Les Sciences - programme de cinquième
Physique-chimie, sciences de la vie et de la Terre, technologie
Leçon 5 - Le circuit électrique
La boucle, les chemins et la sécurité
Le circuit électrique
La boucle, les chemins et la sécurité
Série sciences 5e · usage familial et pédagogique
🧭 Ce que tu sauras faire à la fin de ce cours
- Reconnaître les éléments d’un circuit et dire pourquoi la boucle doit être fermée.
- Distinguer un matériau conducteur d’un matériau isolant, et expliquer ce qui les sépare.
- Lire et tracer un schéma normalisé avec les symboles employés dans le monde entier.
- Nommer ce qui circule dans les fils, et distinguer le sens conventionnel du déplacement des électrons.
- Reconnaître un circuit en série et un circuit en dérivation, et prévoir ce qui arrive lorsqu’une lampe est retirée.
- Expliquer ce qu’est un court-circuit, pourquoi il échauffe les fils, et comment une installation s’en protège.
🧵 Le fil rouge du cours
Voici une question dont la réponse va nous occuper pendant six chapitres. Tu abaisses un interrupteur : la lampe s’allume au même instant, sans le moindre délai perceptible. Pourtant, tu découvriras au chapitre 3 que les particules chargées circulant dans le fil avancent plus lentement qu’un escargot. Comment la lumière peut-elle apparaître aussitôt si rien n’a eu le temps de parcourir le circuit ?
La réponse tient dans une idée que nous allons construire pas à pas : dans un circuit, ce qui compte n’est pas le voyage d’une particule d’un bout à l’autre, mais la mise en mouvement simultanée de toutes celles qui garnissent déjà le fil. Encore faut-il que le chemin forme une boucle complète. C’est par là que nous commençons.
🗺️ Le plan du cours
- 1. La boucle qui fait briller la lampe · les éléments du circuit, conducteurs et isolants.
- 2. Un langage de symboles · lire et tracer un schéma normalisé.
- 3. Que circule-t-il dans les fils ? · le courant, son sens, ses effets.
- 4. Le circuit en série · une seule boucle, et ses conséquences.
- 5. Le circuit en dérivation · plusieurs chemins, des branches indépendantes.
- 6. Court-circuit et sécurité · pourquoi les fils chauffent, comment les protéger.
Chaque chapitre se termine par un récapitulatif. Le cours s’achève sur un quiz corrigé, trois exercices de réflexion et un lexique.
🔋 La boucle qui fait briller la lampe
Pourquoi faut-il deux fils, et pas un seul, pour allumer une ampoule ?
Prends une lampe de poche et démonte-la. Tu y trouveras une pile, une petite ampoule, une lame de métal qui joue le rôle d’interrupteur, et quelques pièces métalliques qui relient le tout. Rien de plus. Remets ces quatre éléments en place et la lumière revient. Retire l’un d’eux, ou desserre une seule pièce, et la lumière disparaît. Cette fragilité n’est pas un défaut de fabrication : elle révèle la règle qui gouverne toute l’électricité domestique.
Cette règle, la voici. Pour qu’une lampe brille, le courant doit pouvoir partir d’une borne de la pile, traverser la lampe, et revenir à l’autre borne. Le chemin doit donc se refermer sur lui-même. Un seul fil ne suffirait pas, car le courant n’aurait pas de voie de retour. C’est pour cette raison qu’une pile porte deux bornes, qu’une ampoule possède deux points de contact, et qu’un câble d’alimentation contient au minimum deux conducteurs.
📘 Définition
Un circuit électrique est un ensemble d’éléments reliés les uns aux autres de manière à former au moins une boucle fermée, dans laquelle un courant électrique peut circuler.
Le circuit est dit fermé lorsque la boucle est complète ; il est dit ouvert lorsqu’elle est interrompue en un point, par exemple par un interrupteur relevé, un fil débranché ou une ampoule dévissée.
Quatre familles d’éléments, quatre rôles distincts
Les composants d’un circuit ne se valent pas. Ils se répartissent en quatre familles, et chacune remplit une fonction que les autres ne remplissent pas.
Le générateur vient en premier, car sans lui rien ne se produit. Une pile, une batterie, un panneau solaire, une dynamo de bicyclette : tous fournissent au circuit l’énergie qui met les charges électriques en mouvement. Le générateur possède deux bornes, l’une repérée par le signe +, l’autre par le signe −. Cette distinction n’est pas décorative : elle indique dans quel sens le courant sortira, et certains composants, comme les diodes, refusent de fonctionner si tu les branches à l’envers. Une pile porte aussi une indication chiffrée, 4,5 V pour une pile plate ; le chapitre 3 précisera ce que mesure cette valeur.
Les récepteurs viennent ensuite. Ce sont les éléments qui reçoivent l’énergie fournie par le générateur et la convertissent en autre chose : en lumière et en chaleur pour une lampe, en mouvement pour un moteur, en son pour un vibreur. Un circuit sans récepteur n’a pas d’utilité, et il devient même dangereux, comme nous le verrons au chapitre 6.
Les fils de connexion forment la troisième famille. Ils transportent le courant d’un élément à l’autre sans le transformer. Leur cœur est le plus souvent en cuivre, un métal qui laisse passer le courant avec très peu de perte, et leur gaine en matière plastique, qui empêche le courant de s’échapper vers l’extérieur ou vers ta main.
Enfin viennent les organes de commande, dont l’interrupteur est le représentant le plus courant. Leur rôle consiste à ouvrir ou à fermer la boucle à volonté. L’interrupteur ne fabrique pas de courant et n’en consomme pas : il décide simplement si le chemin existe ou non.
Ce qui laisse passer le courant et ce qui l’arrête
Fermer la boucle ne suffit pas encore. Encore faut-il que les matériaux qui la composent laissent effectivement passer le courant. Insère une clé en acier entre deux fils et la lampe s’allume ; insère une gomme en plastique à la même place et la lampe reste obstinément éteinte, alors que la boucle semble pourtant fermée.
📘 Définition
Un matériau conducteur laisse passer le courant électrique. Un matériau isolant ne le laisse pratiquement pas passer.
