Le courant electrique continu support de cours

Le courant electrique continu support de cours

...

Dipôle

– Un dipôle est un composant électrique qui possède deux bornes.

– Il est récepteur s’il transforme le courant électrique en énergie (mécanique, lumineuse, thermique…).

Exemple : lampe, diode, moteur…

– Il est générateur s’il fournit de l’énergie électrique au circuit.

Exemple : pile, générateur de courant continu… piles moteur

D.E.L. : diodes Electroluminescentes résistances diode interrupteur

• Circuit

– Un circuit est une suite de dipôles reliés par des fils.

– Un circuit contient au moins un générateur (ex : pile) et un récepteur (ex : lampe). exemple de circuit électrique

• Nœud

– Un nœud est le point d'intersection avec connexion d'au moins 3 conducteurs.

– Si deux nœuds sont seulement séparés par un fil, il s'agit d’un court-circuit, et donc d’un seul et même noeud. exemple de circuit électrique possédant 2 nœuds

• Branche

– Une branche est un morceau du circuit compris entre deux nœuds consécutifs.

– Une branche contient au moins un dipôle.

– On appelle branche principale celle qui contient le générateur (celle en rouge sur la figure). exemple de circuit électrique possédant 4 nœuds et 6 branches

• Montage en série

Sur la figure ci-contre, le courant ne passe que si la boucle n’a pas de coupure et possède un générateur : il faut fermer l’interrupteur.

– Deux dipôles sont montés en série s’ils sont branchés l'un à la suite de l'autre sans nœud entre les deux.

Exemple de montage série (simple boucle)

• Montage en dérivation

– Deux dipôles sont montés en dérivation s’ils sont séparés par deux nœuds et que l'on peut relier leurs bornes deux à deux (des deux côtés) en ne passant que par des fils de connexion (sans rencontrer d'autre nœud).

Inconvénient : si on branche trop de boucles sur le même générateur, il peut délivrer un courant trop élevé pour lui et les fils, donc, surchauffe.

Exemple de montage en dérivation (plusieurs boucles : ici, il y en a deux)

Générateur de courant continu

Pile Lampe Interrupteur ouvert fermé

Moteur Diode D.E.L. : diodes électroluminescentes

Résistance Fil de connexion

Questions :

1. Sur la figure, placez les bornes + et

– sur le générateur.

2. Sur la figure ci-dessous, indiquez les nœuds par des lettres majuscules.
3. Déterminer le nombre de branches.
4. Sur la figure ci-dessous, repassez la branche principale en couleur.
5. Précisez les dipôles montés en série.
6. Précisez les dipôles montés en dérivation.
7. Déterminez le nombre de fils nécessaire au montage.

…

Réponses :

1. Sur la figure, placez les bornes + et

– sur le générateur.

2. Sur la figure ci-dessous, indiquez les nœuds par des lettres majuscules.
3. Déterminer le nombre de branches.
4. Sur la figure ci-dessous, repassez la branche principale en couleur.
5. Précisez les dipôles montés en série.
6. Précisez les dipôles montés en dérivation.
7. Déterminez le nombre de fils nécessaire au montage.

Réponses :

1. Sur la figure, placez les bornes + et

– sur le générateur.

2. Sur la figure ci-dessous, indiquez les nœuds par des lettres majuscules.
3. Déterminer le nombre de branches.
4. Sur la figure ci-dessous, repassez la branche principale en couleur.
5. Précisez les dipôles montés en série.
6. Précisez les dipôles montés en dérivation.
7. Déterminez le nombre de fils nécessaire au montage.

…

Réponses :

1. Sur la figure, placez les bornes + et

– sur le générateur.

2. Sur la figure ci-dessous, indiquez les nœuds par des lettres majuscules.
3. Déterminer le nombre de branches : il y a 10 branches
4. Sur la figure ci-dessous, repassez la branche principale en couleur.
5. Précisez les dipôles montés en série.
6. Précisez les dipôles montés en dérivation.
7. Déterminez le nombre de fils nécessaire au montage.

….

Réponses :

1. Sur la figure, placez les bornes + et

– sur le générateur.

2. Sur la figure ci-dessous, indiquez les nœuds par des lettres majuscules.
3. Déterminer le nombre de branches
4. Sur la figure ci-dessous, repassez la branche principale en couleur.
5. Précisez les dipôles montés en série.
6. Précisez les dipôles montés en dérivation.
7. Déterminez le nombre de fils nécessaire au montage.

