P5. Électricité

Ce paragraphe ne contient que des notions que vous devriez avoir vues dans les classes antérieures…

Un circuit électrique, c’est un ensemble de fils et de « composants » électriques (une ampoule, un moteur, une résistance, etc…) connecté entre eux. Un de ces composant est un générateur.

Qu’est-ce qu’un courant électrique ?

Un courant électrique, c’est un déplacement de charges électriques. Dans la plupart des circuits, ces charges sont des électrons. Un courant électrique, c’est donc un mouvement d’électrons qui se déplacent dans les fils et dans les différents composants du circuit.

Dans les conditions habituelles, les électrons ne peuvent pas se déplacer dans l’air. Pour qu’il y ait un courant dans un circuit, il faut donc que tous les fils et tous les composants soient reliés entre eux de manière à offrir un chemin continu au courant électrique. On dit que le circuit est fermé.
S’il y a une interruption dans le circuit (par exemple, si l’extrémité d’un fil est débranché), le courant ne peut pas circuler. On dit alors que le circuit est ouvert.

Rôle du générateur

Les électrons, comme les élèves, ne se mettent pas en mouvement sans raison. 😊
Pour les mettre en mouvement, il faut que « quelque chose » les « poussent ». C’est le rôle du générateur.
Le générateur va « pousser » le courant par sa borne ⊕ et l’« aspirer » par sa borne ⊖.

Intensité du courant électrique

Je l’ai dit plus haut, un courant électrique, c’est un mouvement de charges électriques. C’est-à-dire, dans la plupart des cas (et surtout, dans tout ce qu’on verra en 3^e), un mouvement d’électrons.
De la même manière qu’un débit d’eau à un robinet, c’est un mouvement d’eau. Vous pouvez avoir un tout petit filet d’eau qui sort du robinet, ou alors un jet très puissant.

Pour un courant électrique, c’est la même chose : vous pouvez avoir un petit courant ou un courant très fort. La grandeur qui varie ici est l’intensité du courant électrique. Ça dépend de plusieurs facteurs sur lesquels on reviendra au paragraphe suivant.

Sens du courant électrique

Le courant électrique se déplace de la borne ⊕ du générateur vers la borne ⊖.

• Loi d’Ohm

La loi d’Ohm est très simple : elle dit que dans certains conducteurs (les conducteurs ohmiques, voir paragraphe suivant), l’intensité du courant qui les traverse est proportionnelle à la tension qu’on applique à ses bornes. Le coefficient de propotionnalité est appelé la résistance du conducteur. Elle est généralement notée $*R*$ et s’exprime en ohm (symbole : Ω)

Conducteur ohmique

Un conducteur ohmique est un composant d’un circuit qui obéit… à la loi d’Ohm. Le cas le plus courant est un composant qu’on appelle résistor (ou encore souvent résistance – mais il ne faut pas confondre l’objet (le résistor) et la grandeur physique (sa résistance).

• Dipôles en série, dipôles en dérivation
• Loi d’additivité des tensions (circuit à une seule maille)
• L’intensité du courant électrique est la même en tout point d’un circuit qui ne compte que des dipôles en série
• Loi d’additivité des intensités (circuit à deux mailles)
• Exploiter les lois de l’électricité
• Mettre en relation les lois de l’électricité et les règles de sécurité dans ce domaine

Schématiser un circuit

Pour bien comprendre ce qui se passe dans un circuit électrique, il est nécessaire d’avoir un schéma de ce circuit (ou bien de le dessiner). Un schéma électrique respecte certaines conventions pour permettre la plus grande clarté.

Le circuit électrique schématisé ci-dessous montre un générateur $* \mathrm{G} *$ relié à une résistance $*R*$ et à un interrupteur (sur ce circuit, l’interrupteur est ouvert – donc aucun courant ne circule).

Remarquez que les fils électriques (ce qui relie la borne ⊕ du générateur à la résistance, puis la résistance à l’interrupteur, puis l’interrupteur à la borne ⊖ du générateur) sont représentés par des segments faisant des angles droits entre eux.

Un circuit électrique peut bien sûr être beaucoup plus complexe. C’est pourquoi il est important de respecter les conventions. Le circuit ci-dessous est un exemple d’un circuit un peu plus compliqué.

Mesurer une tension

Une tension entre deux points se mesure avec un voltmère. Le symbole d’un voltmère, dans un schéma électrique, est la lettre V placée dans un rond. En terme de tension, tous les points d’un fil, ou de plusieurs fils connectés entre eux, ou encore d’un interrupteur fermé, sont équivalents (on dit qu’ils sont au même potentiel électrique).

Dans le circuit ci-dessus, la tension mesurée par le voltmètre V₁ est la même que celle mesurée par le voltmètre V₂, car ces deux voltmètres mesurent la tension entre des points situés dans la zone en rouge et dans la zone en bleue.