Cette séparation n’est pas absolue : les physiciens la décrivent plutôt comme une échelle continue, du cuivre, très bon conducteur, jusqu’au verre, qui isole remarquablement bien. Un isolant peut d’ailleurs cesser d’isoler dans des conditions extrêmes : c’est ce qui arrive à l’air traversé par un éclair.
Que possèdent donc les métaux que le plastique n’a pas ? Dans un métal, une partie des électrons ne reste pas attachée à un atome particulier : ces électrons se déplacent d’un atome à l’autre dans toute la masse du matériau. Les physiciens les appellent les électrons libres. Dans un plastique, dans le verre ou dans le bois sec, les électrons demeurent liés à leurs atomes et ne circulent pas. Cette différence de structure interne explique à elle seule le comportement observé.
| Conducteurs | Isolants | Cas à discuter |
|---|---|---|
| Cuivre, aluminium, fer, acier, or, argent | Verre, porcelaine, matières plastiques | Bois : isolant lorsqu’il est sec, bien moins lorsqu’il est humide |
| Mine de crayon (graphite) | Caoutchouc, papier sec, tissu sec | Air : isolant, sauf lorsqu’un éclair le traverse |
| Eau salée, eau du robinet | Eau distillée, huile | Corps humain : conducteur, d’autant plus que la peau est humide |
La mine de crayon mérite une remarque, car elle contrarie une idée reçue. Elle n’est pas métallique : elle est faite de graphite, une forme du carbone. Elle conduit pourtant le courant, ce qui montre que la conduction ne se limite pas aux métaux.
🧵 Le fil rouge avec le cours no 2
Souviens-toi de la dissolution. Le sel comme le sucre disparaissent dans l’eau. Pourtant, une solution salée conduit le courant, tandis qu’une solution sucrée le laisse à peine mieux passer que l’eau pure. Pourquoi cette différence, alors que les deux préparations se ressemblent tant ?
Parce que ces deux dissolutions ne produisent pas la même chose. En se dissolvant, le sel se sépare en particules chargées électriquement, appelées ions, qui peuvent se déplacer dans le liquide et y transporter le courant. Le sucre, lui, se disperse sous forme de molécules dépourvues de charge : elles se promènent dans l’eau sans rien transporter d’électrique. Tu étudieras les ions en détail dans deux ans ; retiens pour l’instant que ce sont eux qui rendent conductrices les eaux naturelles.
💡 Le savais-tu ?
L’eau pure, débarrassée de tout sel dissous, est un très mauvais conducteur. Ce ne sont pas les molécules d’eau qui transportent le courant, mais les ions dissous : sels minéraux, calcium, magnésium, sodium. L’eau du robinet en contient assez pour conduire, l’eau de mer beaucoup plus encore, et l’eau distillée presque pas.
Cette précision n’autorise pourtant pas la moindre imprudence. L’eau que tu rencontres dans une salle de bains n’est pas distillée, elle est chargée de sels ; et l’eau qui mouille ta peau rend le passage du courant bien plus facile à travers ton corps. La règle de prudence reste entière : eau et appareils électriques ne se mélangent pas.
📜 Histoire vraie : les grenouilles de Galvani et la pile de Volta
Vers 1780, à Bologne, le médecin Luigi Galvani (1737-1798) observe qu’une cuisse de grenouille disséquée se contracte lorsqu’elle est touchée simultanément par deux métaux différents. Il publie ses travaux en 1791 et conclut à l’existence d’une « électricité animale » produite par le muscle lui-même.
Son compatriote Alessandro Volta (1745-1827), professeur à Pavie, doute de cette explication. Selon lui, le muscle ne produit pas l’électricité : il la révèle, et la véritable source est le contact entre les deux métaux. Pour le démontrer, Volta se passe entièrement de l’animal. Il empile des disques de zinc et de cuivre en alternance, sépare chaque couple du suivant par un carton imbibé d’eau salée, et obtient un courant durable. Le 20 mars 1800, il décrit son invention dans une lettre adressée à Sir Joseph Banks, président de la Royal Society de Londres ; le texte y est lu le 26 juin de la même année.
Mesure la portée de cette invention. Avant elle, les machines électriques ne produisaient que des décharges brèves, semblables à l’étincelle qui te pique parfois quand tu touches une poignée de porte. La pile de Volta fournit pour la première fois un courant qui dure. Sans elle, les circuits de ce cours n’existeraient pas, et la chimie du XIXe siècle aurait avancé bien plus lentement.
🔬 Expérience : fabrique ton testeur de matériaux
Matériel : une pile plate de 4,5 V, une petite ampoule montée sur sa douille, deux fils électriques munis de pinces, et une collection d’objets à tester.
Protocole : relie une borne de la pile au premier contact de la douille. Un deuxième fil part du second contact vers une pince, et un troisième joint la borne restante de la pile à l’autre pince. Serre ensuite les deux mâchoires sur l’objet à tester, puis observe la lampe.
À tester : une pièce de monnaie, un trombone, une clé, une gomme, un crayon de bois taillé aux deux bouts, une règle en plastique, un morceau de verre, une feuille de papier, une bande d’aluminium ménager.
Ce que tu dois observer : le crayon taillé aux deux bouts allume la lampe faiblement, ce qui prouve que la mine conduit, alors que le bois qui l’entoure isole. Une pile plate de 4,5 V ne présente pas de danger pour cette manipulation.
📋 Récapitulatif du chapitre 1
- Le courant circule à condition que le circuit forme une boucle fermée ; une seule coupure suffit à tout arrêter.
- Un circuit comprend quatre familles d’éléments : un générateur qui fournit l’énergie, des récepteurs qui la convertissent, des fils qui transportent, des organes de commande qui ouvrent et ferment.
- Les conducteurs laissent passer le courant parce qu’ils contiennent des charges libres de se déplacer ; les isolants retiennent leurs électrons.
- La distinction entre les deux relève d’une échelle continue, et non d’une frontière nette : l’eau conduit selon ce qu’elle contient, le bois selon son humidité.
- La pile de Volta, décrite en 1800, a fourni la première source de courant durable et rendu possible tout ce qui suit.
