Chapitre 5.2.1, 5.2.2 et 5.2.3 - sciences sec 4

5.2 LES CIRCUITS ÉLECTRIQUES

Certains matériaux, comme les métaux, ont la particularité de permettre aux électrons de circuler facilement. Ces matériaux sont appelés des conducteurs électriques.

Quand on relie les uns aux autres plusieurs éléments conducteurs et qu’on branche une source d’énergie électrique à ces éléments, les électrons circulent d’un conducteur à un autre. On crée ce que l’on appelle un «circuit électrique».

Un circuit électrique est un ensemble de conducteurs électriques reliés en boucle et formant un parcours continu dans lequel les particules chargées électriquement peuvent circuler.

La figure 7 illustre un circuit électrique. On représente le plus souvent les circuits électriques sous forme schématique, les différentes composantes étant illustrées par des symboles normalisés.

FIGURE 7 ➟ La géométrie des fils n’est pas tout à fait identique sur l’illustration et sur le schéma du circuit électrique: néanmoins, c’est le même circuit qui est représenté.

Différentes composantes de circuits électriques avec leur symbole normalisé.

Source d’alimentation continue: la source (une pile, par exemple) fournit l’énergie électrique qui met les électrons en mouvement dans le circuit.	Conducteur: les composantes d’un circuit sont reliées par des fils conducteurs.	Ampoule: une ampoule transforme l’énergie électrique en énergie lumineuse et en énergie thermique.	Résisteur: un résisteur transforme l’énergie électrique en énergie thermique

Un circuit électrique doit former une boucle fermée pour que les électrons puissent y circuler (voir figure 9).

Quand des particules chargées circulent dans un circuit, il y a, dans ce circuit, ce qu’on appelle un «courant électrique».

FIGURE 9 ➟ Le circuit présente une ouverture: les électrons ne circulent pas, l’ampoule ne s’allume pas et le résisteur ne chauffe pas.

Un courant électrique est un déplacement de charges électriques dans un circuit.

L’intensité du courant électrique (symbolisé par la lettre l) correspond à la quantité de charge qui passe en un point donné d’un circuit durant une unité de temps.

L’intensité du courant se mesure en ampères (A) à l’aide d’un ampèremètre. Un ampère correspond à un coulomb par seconde (1 A = 1 C/s).

S’il n’y a pas de source d’alimentation (une pile, par exemple) dans un circuit, il n’y aura pas de courant dans ce circuit.

Cependant, pour des raisons historiques, le courant électrique conventionnel est défini comme un courant qui circule de la borne positive vers la borne négative.

Les sources d’alimentation électrique créent, dans un circuit, ce qu’on appelle une «différence de potentiel»», aussi appelée «tension électrique» (ou «voltage» dans le langage courant).

La différence de potentiel ou tension (représentée par la lettre U) entre deux points d’un circuit correspond à l’énergie électrique gagnée ou perdu, par unité de charge, par une particule chargée passant de l’un à l’autre de ces points.

La différence de potentiel se mesure en volts (V) à l’aide d’un voltmètre. Un volt correspond à un joule par coulomb (1 V = 1 J/C).

Les sources d’alimentation transfèrent de l’énergie électrique aux charges qui les traversent. À l’inverse, les charges perdent de l’énergie électrique en traversant une composante comme un résisteur ou une ampoule (l’énergie électrique est transformée en une autre forme d’énergie et transférée à l’élément du circuit traversé ou à son environnement).

Plus la différence de potentiel entre les bornes d’une composante d’un circuit est importante, plus l’énergie de chacun des électrons qui la traversent varie.

L’intensité du courant électrique:

• Symbole: I

• Unité de mesure: A (ampère)

• Le sens du courant conventionnel va du + vers la -.

• I, c’est la mesure de la quantité de charges électriques qui passent en un point donné du circuit durant une unité de temps (une seconde).

• La charge électrique:

  • Étant donné que le nombre d’électrons qui circulent dans un circuit est très élevé, on fait un regroupement de ces électrons qu’on appelle le «coulomb».

  • 1C = 6,25 × 10¹⁸ charges élémentaires (électrons).

  • Un courant de 1 ampère signifie:

    • 1A = 1 coulomb/1 seconde

La différence de potentiel (aussi appelée tension électrique)

• Symbole: U

• Unité de mesure: V (Volt)

• La différence de potentiel se mesure obligatoirement entre 2 points d’un circuit électrique.

• Elle représente la quantité d’énergie gagnée par les charges aux bornes de la source d’alimentation.

• Elle représente aussi la quantité d’énergie perdue par les charges aux bornes d’une ampoule, par exemple.

• Une tension de 1 volt signifie:

  • 1V = quantité d’énergie/unité de charge = 1 Joule/1 Coulomb = 1 J/1C

5.2.1 LES TYPES DE CIRCUITS ÉLECTRIQUES

FIGURE 11 ➟ Un circuit simple formé d’une pile et d’une ampoule.