Mesures de tension

Voici un circuit plutôt compliqué ! 😊

1. Repassez dans une même couleur les points qui sont au même potentiel électrique.

2. Proposez un branchement de voltmètre permettant de mesurer la tension aux bornes de la résistance $*R_2*$.

3. Que peut-on dire de la tension au bornes de $* R_3 *$ par rapport à la tension $* R_2 *$ ?

Loi d’additivité des tensions

On l’a vu un peu plus haut, une tension se mesure entre deux points. Pour représenter une tension sur un schéma, on utilise une flèche. En troisième, on orientera la flèche de tension de la borne négative (c’est-à-dire du potentiel électrique le plus bas) vers la borne positive (c’est-à-dire le potentiel électrique le plus haut).

La tension aux bornes du générateur (ou entre n’importe quel point en rouge et n’importe quel point en orange) est notée $* U_\mathrm{AC} *$.
La tension aux bornes de la résistance $* R_1 *$ correspond à la tension entre les points A et B. Elle est orientée de B vers A (car le point A est lié à la borne + du générateur, c’est lui – et tous les points en rouge – qui a le potentiel électrique le plus élevé) et est notée $* U_\mathrm{AB} *$.
Même principe pour la tension aux bornes de la résistance $* R_2*$, qui est notée $* U_\mathrm{BC} *$.

Par exemple, si, dans le schéma ci-dessus, on a $*U_\mathrm{AB}*$ = 2 V et $*U_\mathrm{BC}*$ = 4 V, alors nécessairement, $*U_\mathrm{AC}*$ = 6 V.

Loi d’additivité

Soit le circuit ci-dessous. La tension $*U_\mathrm{PN}*$ aux bornes du générateur vaut 12,0 V. La tension $*U_\mathrm{PA}*$ vaut 4,0 V.

1. Repasser dans une même couleur les points qui sont au même potentiel électrique

2. Donner les valeurs des tensions $*U_\mathrm{AB}*$, $*U_\mathrm{AC}*$, $*U_\mathrm{CD}*$ et $*U_\mathrm{DB}*$

Intensité et loi des nœuds

Lorsque le courant circule dans un circuit électrique fermée, il n’y a pas de « fuite » de courant.

Le courant qui sort du générateur ($* i_1 *$) traverse la première résistance R₁. Le courant (qui est un mouvement de charges électrique) reste identique après la traversée de R₁, car il n’y a pas d’accumulation ou de disparition de charges dans R₁.
Lorsque le courant arrive au nœud A (en électricité, un nœud est la connexion entre plusieurs fils), il se divise en deux (pas forcément de manière égale).
Les courants $* i_2 *$ et $* i_3 *$ correspondent donc aux deux parties de $* i_1 *$. Autrement dit : $* i_1 = i_2 + i_3 *$
De la même manière, au nœud B, les courants $* i_2 *$ et $* i_3 *$ se rejoignent. Donc après ce nœud, le courant est égal à $* i_1 *$.

Étude d’un circuit électrique

Soit le circuit ci-dessous.

Données

• $*U_\mathrm{PN}*$ = 12,0 V
• $*U_\mathrm{PA}*$ = 4,0 V
• $*R_1*$ = 100 Ω
• $*R_2*$ = 400 Ω

1. Déterminer la valeur de $*i_1*$.
2. Déterminer la valeur de $*i_2*$.
3. En déduire la valeur de $*i_3*$ et de $*r_3*$.

TP Électricité

1. Circuit série

Réaliser le circuit ci-dessous.

• Mesurer la tension aux bornes du générateur $* U_\mathrm{AC} *$, puis aux bornes de chaque résistance $* U_\mathrm{AB} *$ et $* U_\mathrm{BC} *$
• Vérifier la loi d’ohm aux bornes de chaque résistance
• Vérifier la loi d’additivité des tensions.

2. Circuit parallèle

Réaliser le circuit ci-dessous.

• Mesurer l’intensité sortant du générateur
• Mesurer l’intensité traversant R₂ et celle traversant R₃. Que constate-t-on ?

• Puissance électrique $*P=UI*$
• Relation liant l’énergie, la puissance électrique et la durée
• Conduire un calcul de consommation d’énergie électrique relatif à une situation de la vie courante

Puissance électrique

Nous avons vu au chapitre P4 c’est qu’était une puissance. Une puissance, c’est un débit d’énergie, c’est-à-dire un nombre de joules échangés au cours d’une seconde.

Pour calculer la puissance électrique fournie par un générateur ou absorbée par un dipôle électrique, il suffit de connaître la tension $*U*$ à ses bornes et l’intensité $*I*$ qui le travers.

Énergie électrique

Rien de nouveau ici, nous avons vu cela au chapitre précédent. Pour calculer l’énergie électrique produite ou consommée par un élement d’un circuit électrique, il suffit de connaître la puissance produite ou consommée et la durée de fonctionnement.