✏️ Un langage de symboles : le schéma normalisé
Comment décrire un montage pour qu’un élève de Tokyo comprenne le dessin d’un élève de Lyon ?
Essaie de dessiner fidèlement le montage du chapitre précédent. Tu vas passer un long moment sur les reflets de l’ampoule, sur la forme exacte de la pile, sur les torsions du fil. Ton camarade, lui, dessinera une autre pile, une autre ampoule, d’autres torsions. Vos deux dessins représenteront le même circuit sans se ressembler. Pire encore : à force de soigner les détails, l’essentiel disparaît, car ce qui importe dans un circuit n’est pas la forme des objets mais l’ordre dans lequel ils sont reliés.
Les physiciens et les électriciens ont donc adopté une solution radicale : renoncer à la ressemblance. Chaque composant reçoit un dessin conventionnel, le plus simple possible, identique pour tout le monde. Ce dessin ne cherche pas à imiter l’objet ; il le désigne, comme un mot désigne une chose.
📘 Définition
Un schéma électrique est une représentation d’un circuit dans laquelle chaque composant est remplacé par un symbole normalisé, et chaque fil par un trait droit.
« Normalisé » signifie que le symbole a été fixé par une norme internationale, afin que le schéma soit lisible dans le monde entier, indépendamment de la langue de celui qui l’a tracé.
Observe le symbole du générateur. Deux traits parallèles, l’un long et fin, l’autre court et épais : cette dissymétrie n’est pas gratuite, elle rappelle les disques empilés de la pile de Volta et permet de repérer les bornes sans écrire un seul mot. Le symbole de la lampe, un cercle barré d’une croix, évoque quant à lui le filament tendu à l’intérieur du globe.
Les règles du tracé
Un schéma se trace selon quelques règles qui, ensemble, garantissent sa lisibilité. Elles paraissent contraignantes au début ; elles font gagner un temps considérable ensuite.
- Le circuit se dessine sous forme de rectangle, avec des traits horizontaux et verticaux, et des angles droits.
- Les symboles se placent sur les côtés du rectangle, bien espacés les uns des autres.
- Les fils sont des traits droits : leur longueur réelle et leurs éventuelles torsions n’ont pas d’importance.
- Un schéma se trace à la règle et au crayon, et se lit sans que le lecteur ait besoin de tourner la feuille.
Une conséquence surprend souvent : deux schémas d’apparence différente peuvent représenter le même circuit. Déplace la lampe du côté droit du rectangle plutôt que du côté haut ; tant que l’ordre des composants dans la boucle reste identique, le circuit demeure le même et se comportera de la même manière. Le schéma décrit des liaisons, non des positions.
| Ce qui est tracé | Pourquoi c’est fautif |
|---|---|
| Des fils courbes ou en diagonale | Le tracé devient difficile à suivre dès que le circuit se complique |
| Un symbole posé dans un angle du rectangle | Les deux fils qui en partent se confondent visuellement |
| Un cercle barré d’une croix pour un moteur | Ce symbole désigne une lampe ; le moteur porte la lettre M |
| Une pile dont les deux traits ont la même longueur | Les bornes deviennent impossibles à distinguer |
| Une boucle laissée ouverte par étourderie | Le schéma décrit alors un circuit qui ne fonctionne pas |
💡 Le savais-tu ?
La norme internationale qui fixe ces symboles porte le nom de CEI 60617. Elle en rassemble près de mille quatre cents, depuis la simple lampe jusqu’aux composants des centrales électriques. En France, elle est reprise sous le nom de NF EN 60617.
Les huit symboles de la planche ci-dessus suffisent pour toute ta scolarité au collège. Les autres, plus de mille trois cents, attendront.
📜 Histoire vraie : pourquoi il a fallu se mettre d’accord
À la fin du XIXe siècle, l’électricité se répand dans les villes d’Europe et d’Amérique à une vitesse stupéfiante. Chaque constructeur emploie alors son propre vocabulaire et ses propres dessins. Un ingénieur allemand et un ingénieur britannique peuvent travailler sur des machines identiques sans réussir à lire les plans de l’autre. À mesure que les marchés deviennent internationaux, ce désordre coûte cher et devient dangereux.
En 1906 naît donc la Commission électrotechnique internationale, chargée de mettre de l’ordre dans ce domaine. Sa première grande tâche consiste à établir un vocabulaire commun : le Vocabulaire électrotechnique international, dont la première édition paraît en 1938. Les symboles graphiques suivent la même logique, et aboutissent à la norme employée aujourd’hui.
Retiens la leçon générale, car elle dépasse largement l’électricité : une technique ne se diffuse à grande échelle qu’à partir du moment où ses utilisateurs partagent un langage commun. Les symboles que tu apprends en classe de 5e sont le résultat de cette longue négociation entre des dizaines de pays.
🔎 Exemple : lire un schéma sans le montage sous les yeux
Un schéma représente un rectangle. Sur le côté bas se trouve un générateur. Sur le côté gauche, un interrupteur fermé. Sur le côté haut, un moteur. Le côté droit ne porte qu’un fil.
Que peux-tu affirmer ? Que la boucle est complète, donc que le moteur tourne. Que le circuit comporte un seul récepteur. Qu’en relevant l’interrupteur, le moteur s’arrêtera, puisque la boucle unique se trouvera coupée.
Que ne peux-tu pas affirmer ? Ni la longueur des fils, ni la taille du moteur, ni la couleur des composants. Le schéma est muet sur ces points, et c’est là sa force : il ne retient que ce qui influe sur le fonctionnement.
📋 Récapitulatif du chapitre 2
- Le schéma remplace chaque composant par un symbole normalisé et chaque fil par un trait droit.
- Il renonce à la ressemblance pour ne conserver que l’ordre des liaisons, seule information qui gouverne le fonctionnement.
- Le tracé obéit à des règles simples : rectangle, angles droits, symboles espacés, règle et crayon.
- Deux schémas d’apparence différente peuvent décrire le même circuit ; ce sont les liaisons qui comptent, non les positions.
- Ces symboles sont fixés par une norme internationale, née du besoin d’un langage commun entre pays au début du XXe siècle.
⚡ Que circule-t-il dans les fils ?