…

Réponses :

1. Sur la figure, placez les bornes + et – sur le générateur.
2. Sur la figure ci-dessous, indiquez les nœuds par des lettres majuscules.
3. Déterminer le nombre de branches
4. Sur la figure ci-dessous, repassez la branche principale en couleur.
5. Précisez les dipôles montés en série :

R1 et R2, R10 et R11.

6. Précisez les dipôles montés en dérivation.
7. Déterminez le nombre de fils nécessaire au montage.

…

Réponses :

1. Sur la figure, placez les bornes + et

– sur le générateur.

2. Sur la figure ci-dessous, indiquez les nœuds par des lettres majuscules.
3. Déterminer le nombre de branches
4. Sur la figure ci-dessous, repassez la branche principale en couleur.
5. Précisez les dipôles montés en série.
6. Précisez les dipôles montés en dérivation : R4 et R5 (entre B et C),

R6 et pile (entre A et B).

7. Déterminez le nombre de fils nécessaire au montage.

…

Réponses :

1. Sur la figure, placez les bornes + et

– sur le générateur.

2. Sur la figure ci-dessous, indiquez les nœuds par des lettres majuscules.
3. Déterminer le nombre de branches
4. Sur la figure ci-dessous, repassez la branche principale en couleur.
5. Précisez les dipôles montés en série.
6. Précisez les dipôles montés en dérivation.
7. Déterminez le nombre de fils nécessaire au montage : on a besoin de 22 fils (en pratique, seulement 17).

…

L’INTENSITÉ DU COURANT

Chapitre 2

• Expérience

– Réaliser un circuit en boucle simple comportant une pile (4.5 V), un interrupteur et une lampe (6 V – 100 mA).

• Réponses :

1. Quel est le symbole normalisé d’un ampèremètre ?

Circuit en boucle simple

A COM

• Réponses :

2. Schématiser le circuit électrique avec l’ampèremètre.

Schéma correspondant au circuit

A

I1

Circuit en boucle simple

• Réponses :

3. Quel est l’unité d’intensité ?

L’unité d’intensité est l’ampère (symbole : A).

Schéma du premier circuit

• Réponses :

4. Que vaut l’intensité du courant lorsque l’interrupteur est ouvert ?

Lorsque l’interrupteur est ouvert, le circuit est ouvert, il n’y a pas de courant qui circule dans la lampe : l’intensité est nulle,

donc I1 = 0 A.

Schéma du premier circuit

• Réponses :

5. Que vaut l’intensité du courant lorsque l’interrupteur est fermé ?

Lorsque l’interrupteur est fermé, le circuit est fermé, il y a un courant qui circule dans la lampe : l’intensité I1 est positive, donc I1 > 0 A.

Schéma du premier circuit

• Réponses :

6. Ajouter une deuxième lampe en série, puis schématiser le circuit complet de la mesure, et mesurer à nouveau l’intensité dans la lampe précédente.

I2 = I1 / 2 : les lampes s’éclairent moins.

Schéma du premier circuit Schéma du second circuit

I2 < I1 : les lampes s’éclairent moins.

• Réponses :

7. Que pouvez-vous conclure ?

Dans un circuit série, plus on ajoute de dipôles récepteurs, plus l’intensité du courant, qui les traverse, diminue.

• Nature et sens du courant

– Le courant électrique continu consiste en un déplacement de charges électriques négatives : les électrons.

– Les électrons se déplacent de la borne (–) vers la borne (+) du générateur.

– Mais par convention, on précise sur les schémas le sens du courant de la borne (+) vers la borne (–) du générateur.

• Intensité du courant

– Les charges électriques se déplacent dans un circuit électrique comme un fluide (air, eau) dans un tuyau.

– Le débit représente la quantité de fluide qui passe dans une section du tuyau pendant l'unité de temps (exemple : 3 litres par seconde).

– De même, l'intensité du courant représente le débit des charges électriques en un point du circuit (dans une section du conducteur).

• Montage

– L’intensité du courant électrique se mesure avec un ampèremètre branché en série.

• Unité

– L’unité d’intensité est l’ampère (symbole A).

– Le milliampère (mA) est très utilisé : 1 mA = 0,001 A.

• Remarques

– Lorsque l’intensité du courant traversant une lampe augmente, son éclat augmente.

– L’intensité du courant d’un circuit ouvert est nulle.

• Expérience

– Réaliser un circuit en boucle simple comportant un générateur et deux lampes différentes.

– Placer l’ampèremètre à diverses positions dans le circuit et répondez aux questions.

– Matériel : Générateur (4.5 V) + Lampes (6 V – 100 mA)

• Réponses :

1. Schématiser le circuit électrique. On note L1 et L2 les deux lampes, sachant que L1 est celle la plus proche de la borne + du générateur.

