 2 ?
9.La batterie utilisée dans le montage a une capacité de 105 Ah. Le circuit de consommation nécessite une
intensité de valeur I = 5,72 A.

a.Déterminer la quantité d’électricité de cette batterie en Coulomb.

b.Peut-elle assurer l’alimentation électrique du circuit

pendant la nuit (environ 12 heures) ?

10.Lorsque la tension à vide de la batterie atteint 11,4 V,
le régulateur connecte la batterie automatiquement au

panneau solaire pour éviter sa décharge totale. La batterie

reçoit ainsi le courant fourni par le panneau. Le schéma est

donné sur la figure 3.

a.Quel est le composant électronique qui peut réguler une
tension ?

b.À partir du schéma de la figure 3, trouver une relation entre
E1, E2, r1, r2 et I. En déduire la valeur de l’intensité I traversant
la batterie. Figure 3

11.Pourquoi les cellules sont-elles associées en série dans un panneau photovoltaïque ? Montrer que la tension
aux bornes d’une cellule est moins d’un volt.

12.Quelle est la fonction principale de la chlorophylle ?

13.Pourquoi les chercheurs s’intéressent-ils à synthétiser cette molécule ?

14.Si la longueur d’onde de la lumière absorbée par la chlorophylle synthétique est par exemple de 580 nm,
donner l’ordre de grandeur en mètre de la taille de cette molécule qui donnerait des bons résultats.

15.Quel type d’opération s’agit-il lors de l’obtention de la chlorophylle naturelle dans la première phase ?

16.Quel est le rôle de l’alcool à 90° ?

17.Donner le protocole expérimental de la filtration (matériel utilisé et démarche).

18.D’après le chromatogramme, la chlorophylle brute est-elle pure ? Justifier.

19.Quels sont les espèces chimiques présentes dans la chlorophylle brute ?

20.Définir le rapport frontal Rf ? Calculer alors sa valeur pour le carotène et la chlorophylle b ?
21.Pour ces deux espèces (Le carotène et la chlorophylle b), quelle est la plus soluble dans l’éluant ? justifier.

Conclusion : À partir des réponses des questions posées expliquer en quelques lignes comment le panneau
photovoltaïque peut produire du courant alternatif et les recherches en cours pour améliorer son rendement.

Situation problème 187

LA PHYSIQUE ET LA CHIMIE AU SERVICE DU BIEN
ETRE DE L’HOMME

La physique et la chimie interviennent dans de nombreux domaines ayant
un rôle essentiel dans le bien-être de l’Homme. Dans la santé, le dénom-
brement des espèces chimiques dans le sang par exemple, et l’applica-
tion des ondes à l’exploration du corps humain fournit des informations
essentielles pour établir un diagnostic médical. Les efforts physiques
nécessitent de l’énergie, puisée dans les aliments au cours de transforma-
tions chimiques se déroulant dans notre organisme. Ces efforts physiques
entrainent une augmentation de la pression artérielle.

SOMMAIRE

13-Ondes en médecine..................................................................................191
14-Mouvements et Forces.............................................................................205
15-Pression......................................................................................................219
16-Quantité de matière : la mole..................................................................231
17-Loi des gaz parfait.....................................................................................245
18-Solutions aqueuses....................................................................................257
19-Transformation chimique et Bilan de matière......................................273

Les notions vues au collège

 Forces
 Une force peut mettre un objet en mouvement ou
modifier son mouvement ou le déformer.
 On représente une force par un segment fléché.

 Période, fréquence et amplitude maximale
 Une tension alternative est périodique s’il reprend la
même valeur au bout d’un intervalle de temps T appelé
période.
 La fréquence f est le nombre de périodes par seconde
: f = 1/T.
 L’amplitude maximale Umax d’une tension alternative
est sa valeur maximale.
 La lumière
 Une source de lumière est un objet lumineux.
 D ans un milieu homogène et transparent la lumière se propage en ligne droite.

 Transformation physique, transformation chimiques
 Un corps pur peut exister sous trois états physiques : solide, liquide et gazeux.
 Le passage d’un état à un autre, ou changement
d’état est une transformation physique.
 Une combustion est une transformation chimique,
résultat d’une réaction chimique.
 Au cours d’une réaction chimique, des espèces
chimiques appelées réactifs disparaissent et des espèces
appelées produits apparaissent.
 Une réaction est modélisée par une équation
chimique par exemple, la réaction du fer avec l’acide
chlorhydrique : Fe + 2H+ → Fe2+ + H2.
 Une équation doit être équilibrée en éléments et en
charges.
 La masse des réactifs est égale à la masse des produits.
 Chaque corps pur possède sa propre masse volumique : ρ = m/V = masse du corps/volume du

corps.