Types de circuits:

	Exemple	Caractéristiques
Circuit en série: circuit dans lequel il n’y a q’un seul chemin pour le passage du courant.	Deux ampoules sont branchées en série avec une pile. Si le courant est de 2 A dans l’une des ampoules, il doit également être de 2 A dans la seconde ampoule.	Dans un circuit en série, l’intensité du courant est la même partout. En effet, comme il n’y a qu’un seul chemin pour le passage du courant, toutes les particules chargées l’empruntent. Le rythme auquel la charge traverse chacune des composantes du circuit est donc le même. De plus, chaque fois qu’on ajoute une nouvelle ampoule, elles s’allument plus faiblement car elles se partagent l’énergie fournie par la source de tension.
Circuit en parallèle: circuit dans lequel les particules chargées passent soit par une composante, soit par une autre.	Deux ampoules sont branchées en parallèle avec une pile. Si la différence de potentiel aux bornes de la pile est de 6 V, la différence de potentiel aux bornes de la première ampoule doit être de 6 V, et la différence de potentiel aux bornes de la seconde ampoule doit être de 6 V.	Dans un circuit en parallèle, l’intensité du courant n’est pas nécessairement la même dans chacune des composantes. Par contre, puisque chaque composante est branchée directement à la pile, la différence de potentiel aux bornes de chacune des composantes est égale à la différence de potentiel aux bornes de la pile. Si un composant est défectueux, les composants qui se trouvent dans les autres branches du circuit continuent de fonctionner de manière indépendante. Chaque fois qu’on ajoute une nouvelle ampoule en parallèle, elles s’allument toutes avec la même brillance comme si elles étaient seules dans leur circuit. C’est donc la source qui doit fournir un plus fort courant électrique pour alimenter les ampoules en énergie.

5.2.2 LES INSTRUMENTS DE MESURE

Pour mesurer l’intensité du courant, on utilise un ampèremètre, alors que pour mesurer la différence de potentiel on utilise un voltmètre.

FIGURE 12 ➟ Les symboles normalisés utilisés pour représenter un ampèremètre et un voltmètre.

Pour mesurer l’intensité du courant électrique qui traverse une composante d’un circuit, on utilise un instrument appelé «ampèremètre».

Comment utiliser un ampèremètre:

• Insérer l’ampèremètre dans le circuit. Un ampèremètre doit toujours être branché en série avec la composante dans laquelle on veut mesurer l’intensité du courant.

• Il est préférable d’insérer l’ampèremètre en montant le circuit car cela évite d’avoir à l’ouvrir.

FIGURE 14 ➟

c) On branche l’ampèremètre en série avec le résisteur.

d) Un schéma du circuit obtenu.

Pour mesurer la différence de potentiel aux bornes d’une composante d’un circuit, on utilise un instrument appelé «voltmètre».

Comment utiliser un voltmètre:

• Brancher le voltmètre en parallèle avec la composante aux bornes de laquelle on veut connaître la différence de potentiel.

• Le + du voltmètre avec le + du résisteur. Idem pour le -.

FIGURE 15 ➟

a) On souhaite mesurer la différence de potentiel aux bornes du résisteur.

b) On branche le voltmètre en parallèle avec le résisteur.

c) Un schéma du circuit obtenu.

5.2.3 LA LOI D’OHM

Certaines composantes des circuits électriques, bien que conductrices, offrent une opposition au passage du courant et font perdre aux particules chargées une partie de leur énergie. Les ampoules et les résisteurs sont des exemples de ce type de composantes.

La résistance (R) est la propriété physique qui décrit à quel point une composante d’un circuit électrique s’oppose au passage du courant.

La loi d’Ohm s’exprime par l’équation suivante:

La résistance électrique:

• symbole: R

• Unité de mesure: Ohm (Ω)

• C’est une mesure de l’opposition au passage du courant électrique qu’offre une composante du circuit ou une substance.

• Les substances qui offrent une résistance infiniment grande sont des isolants; le courant ne peut pas les traverser. D’autres matériaux sont supraconducteurs: leur résistance est nulle.

La loi d’Ohm:

• Elle exprime la relation entre U, R et I.

• Plusieurs énoncés permettent d’exprimer la loi d’Ohm de manière qualitative:

  • Pour une tension donnée, plus la valeur de R est grande, plus faible sera l’intensité du courant.

  • Pour maintenir un courant constant lorsque la valeur de la résistance augmente, il faudra une plus grande tension électrique.

Représentation graphique de la loi d’Ohm:

• Le calcul du taux de variation sur un graphique de la tension (U/V = y) en fonction de l’intensité du courant (I/A = x) (U=f(I)) permet d’obtenir la valeur de la résistance.

• R = ΔU/ΔI = U₂-U₁ / I₂-I₁

La conductance électrique:

• Symbole: G

• Unité de mesure: S (Siemens)

• C’est une mesure de la facilité d’une composante d’un circuit électrique ou d’une substance à laisser passer le courant électrique.

• Les substances qui offrent une conductance infiniment grande sont des supraconducteurs.

• Les isolants électriques ont une conductance nulle.

Représentation graphique de la conductance:

• Elle se détermine par le calcul du taux de variation sur un graphique de l’intensité du courant (I/A = y) en fonction de la tension électrique (U/V = x) (I = f(U)).

Relations entre la résistance et la conductance (G est l’inverse de R):

• Résistance: R = U/I (avec Δ dans un graphique)

• Conductance: G = I/U (avec Δ dans un graphique)

LES PARAMÈTRES: LEURS ÉQUATIONS EN ÉQUIVALENCES

Paramètres:

Équations mathématiques:

• U = RI (loi d’Ohm)

• G = 1/R

• G = I/U

Équivalences des unités:

• 1A = 1 C/S

• 1V = 1 J/S

• 1Ω = 1 V/A

• 1C = 6,25 × 10¹⁸ charges électriques (électrons)