G

L2 L1

3 − + 1

2

• Réponses :

2. Placer l’ampèremètre avant la lampe L1.

Que vaut l’intensité du courant I1 ?

Exemple : I1 ≈ 56.5 mA.

• Réponses :

3. Déplacer l’ampèremètre entre les deux lampes L1 et L2.

Que vaut l’intensité du courant I2 ?

Exemple : I2 ≈ 56.3 mA.

A COM

• Réponses :

4. Déplacer l’ampèremètre après la lampe L2.

Que vaut l’intensité du courant I3 ?

Exemple : I3 ≈ 56.8 mA.

• Réponses :

5. Que pouvez-vous en conclure ?

I1 = I2 = I3 ≈ 56.5 mA.

A COM

• Réponses :

6. Permuter les lampes et recommencer les mesures.

Que remarque t -on ?

L’intensité ne dépend pas de l’ordre des dipôles récepteurs dans un circuit en série.

I = I’ ≈ 56.5 mA.

• Loi d’unicité de l’intensité

– Dans un circuit série, l’intensité du courant est la même dans tous les dipôles.

– L’intensité du courant ne dépend pas de l’ordre des dipôles.

• Influence du nombre de dipôles

– Dans un circuit série, plus on ajoute de dipôles récepteurs, plus l’intensité du courant, qui les traverse, diminue.

I1

I2 < I1 : les lampes s’éclairent moins.

• Expérience

– Réaliser un circuit comportant un générateur et deux lampes en dérivation.

– Placer l’ampèremètre à diverses positions dans le circuit et ré- pondez aux questions.

– Matériel : Générateur (4.5 V) + Lampes (6 V – 100 mA)

• Réponses :

1. Schématiser le circuit électrique. On note L1 et L2 les deux lampes, sachant que L1 est celle la plus proche du générateur.

• Rappels

– Le circuit comporte une branche principale (celle où se trouve le générateur) et deux branches dérivées.

– Toutes ces branches se raccordent aux deux nœuds A et B.

• Réponses :

2. Placer l’ampèremètre sur la branche principale.

Que vaut l’intensité du courant I ?

Exemple : I ≈ 141.5 mA.

Vérifier que l’intensité est la même sur toute la branche principale.

…

• Réponses :

3. Placer l’ampèremètre sur chaque branche dérivée.

Que valent les intensités du courant I1 dans la lampe L1, et I2 dans la lampe L2 ?

Exemple :

I1 ≈ 71.5 mA et

I G 2 ≈ 70.8 mA. L2

Réponses :

4. Que pouvez-vous en conclure ?

…

• Loi d’additivité des intensités

– Dans un circuit en dérivation, l’intensité du courant dans la branche principale est égale à la somme des intensités des courants dans les branches dérivées.

– Exemple sur la figure ci-dessous : pour trois dipôles en dérivation, on a I = I1 + I2 + I3… pour chacun des deux nœuds.

…

• Influence du nombre de branches dérivées

– Dans un circuit en dérivation, plus on ajoute de branches dérivées, plus l’intensité du courant, qui traverse la branche principale, augmente.

G + − L1

I I1

G L2 + − L1

I’ I1 I2

I < I’ car I1 < I1 + I2 : le générateur est surchargé.

• Attention !!!

– Dans un circuit en dérivation, plus on ajoute de branches dérivées, plus l’intensité du courant, qui traverse la branche principale, augmente.

 Si le courant dans la branche principale est trop important, cela entraîne un surchauffement des fils de connexion (risque d’incendie) et une déterioration progressive du générateur.

G − + M

• Sujet :

Indique pour chaque intensité le calibre le mieux adapté (disponible sur l’ampèremètre ci-contre).

Intensité 25 mA 8 mA 1,5 A 0,195 A

Calibre

Intensité 1,95 mA 205 mA 150 µA 2,2 A

Calibre

• Réponse :

Indique pour chaque intensité le calibre le mieux adapté (disponible sur l’ampèremètre ci-contre).

Intensité 25 mA 8 mA 1,5 A 0,195 A

Calibre 200 mA 20 mA 2000 mA 200 mA

Intensité 1,95 mA 205 mA 150 µA 2,2 A

Calibre 2 mA 2000 mA 200 µA ERREUR

• Sujet :

Observe le montage ci-contre.

1. Réalise le schéma correspondant au montage ci-contre.

• Réponse :

Observe le montage ci-contre.

1. Réalise le schéma correspondant au montage ci-contre.

A I COM A

+ –

• Sujet :

Observe le montage ci-contre.