Ondes en médecine 13CHAPITRE

En cette ère de technologie moderne, l’homme est confronté à des

risques multiples.

)) C omment des techniques de diagnostic médical utilisant les ondes électromagnétiques et sonores nous aident-
elles dans les applications en médecine ?

Medecin utilisant l'échographie.

Compétences attendues

 Savoir les caractéristiques des ondes sonores et lumineuses
 E xtraire et exploiter des informations concernant la nature des ondes et leurs fréquences en

fonction de l’application médicale
Pratiquer une démarche expérimentale sur la réfraction et la réflexion totale

Activités

1 Exploration du corps humain à l’aide des ondes.

Dans la plupart des hôpitaux, pour aider au diagnostic médical, on pratique la radiographie, la fibroscopie et
l’échographie.
Quels types d’ondes utilise-t-on pour obtenir les images correspondantes ?

La radiographie
Les rayons X sont des ondes électromagnétiques de hautes fréquences, de l’ordre
de 1017 à 1019 Hz. Comme l’énergie d’une onde augmente avec sa fréquence,
ces rayons possèdent une énergie importante et pénètrent facilement la matière.
On les utilise en radiographie. Au cours de leur trajet dans la matière organique,
les rayons X subissent une atténuation, qui dépend de la composition et de
l’épaisseur des structures rencontrées. Par ordre croissant d’opacité, on distingue
notamment : l’air, la graisse, l’eau (tissus mous et liquides) et l’os.

Les rayons non absorbés sont recueillis sur une surface sensible aux rayons X :
les zones les plus sombres sur l’image correspondent aux tissus transmettant le
mieux les rayons X.

La fibroscopie Doc 1 : Radiographie d’une main
L’exploration par fibroscopie permet de visualiser l’intérieur des organes, un
conduit naturel ou une cavité. L’examen est réalisé en utilisant un tube rigide ou
plus fréquemment souple, muni de fibres optiques et d’une source lumineuse.
Couplé à une caméra vidéo, il retransmet sur écran les images recueillies durant
son parcours dans le corps.

La fibroscopie utilise les ondes lumineuses visibles par l’œil humain qui sont
elles aussi, des ondes électromagnétiques. Leurs fréquences sont comprises
entre 3,75.1014 Hz et 7,50.1014 Hz.
La vitesse de propagation de la lumière dans l’air est de 3,00.108 m.s-1.

L’échographie
L’image échographique est obtenue à partir d’un faisceau d’ultrasons,
ondes sonores imperceptibles à l’oreille humaine. Les fréquences utilisées
s’échelonnent de 1 à 20 MHz, en fonction de l’organe exploré. Dans l’air,
la vitesse de propagation des ultrasons est de 340 m.s-1 ; dans l’eau,
de 1 480 m.s-1 ; dans les tissus mous (peau, graisse, foie, muscles, …) elle varie Doc 2. Un poste de fibroscopie
entre 1 450 et 1 600 m.s-1 ; dans les os, de 2 100 à
5 000 m.s–1. Chaque fois qu’un faisceau d’ultrasons rencontre une
interface, c’est-à-dire un changement de milieu de propagation, une
partie des ultrasons est réfléchie. La proportion d’ultrasons réfléchis
est faible au niveau d’une interface entre deux tissus mous (6% pour
l’interface foie-rein), importante (40%) au niveau d’une interface
tissus mous-os, et quasi-totale au niveau d’une interface tissus mous-
air. Une sonde, en contact avec la peau sur laquelle on a appliqué un
gel, est déplacée sur la zone étudiée. Elle émet des salves (paquets
d’ondes) brèves d’ultrasons et recueille les échos (sons réfléchis).
La durée qui sépare l’émission de la réception de chaque écho est
mesurée et interprétée informatiquement. On obtient finalement des Doc 3. Echographie d'un foetus.
images représentant des coupes de l’organe, visualisé à différentes
profondeurs.

