I) Mise en situation
Pour se familiariser avec le matériel électrique en laboratoire, nous proposons ici une séance d'activité expérimentale disponible en cliquant sur le lien Activité expérimentale n°3.
II) Rappels sur le circuit électrique
Nous avons déjà abordé les notions d'électricité en classe de 5ème. Nous les résumons dans ce paragraphe.
1) Le circuit
Un circuit électrique permet le transfert de l'énergie électrique issue d'un générateur vers un ou plusieurs récepteurs. Ce circuit forme une boucle et est constitué de fils conducteurs qui permettent de relier le générateur aux différents récepteurs. Certains recepteurs ont un sens de branchement. C'est le cas de la diode électroluminescente (D.E.L.). La résistance ou l'ampoule peuvent se brancher dans n'importe quel sens.
Le circuit électrique se schématise par des symboles normalisés. Le schéma normalisé du circuit précédent donne :
2) Les types de circuit
Les éléments d'un circuit électrique peuvent être branchés selon deux façons : le branchement en série et le branchement en dérivation (appelé aussi en parallèle)
Le branchement en série consiste à brancher les récepteurs à la suite pour ne former qu'une seule boucle, comme le montre le schéma suivant :
Le branchement en dérivation consiste à brancher les récepteurs en faisant correspondre les bornes pour former plusieurs boucles, comme le montre le schéma suivant :
III) L'intensité du courant électrique
Lors de la séance de travaux pratiques, nous avons vu que l'amoule ou le moteur fonctionnait différemment selon le générateur utilisé et aussi selon la quantité d'éléments qui sont branchés.
Nous pouvons donc en déduire que selon les situations, le courant électrique est plus ou moins intense. On parle alors d'intensité du courant électrique.
A savoir : L'intensité du courant électrique est notée \(\displaystyle I\). Elle se calcule par des formules et se mesure avec un appareil de mesure appelé ampèremètre. Il se branche toujours en série. L'unité est l'ampère de symbole A.
Exemple de schéma de montage :
L'ampèremètre peut se placer avant ou après les éléments. L'important ici est de la placer en série avec les autres éléments.
A savoir : Dans un circuit en série, l'intensité du courant est la même en tout point.
Que se passe t-il si les éléments sont branchés en dérivation ? Dans ce cas, il existe la loi d'additivité des intensités. On considère alors le montage suivant :
On a bien pris le soin de brancher un ampèremètre pour mesurer l'intensité \(\displaystyle I\) de la maille principale. On branche un ampèremètre pour mesurer l'intensité \(\displaystyle I_1\) qui circule dans la branche de l'ampoule et on branche un ampèremètre pour mesurer l'intensité \(\displaystyle I_2\) qui circule dans la branche du moteur.
A savoir : La loi d'additivité des intensités s'exprime par \(\displaystyle I=I_1+I_2\). L'intensité du courant dans la branche principale est égale à la somme des intensités des courants dans les branches dérivées.
IV) La tension électrique
Lorsqu'un courant électrique d'intensité \(\displaystyle I\) traverse un élément (une ampoule par exemple), il est dans un certain état avant d'entrer et dans un autre état à sa sortie. Par analogie, on peut imaginer une voiture qui roule sur une route en pente. Sur toute la pente, la voiture roule à la même vitesse. Mais en haut de la pente, elle se situe « en haut », et quand elle est en bas de la route, elle se situe « en bas ». On peut alors dire que la voiture était dans deux états différents puisqu'il y avait une différence de hauteur.
On va retrouver cette différence de hauteur avec l'électricité : l'intensité est toujours la même avant d'entrer dans l'élément et en sortant, mais le courant se trouve dans des états différents. Et cette différence d'état est appelée la tension électrique.
A savoir : Aux bornes d'un générateur, il existe toujours une tension, même si le générateur n'est pas branché.
A savoir : La tension aux bornes d'un fil ou d'un interrupteur est toujours nulle.
Pour l'analogie avec la voiture sur la route, le fils de connexion ou l'interupteur est considéré comme une route plate, sans pente. Il n'y a donc pas de différence de hauteur. Il n'y a donc pas de tension.
A savoir : L'appareil de mesure de la tension aux bornes d'un élément s'appelle le voltmètre. La mesure de la tension, notée \(\displaystyle U\) a pour unité le volt de symbole V. L'appareil se branche toujours en dérivation de l'élément dont on veut mesurer la tension.
Exemple de schéma de montage :
Lorsque les éléments sont branchés en série, il existe la loi d'additivité des tensions. On considère le schéma suivant :
A savoir : La loi d'additivité des tensions s'exprime par \(\displaystyle U=U_1+U_2\). La tension aux bornes d'un ensemble de dipôles associés en série est égale à la somme des tensions aux bornes de chacun des dipôles.
On considère maintenant le schéma suivant :
A savoir : La loi d'unicité des tensions s'exprime par \(\displaystyle U=U_1=U_2\). La tension est la même aux bornes de différents dipôles branchés en dérivation.