Le mot « courant » évoque une rivière. L’image est utile, mais elle réserve deux surprises.
Un fil électrique paraît immobile. Rien ne s’y voit bouger, et sa masse ne change pas d’un gramme quand la lampe s’allume. Pourtant, quelque chose s’y passe, et ce quelque chose est mesurable : le fil chauffe, il dévie une boussole posée à côté de lui, et il décompose une eau salée qu’il traverse. Ces trois effets prouvent l’existence d’un phénomène invisible, que les physiciens ont nommé le courant électrique.
📘 Définition
Le courant électrique est un déplacement d’ensemble, ordonné et dans une même direction, de particules porteuses d’une charge électrique.
Dans les métaux, ces particules sont les électrons libres dont nous avons parlé au chapitre 1. Dans les solutions comme l’eau salée, ce sont les ions. Le porteur change selon le milieu ; le phénomène reste le même.
Le mot « ordonné » mérite d’être souligné. Dans un fil de cuivre posé sur une table, les électrons libres s’agitent déjà en tous sens, à grande vitesse, mais dans des directions désordonnées : leurs mouvements se compensent et il n’en résulte pas de courant. Lorsque le générateur entre en action, il ajoute à cette agitation une lente dérive commune, orientée dans une direction unique. Le courant est cette dérive d’ensemble, non l’agitation qui préexistait.
Première surprise : deux sens opposés
Voici un point qui déroute tous les élèves, et qui s’explique très bien à condition de remettre les découvertes dans l’ordre où elles ont eu lieu.
En 1820, le physicien français André-Marie Ampère (1775-1836) étudie les effets magnétiques du courant. Il a besoin de désigner un sens de circulation pour formuler ses règles. Il en choisit donc un, et c’est celui qui va de la borne + vers la borne − à l’extérieur du générateur. Ce choix devient rapidement la convention universelle des électriciens.
L’électron, lui, ne sera découvert qu’en 1897, soit soixante-dix-sept ans plus tard, par le physicien britannique Joseph John Thomson. Les physiciens s’aperçoivent alors que, dans les métaux, ce sont ces électrons qui se déplacent, et qu’ils portent une charge négative : ils circulent donc en sens inverse du sens choisi par Ampère.
Pourquoi avoir gardé une convention que la découverte de l’électron semblait démentir ? Pour deux raisons solides. D’abord, changer de convention aurait obligé à réécrire des milliers de règles, de schémas et d’ouvrages, pour un bénéfice nul. Ensuite, et surtout, le sens d’Ampère reste valable partout : dans une solution salée, ce sont des ions positifs et des ions négatifs qui circulent en même temps et en sens opposés, si bien que le sens des électrons ne signifierait plus grand-chose. La convention, elle, garde un sens dans tous les cas.
Retiens donc les deux énoncés, sans les confondre. Le sens conventionnel du courant va de la borne + vers la borne − à l’extérieur du générateur : c’est celui que tu emploieras dans tous tes exercices. Dans les fils métalliques, les électrons se déplacent en sens contraire.
Seconde surprise : la lenteur des électrons
Nous revenons à la question posée en ouverture du cours. Si les électrons doivent parcourir le circuit pour allumer la lampe, pourquoi la lumière apparaît-elle sans délai ? Le calcul donne une réponse qui semble d’abord aggraver le problème.
💡 Le savais-tu ? Un escargot dans le fil
Dans un fil de cuivre de 1,5 mm2 de section, comme ceux d’une installation domestique, parcouru par un courant de 1 ampère, les électrons dérivent à environ 0,05 millimètre par seconde. Cela représente à peu près 18 centimètres en une heure, et près de six heures pour parcourir un seul mètre de fil. Ces valeurs sont des ordres de grandeur, calculés à partir du nombre d’électrons libres du cuivre.
Le signal électrique, lui, se propage le long du fil à une vitesse qui atteint une large fraction de celle de la lumière : dix mètres de câble sont franchis en quelques dizaines de milliardièmes de seconde.
L’écart entre ces deux vitesses résout enfin le paradoxe. Compare le circuit à un tuyau d’arrosage déjà rempli d’eau. Tu ouvres le robinet : l’eau jaillit à l’autre extrémité presque aussitôt, alors que la goutte entrée par le robinet mettra plusieurs minutes à ressortir. Ce qui a voyagé vite, c’est la poussée, transmise de proche en proche à travers l’eau déjà présente.
Dans un fil, il en va de même. Le conducteur est déjà rempli d’électrons libres sur toute sa longueur. Fermer l’interrupteur ne consiste pas à envoyer des électrons vers la lampe : cela revient à mettre en mouvement, presque simultanément, ceux qui garnissent déjà le circuit, y compris ceux qui se trouvent dans le filament. La lampe brille donc immédiatement, grâce aux électrons qui étaient déjà sur place.
Le courant n’est pas consommé
Une erreur tenace consiste à croire que la lampe « consomme du courant », et qu’il en sort moins qu’il n’en entre. Les mesures que tu réaliseras en classe de 4e démentent formellement cette idée : le courant qui sort d’une lampe est identique à celui qui y entre. Rien ne se perd en route, et rien ne s’accumule dans le filament.
Ce qui est consommé, c’est l’énergie fournie par le générateur. La lampe la reçoit et la convertit : une partie en lumière, le reste en chaleur. Pour une ampoule à incandescence, la répartition surprend : environ 5 % de l’énergie électrique devient de la lumière visible, et le reste part en chaleur. Ce rendement médiocre explique pourquoi ces ampoules chauffent tant, et pourquoi elles ont été remplacées par des sources plus efficaces.
💡 Le savais-tu ? Le filament chauffe plus qu’une coulée de lave
Dans une ampoule à incandescence classique, le filament de tungstène est porté à environ 2 500 °C. C’est là toute l’astuce : un corps assez chaud émet de la lumière visible. Le tungstène a été retenu parce qu’il possède la température de fusion la plus élevée de tous les métaux, 3 422 °C, ce qui lui permet de rougir puis de blanchir sans fondre.
Deux grandeurs que tu croiseras partout
Le courant se mesure, et deux grandeurs distinctes servent à le décrire. Tu les étudieras en détail l’an prochain ; il te faut les nommer dès maintenant, car leurs unités figurent sur presque tous les appareils de ta maison.