Document : imagéries médicales

192 Chapitre 13 : Ondes en médecine

Activités

Exploitation

1. Quels types d’ondes utilise-t-on pour produire :

a. une radiographie?

b. une fibroscopie ?

c. une échographie ?
2. Y a t-il des ondes de même nature dans ce document ?
3. Quelles sont les grandeurs physiques utilisées pour caractériser ces ondes ? Donner pour chacune des

grandeurs, l’unité utilisée ?
4. L a longueur d’onde notée λ est une autre grandeur caractéristique d’une onde. Elle est inversement

proportionnelle à la fréquence f et le facteur de proportionnalité est la vitesse de propagation v. Écrire une
relation qui lie la longueur d’onde et la fréquence.
5. D’après le texte, dire la valeur approchée de la vitesse dans l’air et de celle de la lumière dans le vide.

2 Réfraction et réflexion totale de la lumière

Le trajet de la lumière est modélisé par des rayons lumineux.
Que se passe-t-il lorsqu’un rayon lumineux atteint la surface de séparation entre deux milieux
transparents et différents ?

matériel
1 plexiglas contenant la source et 1 rapporteur

Protocole

1.Envoyer un faisceau de lumière sur un demi-cylindre de verre en faisant passer le pinceau lumineux du verre

dans l’air. I3

2..Augmenter l’angle i1 et observer les rayons IC et IB.
3.Réaliser les mesures nécessaires pour compléter le tableau.

angle i1 10° 20° 30° 40° 50° 60°
angle i2
angle i3

Exploitation Doc 4 : Schéma du dispositif expérimental

1. Nommer les différents rayons AI, IC et IB.
2. Comment s’appellent les deux phénomènes observés ?
3.
4. Lorsque l’angle i1 augmente, les deux phénomènes sont-ils toujours visibles ? ?
5. Quelles sont les deux conditions pour observer le phénomène de réflexion totale
6.
7. Pour i1 = ilimite. Que peut-on dire du rayon IB ? En déduire la valeur de i2
Pour i1< ilimite : La deuxième loi de Descartes est-elle vérifiée ?
Pour i1> ilimite :

a. Ces phénomènes sont-ils toujours observés ?

b. La deuxième loi de Descartes pour la réfraction est-elle encore valable ?

c. Comparer les intensités lumineuses du rayon IC pour i1< ilimite et pour i1> ilimite.
8. Que peut-on en conclure ?

Chapitre 13: Ondes en médecine 193

Activités

3 Fibre optique

La fibroscopie permet d’explorer les organes à l’intérieur du corps, c’est un dispositif qui comprend deux
fibres optiques : l’une éclaire la zone à examiner, l’autre transmet l’image à l’observateur.
Comment se propage la lumière à l’intérieur d’une fibre optique ?

La fibroscopie et l’endoscopie sont des techniques d’exploration médicales utilisant des fibres optiques. Une
fibre optique est un fin tuyau constitué d’un cœur entouré d’une gaine. Le cœur et la gaine sont fabriqués
avec des matériaux transparents. Pour avoir une réflexion totale, la lumière doit avoir une vitesse plus
faible dans le cœur que dans la gaine. Lorsque la fibre est éclairée à une extrémité, la lumière est transmise
à l’autre extrémité en restant confinée dans le cœur de la fibre. Dans un fibroscope, les fibres optiques
permettent d’éclairer la zone à explorer et d’en transmettre une image.

Doc 5. Schéma d’une fibre optique

1.Qu’appelle-t-on fibroscopie ?
2.Quels sont les constituants d’une fibre optique ?
3.De la gaine et du cœur quel est le milieu qui a le plus grand indice de réfraction ?
4.Quelles sont les conditions pour que le faisceau de lumière subisse une réflexion totale dans une fibre optique ?
5.Quel est son intérêt dans le milieu médical ?

194 Chapitre 13 : Ondes en médecine

Cours

1 Ondes sonores et ondes électromagnétiques

1.1. Ondes sonores
Une onde sonore est une vibration mécanique qui se propage.
a. Source
La source d’une onde sonore est un vibreur mécanique.