2. L’ampèremètre est-il correctement branché ? Justifie ta réponse.
3. Si l’on place l’ampèremètre entre la pile et la lampe, quelle sera la valeur mesurée ?

• Réponse :

Observe le montage ci-contre.

2. L’ampèremètre est-il correctement branché ? Justifie ta réponse.

Non, l’ampèremètre est branché à l’envers : le courant rentre ici par la borne COM et la valeur mesurée est négative. Il faudrait inverser les bornes.

3. Si l’on place l’ampèremètre entre la pile et la lampe, quelle sera la valeur mesurée ?

• Réponse :

Observe le montage ci-contre.

2. L’ampèremètre est-il correctement branché ? Justifie ta réponse.
3. Si l’on place l’ampèremètre entre la pile et la lampe, quelle sera la valeur mesurée ?

Si l’on place l’ampèremètre entre la pile et la lampe, sans changer le sens de l’ampèremètre, la valeur mesurée sera de

– 17.3 mA : loi d’unicité du courant dans un circuit en série.

• Sujet :

Observe le montage ci-contre.

4. Quel est le calibre utilisé ?
5. Quelle est l’intensité mesurée ?
6. Le calibre choisi est-il le mieux adapté ?

Justifie ta réponse.

• Réponse :

Observe le montage ci-contre.

4. Quel est le calibre utilisé ?

Le calibre utilisé est : 20 mA

5. Quelle est l’intensité mesurée ?
6. Le calibre choisi est-il le mieux adapté ?

Justifie ta réponse.

• Réponse :

Observe le montage ci-contre.

4. Quel est le calibre utilisé ?
5. Quelle est l’intensité mesurée ?

L’intensité mesurée est :

I = – 17.3 mA

6. Le calibre choisi est-il le mieux adapté ?

Justifie ta réponse.

• Réponse :

Observe le montage ci-contre.

4. Quel est le calibre utilisé ?
5. Quelle est l’intensité mesurée ?
6. Le calibre choisi est-il le mieux adapté ?

Justifie ta réponse.

Le calibre choisi est le mieux adapté : plus grand que la valeur mesurée pour permettre la mesure, mais le plus petit possible pour avoir la meilleure précision.

• Sujet :

Anita a dessiné ci-contre le montage qu’elle a réalisé.

1. Quelle loi Anita veut-elle vérifier en réalisant ce montage ?

• Réponse :

Anita a dessiné ci-contre le montage qu’elle a réalisé.

1. Quelle loi Anita veut-elle vérifier en réalisant ce montage ?

Anita veut vérifier la loi d’additivité des intensités dans un circuit en dérivation :

I = I1 + I2

• Sujet :

Anita a dessiné ci-contre le montage qu’elle a réalisé.

2. Les ampèremètres sont réglés sur le calibre 200 mA. Pourquoi l’un des ampèremètres affiche-t-il un « 1. » ?

Réponse :

Anita a dessiné ci-contre le montage qu’elle a réalisé.

2. Les ampèremètres sont réglés sur le calibre 200 mA. Pourquoi l’un des ampèremètres affiche-t-il un « 1. » ?

Le calibre choisi pour mesurer I est 200 mA, or I = I1 + I2 ≈ 300 mA > 200 mA, d’où le « 1. » affiché sur l’écran.

• Sujet :

Anita a dessiné ci-contre  le montage qu’elle a réalisé.

3. Calcule une valeur approchée de l’intensité I.

• Réponse :

Anita a dessiné ci-contre le montage qu’elle a réalisé.

3. Calcule une valeur approchée de l’intensité I.

Si on utilise la loi d’additivité des intensités pour calculer I, on a : I = I1 + I2 = 105.5 mA + 192.5 mA = 298.0 mA

• Sujet :

Anita a dessiné ci-contre le montage qu’elle a réalisé.

4. Dessine le schéma de ce montage en utilisant les symboles normalisés des différents dipôles.

• Réponse :

Anita a dessiné ci-contre le montage qu’elle a réalisé.

4. Schéma du circuit :

…

• Sujet :

Le circuit électrique d’une habitation est un circuit comportant des dérivations.

Pour comprendre son fonctionnement,

un élève a schématisé ce circuit (schéma ci-contre).

Un ampèremètre placé en série avec la pile mesure l’intensité du courant qui la traverse.

• Sujet :

Voici les mesures obtenues en fonction des états des interrupteurs.

1. Quelle loi peut expliquer que l’intensité du courant dans la branche principale vaut 300 mA lorsque les interrupteurs K1 et K2 sont fermés ?