📘 Définition
L’intensité du courant, notée I, mesure le débit des charges électriques : elle indique combien en traversent le fil en une seconde. Son unité est l’ampère, de symbole A.
La tension, notée U, mesure ce que le générateur est capable de fournir entre ses deux bornes pour mettre les charges en mouvement. Son unité est le volt, de symbole V. C’est elle qui apparaît sur une pile plate : 4,5 V.
| Situation | Intensité approximative |
|---|---|
| Circuits d’un microprocesseur | quelques dix-millièmes d’ampère |
| Seuil de coupure d’un interrupteur différentiel domestique | 0,03 A, soit 30 mA |
| Petite lampe de poche | environ 0,5 A |
| Circuit d’éclairage d’un logement | protégé à 10 A |
| Circuit de prises de courant | protégé à 16 A |
| Coup de foudre | plusieurs dizaines de milliers d’ampères |
📜 Histoire vraie : comment les unités ont reçu leur nom
Pendant la majeure partie du XIXe siècle, chaque laboratoire mesure l’électricité avec ses propres unités, ce qui rend les résultats difficilement comparables d’un pays à l’autre. En septembre 1881 se tient à Paris le premier Congrès international des électriciens, réuni à l’occasion de l’Exposition internationale d’électricité. Les participants y adoptent un système commun et baptisent les unités du nom des savants qui ont fondé la discipline : l’ohm, le volt, l’ampère, le coulomb, le farad.
Ces définitions ont été affinées depuis. La dernière révision date du 20 mai 2019 : l’ampère est désormais défini à partir de la charge élémentaire, une constante de la nature dont la valeur a été fixée une fois pour toutes. L’unité ne dépend plus d’un dispositif expérimental susceptible de dériver avec le temps.
🔬 Expérience : rendre le courant visible par ses effets
Matériel : une pile plate de 4,5 V, une lampe sur sa douille, deux fils, une boussole.
Protocole : réalise le circuit du chapitre 1, avec la lampe en place. Pose la boussole sur la table et tends un fil juste au-dessus d’elle, parallèlement à l’aiguille au repos. Ferme ensuite le circuit et observe.
Observation : l’aiguille pivote dès que le courant circule, et revient à sa position initiale dès qu’il cesse. Inverse les branchements de la pile : elle dévie de l’autre côté, ce qui montre que le courant possède bien un sens.
Précaution : conserve la lampe dans le circuit. Relier les deux bornes de la pile par un simple fil produirait un court-circuit, que le chapitre 6 explique en détail.
| Effet | Ce que l’on observe | Une application |
|---|---|---|
| Thermique | Le conducteur s’échauffe au passage du courant | Grille-pain, radiateur, fusible |
| Magnétique | Une boussole placée à proximité dévie | Électroaimant, moteur, disjoncteur |
| Chimique | Une solution traversée se décompose | Galvanoplastie, recharge d’une batterie |
📋 Récapitulatif du chapitre 3
- Le courant est un déplacement ordonné de charges : des électrons dans les métaux, des ions dans les solutions.
- Le sens conventionnel, fixé par Ampère en 1820, va de la borne + vers la borne − à l’extérieur du générateur ; les électrons, découverts en 1897, se déplacent en sens contraire.
- Les électrons dérivent très lentement, mais la mise en mouvement se transmet presque instantanément à tout le circuit déjà rempli de charges.
- Le courant n’est pas consommé par un récepteur : c’est l’énergie qui est convertie, en lumière et en chaleur.
- Deux grandeurs décrivent le courant : l’intensité en ampères et la tension en volts.
- Le courant se manifeste par trois effets : thermique, magnétique et chimique.
⛓ Le circuit en série : une seule boucle
Quand tous les composants se tiennent par la main, la chute de l’un entraîne celle de tous.
Jusqu’ici, nos circuits ne comportaient qu’un seul récepteur. Ajoutons-en un second, et une question se pose aussitôt : comment le brancher ? Deux réponses existent, deux seulement, et elles conduisent à des comportements si différents qu’elles méritent chacune un chapitre. La première consiste à placer la seconde lampe à la suite de la première, sur la même boucle. C’est le montage en série.
📘 Définition
Un circuit est monté en série lorsque tous ses composants sont placés les uns à la suite des autres sur une boucle unique.
Le courant n’y dispose que d’un seul chemin : il traverse obligatoirement chaque composant, l’un après l’autre.
Trois propriétés à connaître
Première propriété : retirer un composant éteint tout le circuit. Dévisse l’une des deux lampes et la seconde s’éteint aussitôt, alors qu’elle est intacte. La raison se déduit du chapitre 1 : la boucle étant unique, la coupure pratiquée en un point interrompt le chemin pour l’ensemble du circuit. Une lampe grillée produit le même effet, car son filament rompu constitue une coupure.
Deuxième propriété : plus il y a de récepteurs, moins ils brillent. Branche une seule lampe, note son éclat ; ajoute une deuxième lampe identique en série, et les deux brilleront plus faiblement que la première ne le faisait seule. Avec trois lampes, l’éclat faiblit encore. La mesure, que tu réaliseras l’an prochain, montre que l’intensité du courant diminue à mesure que des récepteurs s’ajoutent : chacun d’eux freine le passage des charges, et ce freinage s’accumule.
Troisième propriété : l’ordre des composants n’a pas d’importance. Permute les deux lampes : rien ne change, ni leur éclat ni celui du reste du circuit. Déplace l’interrupteur du côté gauche vers le côté droit du schéma : il commande le circuit de la même façon. Ce résultat étonne, car il contredit l’image d’un courant qui s’épuiserait progressivement le long de son parcours, comme un coureur fatigué. La lampe la plus proche de la borne + ne brille pas davantage que l’autre.
📘 À retenir : le courant est le même partout
Dans un circuit en série, l’intensité du courant est la même en tout point. Elle ne diminue ni après la première lampe, ni après la seconde.
Cette propriété porte un nom que tu rencontreras en 4e : l’unicité de l’intensité dans un circuit série. Elle découle de ce que nous avons vu au chapitre 3 : les charges ne s’accumulent pas et ne disparaissent pas dans un récepteur.