Exemple : Lorsque la membrane d’un haut-parleur vibre, la
couche d’air à proximité est successivement comprimée et
dilatée. Cette vibration de l’air se transmet de proche en proche
jusqu’à notre oreille. La membrane du haut-parleur est la source
de l’onde sonore que notre oreille entend.

b. Milieux de propagation

Une onde sonore a besoin d’un milieu matériel élastique pour se Doc.6. Membrane d'un haut parleur.
propager (gaz, liquide, solide), elle ne peut pas se propager dans
le vide.

c. Vitesse de propagation

Dans l’air, à la température de 25°C, les ondes sonores se propagent à la vitesse v = 340 m.s-1.

Remarques :

 La vitesse de propagation des ondes sonores dépend du milieu dans lequel elles se propagent.

Exemple : La vitesse de propagation des ondes sonores dans l’eau vaut 1500 m.s-1 et dans l'acier de
5000 m/s

 Dans un milieu homogène, les ondes sonores et ultrasonores se propagent en ligne droite.

d. Domaine de fréquences.

L’oreille humaine est sensible à des ondes sonores dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz,
mais les ondes sonores couvrent des fréquences très variées comme le montre le diagramme ci-dessous.

Doc.7. Étendue en fréquence des ondes sonores.

Chapitre 13: Ondes en médecine 195

Cours

1.2. Ondes lumineuses

Une onde lumineuse est une vibration électromagnétique qui se propage.

a. Source

La source d’une onde lumineuse est un corps qui émet de la lumière.
propage.

Exemple : La lumière du jour nous parvient du soleil. Le soleil est une Doc.8. Soleil couchant.
source d’ondes lumineuses.

b. Milieu de propagation

Les ondes lumineuses se propagent dans tous les milieux transparents, y compris le vide, car elles n’ont pas
besoin de support matériel pour se propager.

c. Vitesse de propagation

Dans le vide et dans l’air, la vitesse de propagation de la lumière vaut environ c = 3,00×108 m.s-1.

Remarque :

Comme pour les ondes sonores, la vitesse de propagation des ondes lumineuses dépend du milieu dans
lequel elles se propagent. Dans l’eau, vlumiere = 2,25×108 m.s-1.

d. Domaine de fréquence Doc.9. Étendue en fréquence des ondes éléctromagnétiques.

Les ondes électromagnétiques s’étendent
sur une très large plage de fréquences. La
lumière visible n’y occupe qu’une bande très
étroite, de 3,75.1014 Hz à 7,50.1014 Hz. Dans les
fréquences supérieures, on trouve notamment les
ultraviolets (UV) et les rayons X. Les ondes radio
ou les infrarouges sont des ondes de plus faibles
fréquences que la lumière visible.

2 Réfraction et réflexion de la lumière

2.1 Définition

Dans un milieu homogène et transparent, la lumière Milieu Indice n Vitesse de
propagation
se propage en ligne droite. Chaque milieu transparent Le vide 1,0000
L'air 1,0008 (km/s)
est caractérisé par un nombre n, appelé indice de L'eau 1,3300 299 792
Les verres 1,500 -1,740 299 552
réfraction, celui-ci est défini par : organiques 225 407
Les verres 199 861 - 172 294
n = c où c et v sont respectivement les célérités minéraux
v Le diamant
de propagation de la lumière dans le vide et dans le

milieu considéré et s’expriment en m.s-1. 1,525 -1,900 196 584 - 158 452

2,460 121 868

Doc.10. Indice de réfraction de quelques milieux transparents

196 Chapitre 13 : Ondes en médecine

Cours

Remarque :

Lorsqu’un faisceau de lumière monochromatique arrive à la surface de séparation de deux milieux
homogènes et transparents, il subit deux phénomènes :
 un brusque changement de direction dans le deuxième milieu transparent appelé la réfraction ;
 u n retour vers le premier milieu de propagation appelé réflexion .

2.2 Les lois des Descartes

Énoncé de la 1ière loi : Le rayon incident, le rayon réfracté et
la normale à la surface de séparation au point d’incidence
sont dans le même plan, appelé plan d’incidence.
Énoncé de la 2ième loi : Lorsqu’un rayon de lumière
passe d’un milieu transparent 1, d’indice n1 à un milieu
transparent 2, d’incidence n2, l’angle d’incidence i1 et
l’angle de la réfraction i2 vérifient la relation suivante :
n1sin i1 = n2 sin i2

Doc.11. Réflexion et réfraction. 