Seul K1 est fermé 100 mA

Seul K2 est fermé 200 mA

Seul K3 est fermé 150 mA

K1 et K2 sont fermés 300 mA

• Réponse :

1. Quelle loi peut expliquer que l’intensité du courant dans la branche principale vaut 300 mA lorsque les interrupteurs K1 et K2 sont fermés ?

La loi d’additivité des intensités dans un circuit en dérivation peut expliquer l’intensité du courant dans la branche principale car :

300 mA = 100 mA + 200 mA.

• Sujet :

Voici les mesures obtenues en fonction des états des interrupteurs.

2. En utilisant le même raisonnement, quelle sera l’intensité du courant mesurée par l’ampèremètre si K1, K2 et K3 sont fermés ?

Seul K1 est fermé 100 mA

Seul K2 est fermé 200 mA

Seul K3 est fermé 150 mA

K1 et K2 sont fermés 300 mA

• Réponse :

2. En utilisant le même raisonnement, quelle sera l’intensité du courant mesurée par l’ampèremètre si K1, K2 et K3 sont fermés ?

Si K1, K2 et K3 sont fermés, l’intensité dans la branche principale est égale à la somme des intensités dans les lampes

L1, L2 et L3 soit :

100 mA + 200 mA + 150 mA = 450 mA

• Sujet :

Voici les mesures obtenues en fonction des états des interrupteurs.

3. Comment varie l’intensité du courant circulant dans le compteur d’une habitation lorsqu’on allume de plus en plus de lampes ?

Seul K1 est fermé 100 mA

Seul K2 est fermé 200 mA

Seul K3 est fermé 150 mA

K1 et K2 sont fermés 300 mA

• Réponse :

3. Comment varie l’intensité du courant circulant dans le compteur d’une habitation lorsqu’on allume de plus en plus de lampes ?

Plus on allume de lampes dans une habitation, plus l’intensité la branche principale augmente, plus le compteur de l’habitation tourne vite.

LA TENSION ÉLECTRIQUE

Chapitre 3

• Expérience

– Réaliser un circuit en boucle simple comportant une pile (4.5 V), un interrupteur et une lampe (6 V – 100 mA).

• Réponses :

1. Quel est le symbole normalisé d’un voltmètre ?

Circuit en boucle simple

V COM

Circuit en boucle simple

Schéma correspondant au circuit U1

• Réponses :

2. Schématiser le circuit électrique avec le voltmètre aux bornes de la lampe.

V COM

• Réponses :

3. Quel est l’unité de tension ?

L’unité de tension est le volt (symbole : V).

Schéma du premier circuit

V COM V

• Réponses :

4. Que vaut la tension aux bornes de chaque dipôle lorsque l’interrupteur est ouvert ?

Schéma du premier circuit

Dipôles Tension aux bornes des dipôles

Pile NON NULLE : ≈ 4.5 V

Lampe NULLE : 0 V

Interrupteur ouvert

NON NULLE : ≈ 4.5 V

Fil de connexion NULLE : 0 V

V COM V

• Réponses :

5. Que vaut la tension aux bornes de chaque dipôle lorsque l’interrupteur est fermé ?

Schéma du premier circuit

Dipôles Tension aux bornes des dipôles

Pile NON NULLE : ≈ 4.5 V Lampe NON NULLE : ≈ 4.5 V

Interrupteur fermé NULLE : 0 V

Fil de connexion NULLE : 0 V

V COM VI

IV très faible

• Définition de la tension électrique

– La tension électrique représente la différence entre deux états électriques en deux points d’un circuit.

• Montage

– La tension électrique aux bornes d'un dipôle se mesure avec un voltmètre branché en dérivation à ses bornes.

• Unité

– L’unité d’intensité est le volt (symbole V).

• Dans un circuit :

– La tension aux bornes d’un récepteur (autre qu’une diode) :

• est nulle si le courant est nul ;
• n’est pas nulle si le dipôle est parcouru par un courant.

– La tension aux bornes d’un interrupteur :

• ouvert n’est pas nulle ;
• fermé est nulle.

– La tension aux bornes d’un fil de connexion est nulle.

– La tension aux bornes d’un générateur (en bon état de fonctionnement) est constante et positive.

• Expérience

– Réaliser un circuit en boucle simple comportant un générateur et deux lampes différentes.

– Placer le voltmètre à diverses positions dans le circuit et répondez aux questions.

– Matériel : Générateur (4.5 V) + Lampes (6 V – 100 mA)

• Réponses :

1. Schématiser le circuit électrique. On note L1 et L2 les deux lampes, sachant que L1 est celle la plus proche de la borne + du générateur.