🔬 Expérience : le circuit qui faiblit
Matériel : une pile plate de 4,5 V, trois lampes identiques sur leurs douilles, des fils de connexion.
Protocole : branche d’abord une lampe seule et observe son éclat pendant quelques secondes. Ajoute ensuite une deuxième lampe à la suite, puis une troisième. Note à chaque étape ce que tu observes. Termine en dévissant la lampe du milieu.
Résultat attendu : l’éclat diminue à chaque ajout, et le circuit entier s’éteint dès qu’une lampe est retirée.
Le piège à éviter : emploie des lampes identiques, portant les mêmes indications gravées sur le culot. Avec des lampes différentes, les éclats diffèrent pour une autre raison, et l’observation devient difficile à interpréter.
📜 Histoire vraie : le sapin de Manhattan, décembre 1882
Un soir de décembre 1882, un journaliste du Detroit Post and Tribune, William Augustus Croffut, passe devant une maison de Manhattan et s’arrête, stupéfait. Derrière la fenêtre tourne lentement un sapin de Noël garni de quatre-vingts petites lampes rouges, blanches et bleues. À cette époque, un sapin s’éclaire à la bougie, avec les risques d’incendie que cela suppose.
Le maître de maison se nomme Edward Hibberd Johnson (1846-1917). Il est vice-président de la compagnie d’électricité fondée par Thomas Edison, dont l’ampoule pratique date de 1879, et sa maison compte parmi les rares à être raccordées au réseau naissant. Il a fait câbler chaque lampe une par une par un technicien : la guirlande industrielle n’existe pas encore.
L’article de Croffut fait connaître l’idée bien au-delà de New York. La production commerciale de guirlandes démarre à partir de 1890, et les grands magasins s’en emparent pour leurs vitrines. Il faudra plusieurs décennies pour que les foyers ordinaires puissent en acheter, le temps que l’électrification progresse et que les prix baissent.
💡 Le savais-tu ? La guirlande qui semble se réparer seule
Beaucoup de guirlandes sont montées en série, ce qui explique la mésaventure bien connue : une seule lampe retirée, et toute la guirlande s’éteint. Ce montage présente pourtant un avantage : chaque lampe ne reçoit qu’une petite part de ce que fournit la prise, ce qui autorise l’emploi de lampes minuscules et bon marché.
Les modèles récents ajoutent une astuce. Chaque lampe contient un petit fil supplémentaire, appelé shunt, qui reste inactif tant que le filament fonctionne. Lorsque celui-ci grille, le fil de secours prend le relais et laisse passer le courant : la lampe morte ne brille plus, mais elle n’interrompt plus le circuit. La guirlande paraît se réparer d’elle-même. Retire complètement une lampe de sa douille, en revanche, et l’ensemble s’éteindra, car ce fil de secours part avec elle.
| Avantages | Inconvénients |
|---|---|
| Un seul interrupteur commande tout le circuit | Une panne locale arrête l’ensemble |
| Le câblage est simple et économique | Chaque récepteur ajouté fait faiblir les autres |
| Les récepteurs se partagent ce que fournit le générateur | La panne est longue à localiser dans une chaîne de vingt lampes |
Ces inconvénients expliquent pourquoi le montage en série ne convient pas à l’installation d’un logement. Imagine que l’éclairage de ta chambre s’éteigne parce que quelqu’un a débranché le grille-pain de la cuisine, et que toutes les lampes de la maison faiblissent dès que le réfrigérateur se met en marche. Il fallait donc un autre montage. Nous l’abordons au chapitre suivant.
📋 Récapitulatif du chapitre 4
- En série, tous les composants se suivent sur une boucle unique, et le courant n’a qu’un seul chemin possible.
- Retirer ou griller un seul composant éteint tout le circuit.
- Ajouter un récepteur fait faiblir tous les autres.
- L’ordre des composants ne modifie pas le fonctionnement.
- L’intensité du courant est la même en tout point de la boucle.
🔀 Le circuit en dérivation : plusieurs chemins
Comment éteindre une lampe sans plonger toute la maison dans le noir ?
Reprenons nos deux lampes, et branchons-les autrement. Au lieu de les placer l’une derrière l’autre, offrons à chacune son propre chemin de retour vers le générateur. Le circuit ne forme plus une boucle, mais deux, qui partagent une portion commune. Ce montage porte le nom de dérivation ; tu entendras aussi le mot parallèle, qui désigne la même chose.
📘 Définition
Un nœud est un point du circuit où se rejoignent au moins trois fils.
Une branche est la portion de circuit comprise entre deux nœuds. Celle qui contient le générateur porte le nom de branche principale ; les autres sont les branches dérivées.
Un circuit comporte des dérivations lorsqu’il présente plusieurs boucles, donc plusieurs chemins possibles pour le courant.
Trois propriétés, opposées à celles du chapitre précédent
Première propriété : les branches sont indépendantes. Retire L2 et L1 continue de briller, sans changement perceptible. La raison se lit sur le schéma : la boucle qui passe par L1 reste entièrement fermée, puisqu’elle emprunte la branche principale, monte au nœud A, traverse L1 et redescend par le nœud B. Couper l’autre branche ne l’affecte pas.
Deuxième propriété : ajouter une branche ne change pas les précédentes. Ajoute une troisième lampe en dérivation : les deux premières conservent leur éclat, et la nouvelle brille autant qu’elles. En série, chaque ajout affaiblissait l’ensemble ; ici, chaque dérivation est alimentée directement par le générateur, indépendamment de ses voisines.
Cette règle suppose que le générateur puisse fournir ce surcroît de courant. Avec une pile qui s’épuise, tu verras l’éclat de toutes les lampes décliner ensemble : la limite ne vient plus alors du montage, mais de la source.
Troisième propriété : le courant se partage aux nœuds. Cette indépendance a un prix, et il se paie dans la branche principale. Chaque branche dérivée y prélève sa part : le courant qui circule dans la branche principale est donc plus intense que celui de chacune des branches dérivées. Ajouter des appareils en dérivation augmente ce courant principal, et c’est précisément ce que surveillent les protections d’une installation.