Exercice d’application

Un rayon de lumière monochromatique se propage dans l’air et atteint la surface de l’eau avec un angle

d’incidence i1 = 34°. Calculer la valeur de l’angle de réfraction i2.
Donnée : indice de l’eau pour la lumière considérée, n2 = 1,33.

En utilisant la seconde loi de Descartes on a n1sin i1 = n2 sin i2
n1 sin i1 1,00 x sin 34 = 0, 420, donc i2 = 25°
sini2 = n2 ; sini2
=
1,33

2.3 Réflexion totale

L’activité 2 a montré que, lorsque l’indice pdreerméiferar cmtiiolineun2(nd2usecno1)n,donmilieu
est inférieur à l’indice de réfraction n1 du

observe à partir d’une certaine valeur de l’angle ’incidence qu’il y’a une

réflexion totale.Pour observer une réflexion totale, il faut avoir simultanément

 : n2 n1 et i1 i1limite.

Doc.12. Réflexion totale

Exercice d’application

Une source lumineuse émet un faisceau incident qui se propage dans le plexiglas d’indice n1 puis atteint la
surface incident de séparation plexiglas-air. En faisant varier l’angle incident i1 on remarque qu’au-delà de
42° environ, le rayon réfracté disparaît, au profit d’un rayon réfléchi qui devient très intense.

Sachant que n1=1,5 et n2=1,0 vérifier par le calcul que l’angle limite de réfraction vaut 42°
En utilisant la seconde loi de Descartes on a n1sin i1 = n2 sin i2
nq1uesni2nlei1ray;osninei2s=t 1,5 sin42
sini2 = 1,00 ; Comme sin i2  1 donc impossible de calculer i2 physiquement cela
signifie réfléchi.
totalement

Chapitre 13: Ondes en médecine 197

Cours

3 Applications médicales

3.1 Principe de la radiographie Doc.13. Radiographie

La radiographie utilise les rayons X, capables de traverser la matière.
Passant à travers une certaine partie du corps, ils impressionnent un film
radiographique. Pour faire une radiographie, on dispose la partie du corps
à radiographier entre le tube émetteur et le film radiographique. Celui-ci est
plus ou moins noirci en fonction de l’organe traversé. Une radiographie est
l’ombre de la partie du corps traversée par les rayons X. Les organes les
plus denses (os le plus souvent) y apparaissent en blanc et les structures
moins denses en différents niveau de gris (Doc.13).

3.2 Principe de la fibroscopie Doc.14. Fibroscopie.

La fibroscopie est une technique médicale
permettant l’examen des vaisseaux, du tube digestif,
des bronches … Elle est utilisée pour réaliser des
diagnostics ou des opérations chirurgicales. Le
fibroscope est un tuyau souple de 50 à 200 cm de
longueur et de 5 à 12 mm de diamètre constitué
d’un faisceau de fibres de verre, ainsi que de canaux
pour insuffler de l’air pour permettre la progression
du tuyau ou aspirer des sécrétions. A l’extrémité du
fibroscope introduit se trouve une lampe. C’est cette
technique qui est utilisée dans les endoscopes pour
que la lumière éclairant l’organe se propage dans la
fibre optique pour arriver jusqu’à l’œil du médecin ou
vers une caméra (Doc.14).

3.3 Principe de l’échographie Doc.15. Echographie

C’est une technique d’imagerie médicale qui utilise
la réflexion et la réfraction des ultrasons. Une sonde
d’échographie est à la fois un émetteur et un récepteur
d’ultrasons. Les ultrasons émis par la sonde pénètrent
le corps et se réfléchissent lorsqu’elles atteignent
un obstacle. Les ondes réfléchies sont captées par
le récepteur qui les transmet à un système imageur.
Celui-ci crée une image en fonction de l’amplitude des
ondes réfléchies et de l’écart temporel entre les ondes
incidentes et réfléchies. Plus l’amplitude de l’onde
réfléchie est grande, plus la tache crée par le système
imageur est brillante. Le décalage temporel entre
l’onde incidente et l’onde réfléchie permet de calculer
la distance à laquelle se trouve l’obstacle réflecteur
(Doc.15) .

Soit d cette distance donnée par la relation d = v. t
2

198 Chapitre 13 : Ondes en médecine

Cours

L’essentiel du cours

1.Ondes sonores et ondes électromagnétiques
Le déplacement du son correspond à la propagation de l’onde sonore. La propagation de l’onde sonore
nécessite un milieu matériel : gaz, liquide et solide.
Domaine de fréquence des ondes sonores

La vitesse du son dans l’air est de l’ordre de 340 m.s-1 a temperature et pression ordinaires
Les ondes électromagnétiques se propagent a la vitesse de la lumière dans le vide c = 3,00x108 m.s-1.
Le spectre des ondes électromagnétique est :

2. Réfraction et réflexion totale.

La réfraction se caractérise par un changement de la direction de propagation de la lumière au
passage de la surface de séparation de deux milieux
transparents différents.

2ième loi de Snell-Descartes : l’angle d’incidence i1 et
l’angle de réfraction i2 (angle entre la normale et le rayon
réfracté) sont lies par la relation : n1 sin i1 = n2 sin i2

Il y a réflexion totale lorsque :

● l’indice de réfraction du milieu ou se trouve le rayon
réfracté est supérieur à l’indice du milieu extérieur

n2 n1

● l’angle d’incidence de la lumière sur la paroi de
séparation des deux milieux est supérieur à l’angle limite

imax i1 imax

Chapitre 13: Ondes en médecine 199

Exercices

CONNAITRE autre est une ………. Par contre, l’expérience montre
que si la lumière passe de l’…… au ……………, son
1 Période et fréquence trajet est ………. quand la lumière franchi la surface de
……………... entre les 2 milieux, c’est le phénomène de
1.Donner la définition de la période, puis celle de la réfraction. Plus généralement, il s’observe quand la
fréquence. lumière ……………… de milieu
2.Dire si les affirmations suivantes sont vraies ou
fausses : 5 Savoir les définitions.
a.Si la période est multipliée par deux, la fréquence
est multipliée par deux. à partir des définitions ci-
dessous, recopier et associer le
b.La fréquence est l’opposé de la période. nom à son numéro sur le schéma
ci-contre :
c.La relation entre la fréquence f et la période T est
f x T = 1. Rayon incident (n°……) : c’est le
rayon qui traverse le 1er milieu
d.Les jours se succèdent à une fréquence de 1 Hz.
Rayon réfracté (n°……): c’est le
3. On donne une série de données relatives à des rayon qui traverse le 2ème milieu
phénomènes périodiques :
100 fois par seconde ; 50 Hz ; 2,5 min. Surface de séparation (n°……) :
c’est la surface qui sépare les 2 milieux
a.Identifier celles qui correspondent à une période, Point d’incidence I (n°……) : c’est l’intersection entre
puis celles qui correspondent à une fréquence. la surface de séparation et le rayon incident
Normale (n°……): c’est la perpendiculaire à la
b.Pour chaque période, calculer la fréquence surface de séparation
associée, et inversement.
6 QCM
2 Ondes sonores et électromagnétiques
Choisir une ou plusieurs réponses parmi celles
Indiquer, pour chaque phrase ci-dessous, si elle décrit proposés.
une onde sonore et/ou une onde électromagnétique.
1. Elle est issue d’un haut-parleur. 1.L’échographie utilise :
2.Elle se propage dans tout l’Univers. a.Des ondes lumineuses.
3.Elle se propage dans un milieu matériel.
b.Des ondes ultrasonores.
3 Ondes en compétitions
c.Des ondes sonores.
Dans l’air, pour chaque cas, quelle est l’onde la plus
rapide : d.Des ondes électromagnétiques.

1.entre une onde lumineuse et une onde sonore ? 2.La fibroscopie utilise le phénomène de :
2. entre des rayons X et une onde ultrasonore ? a.Réflexion totale.
3.entre une onde infrarouge et une onde ultraviolette ?
b.Réfraction.
4 Changement de milieu.
c.Dispersion.
Recopier et compléter le texte ci-dessous avec les
mots suivants : air, change, dévié, droite, milieux, 3.La radiographie utilise :
plexiglas, séparation, transparente, verre, a.Des ondes ultrasonores.

En optique (branche de la physique qui s’intéresse b.Des ondes radio.
à la lumière), l’air, l’eau, le plexiglas, le ……….. sont
des matières qui laissent passer la lumière parce c.Des rayons X.
qu’elle sont ………………. Ces matières son appelées
des ………….. . L’air est un milieu homogène, le trajet
emprunté par la lumière pour aller d’un point à un

200 Chapitre 13 : Ondes en médecine