Reprends l’image de la rivière, elle convient ici particulièrement bien. Un fleuve se divise en deux bras autour d’une île, puis les deux bras se rejoignent en aval. Le débit du fleuve avant l’île est égal à la somme des débits des deux bras, et il se retrouve entier après leur réunion. Rien ne se crée dans l’île, rien ne s’y perd. Il en va de même pour le courant à un nœud.
📜 Histoire vraie : un étudiant de vingt et un ans met les circuits en équations
En 1845, un étudiant de l’université de Königsberg, en Prusse orientale, publie un travail qui règle une question restée confuse : comment prévoir le courant dans chaque branche d’un circuit compliqué ? Il s’appelle Gustav Kirchhoff (1824-1887) et il a vingt et un ans. Il n’a pas encore soutenu sa thèse.
Ses deux règles, appelées depuis lois de Kirchhoff, prolongent les travaux de Georg Ohm. La première, la loi des nœuds, énonce que la somme des intensités des courants qui arrivent à un nœud est égale à la somme de celles qui en repartent. Tu viens de la rencontrer sous une forme qualitative ; tu l’écriras avec des nombres en classe de 4e.
Kirchhoff est ensuite devenu célèbre pour de tout autres travaux, sur la lumière émise par les corps chauds et sur l’analyse de celle des étoiles, menés avec le chimiste Robert Bunsen. Ses lois des circuits, écrites avant même son doctorat, restent pourtant utilisées chaque jour par les ingénieurs du monde entier.
🔬 Expérience : deux lampes, deux chemins
Matériel : une pile plate de 4,5 V, deux lampes identiques sur leurs douilles, quatre fils de connexion.
Protocole : relie les deux bornes de la première douille à celles de la seconde, de manière que les deux lampes soient branchées côte à côte. Relie ensuite cet ensemble à la pile. Observe l’éclat, puis dévisse l’une des lampes.
Observation : la lampe restante continue de briller. Compare son éclat à celui obtenu au chapitre 4 avec deux lampes en série : la différence se voit à l’œil nu.
Remarque utile : la pile se videra plus vite qu’avec un montage en série, car elle doit fournir davantage. Cette observation annonce la suite : multiplier les branches augmente le courant que le générateur doit délivrer.
💡 Le savais-tu ? Toute ta maison est un circuit en dérivation
Chaque lampe, chaque prise, chaque appareil de ton logement est branché en dérivation. C’est ce qui te permet d’éteindre la lumière du salon sans arrêter le réfrigérateur, et de brancher un ordinateur sans faire faiblir les autres appareils.
Une seconde raison, que tu verras l’an prochain, achève de justifier ce choix : en dérivation, chaque branche reçoit la même tension. Tous les appareils vendus en France peuvent donc être conçus pour la même valeur, 230 V, quel que soit leur nombre dans le logement.
| Question | Circuit en série | Circuit en dérivation |
|---|---|---|
| Combien de boucles ? | Une seule | Plusieurs |
| Combien de chemins pour le courant ? | Un seul | Autant que de branches |
| Si une lampe est retirée ? | Tout s’éteint | Les autres continuent |
| Si l’on ajoute une lampe ? | Toutes faiblissent | Les autres gardent leur éclat |
| Le courant est-il le même partout ? | Oui, en tout point | Il se partage aux nœuds |
| Où se rencontre-t-il ? | Guirlandes, lampes de poche | Installations domestiques, véhicules |
🧵 Le fil rouge : une question laissée ouverte
La dérivation semble supérieure en tout point. Pourquoi, alors, une installation domestique a-t-elle besoin de tant de dispositifs de protection ?
Parce que la troisième propriété se retourne contre nous. Chaque appareil raccordé en dérivation ajoute sa part au courant de la branche principale. Multiplie les branches, et ce courant peut atteindre une valeur que les fils ne supportent plus. Le chapitre 6 examine ce qui se produit alors.
📋 Récapitulatif du chapitre 5
- En dérivation, le circuit présente plusieurs boucles reliées par des nœuds.
- Les branches dérivées fonctionnent indépendamment les unes des autres.
- Ajouter une branche ne modifie pas le fonctionnement des branches existantes.
- Le courant de la branche principale se partage aux nœuds, puis se retrouve entier après leur réunion : c’est la loi des nœuds, établie par Kirchhoff en 1845.
- Les installations domestiques emploient la dérivation, ce qui rend chaque appareil indépendant des autres.
🛡️ Quand la boucle tourne mal : court-circuit et sécurité
Le courant emprunte le chemin le plus facile. C’est là que réside le danger.
Nous avons vu au chapitre 3 que le courant traverse les récepteurs et que ceux-ci freinent son passage. Que se produit-il si le courant trouve, entre deux points du circuit, un chemin dépourvu de récepteur ? Il l’emprunte massivement, car rien ne s’y oppose. Ce chemin de facilité porte un nom : le court-circuit.
📘 Définition
Un court-circuit se produit lorsque deux points d’un circuit sont reliés par un chemin conducteur ne contenant pas de récepteur.
Le courant emprunte alors ce chemin de préférence à celui du récepteur, et son intensité devient très supérieure à celle du fonctionnement normal.
Les deux cas de la figure méritent d’être distingués avec soin, car ils n’ont pas la même gravité. À gauche, un fil relie les deux bornes de la lampe L2 : celle-ci s’éteint, puisque le courant passe désormais par le fil plutôt que par son filament. Le circuit conserve toutefois un récepteur, L1, qui continue de freiner le passage des charges ; L1 brille même davantage qu’auparavant. À droite, le fil relie directement les deux bornes du générateur : le circuit ne contient alors plus le moindre récepteur, et rien ne limite plus le courant.
Pourquoi les fils chauffent
Un conducteur traversé par un courant s’échauffe : c’est le premier des trois effets rencontrés au chapitre 3. Cet échauffement porte le nom d’effet Joule, en hommage au physicien anglais James Prescott Joule (1818-1889), qui en établit la loi en 1841. Il croît très vite avec l’intensité : doubler le courant multiplie par quatre la chaleur dégagée dans un fil donné.
Cet effet est utile dans un grille-pain, dans un radiateur ou dans le filament d’une ampoule, où la chaleur est précisément ce que nous cherchons. Dans un fil d’installation, il devient un danger : lors d’un court-circuit, l’intensité atteint des valeurs considérables et le conducteur peut s’échauffer au point d’enflammer sa gaine isolante, puis les matériaux voisins. Les défauts électriques comptent parmi les causes fréquentes d’incendie dans les logements.
⚠️ Prudence : ce qui se manipule et ce qui ne se manipule pas
Les expériences de ce cours se réalisent avec une pile plate de 4,5 V, sans danger pour toi.
Le réseau domestique délivre 230 V, une valeur qui met la vie en jeu. Les prises, les interrupteurs muraux, le tableau électrique et les appareils branchés sont à laisser intacts, sous toutes leurs formes et en toutes circonstances. Cette règle ne souffre pas d’exception, et elle vaut aussi pour les rallonges et les multiprises.
Une pile plate court-circuitée s’échauffe et se vide en quelques minutes ; une pile au lithium peut, elle, chauffer fortement. Il est donc préférable de ne pas relier les deux bornes d’une pile par un fil, même pour observer le phénomène.
Trois gardiens dans le tableau électrique
Puisqu’un court-circuit peut se produire, il faut le détecter et couper le courant avant que la chaleur ne fasse son œuvre. Trois dispositifs se partagent ce travail, et chacun surveille une chose différente.
Le fusible est le plus ancien. Il contient un fil calibré, plus fin que ceux de l’installation, qui fond dès que l’intensité dépasse la valeur prévue. En fondant, il ouvre le circuit et met fin au danger. Son défaut se devine : après chaque incident, il faut le remplacer.
Le disjoncteur remplit la même fonction sans se détruire. Il combine deux détecteurs : une lame formée de deux métaux qui se courbe lentement en chauffant, ce qui protège des surcharges prolongées, et un électroaimant qui réagit en une fraction de seconde à une brusque montée de l’intensité, ce qui protège des courts-circuits. Une fois le défaut réparé, un simple geste sur le levier rétablit le courant.
L’interrupteur différentiel, enfin, surveille tout autre chose. Il compare en permanence le courant qui entre dans l’installation et celui qui en revient. Ces deux valeurs devraient être égales ; si elles diffèrent, c’est qu’une partie du courant s’échappe ailleurs, par exemple à travers le corps d’une personne qui touche un appareil défectueux. En France, la norme NF C 15-100 impose une coupure dès que l’écart atteint 30 milliampères, soit 0,03 A : cette valeur a été choisie sous le seuil à partir duquel le passage du courant met la respiration et le cœur en danger.
| Dispositif | Ce qu’il surveille | Ce qu’il protège | Après incident |
|---|---|---|---|
| Fusible | Une intensité trop forte | Les fils et les appareils | À remplacer |
| Disjoncteur | Surcharge et court-circuit | Les fils et les appareils | À réarmer |
| Interrupteur différentiel | Une fuite de courant vers la terre | Les personnes | À réarmer |
📜 Histoire vraie : le disjoncteur que l’on peut réarmer
Dans les années 1920, l’électricité entre massivement dans les logements européens, et les fusibles montrent leurs limites : chaque incident impose de remplacer une pièce, dans l’obscurité et souvent sans pièce de rechange sous la main.
À Mannheim, en Allemagne, l’ingénieur et industriel Hugo Stotz travaille sur ce problème avec son ingénieur en chef, Heinrich Schachtner. Leur idée consiste à réunir dans un seul boîtier deux détecteurs jusque-là séparés : le détecteur thermique, lent, et le détecteur magnétique, rapide. L’appareil obtenu coupe le courant en cas de surcharge comme en cas de court-circuit, et il se réarme d’une simple pression. Le brevet est déposé en novembre 1924 ; la production en série commence en 1928.
Ce petit boîtier a rendu possible la généralisation de l’électricité domestique. Sans lui, chaque défaut aurait exigé le remplacement d’une pièce, et les installations modernes, qui comptent des dizaines de circuits protégés séparément, auraient été impraticables.
💡 Le savais-tu ? La multiprise et l’addition invisible
Une multiprise ne crée pas d’électricité : elle ajoute des branches en dérivation sur un même circuit. Chaque appareil branché prélève sa part, et ces parts s’additionnent dans le fil unique qui alimente la prise murale.
C’est pourquoi enchaîner plusieurs multiprises constitue une pratique risquée : le fil d’origine a été dimensionné pour une intensité donnée, et il ne devient pas plus épais parce que la demande augmente. Les appareils qui chauffent, radiateur d’appoint ou bouilloire, sont les plus gourmands, et ce sont eux qui provoquent le plus souvent le déclenchement du disjoncteur.
🔎 Observation guidée : lire le tableau électrique de chez toi
Cette activité s’effectue en présence d’un adulte, en regardant seulement, sans ouvrir le capot ni toucher les fils.
Ce que tu peux repérer : le disjoncteur général, souvent plus gros et placé à part ; les interrupteurs différentiels, reconnaissables au bouton de test marqué T ; les disjoncteurs des circuits, alignés en rangées sous eux. Cherche les nombres inscrits sur chacun : 10 A pour un circuit d’éclairage, 16 A ou 20 A pour des prises, et 30 mA sur les différentiels.
La question à te poser : combien de circuits séparés compte ton logement, et pourquoi les avoir distingués plutôt que tout réunir ? La réponse tient en une phrase : un défaut sur un circuit ne doit pas priver la maison entière de courant.
📋 Récapitulatif du chapitre 6
- Un court-circuit est un chemin conducteur sans récepteur entre deux points d’un circuit ; le courant y devient très intense.
- Tout conducteur parcouru par un courant s’échauffe : c’est l’effet Joule, établi en 1841, utile dans un radiateur et dangereux dans un fil.
- Le fusible fond, le disjoncteur coupe et se réarme : tous deux protègent les fils et les appareils.
- L’interrupteur différentiel détecte une fuite de courant et protège les personnes ; en France, il coupe dès 30 mA.
- Les expériences se limitent aux piles. Le réseau à 230 V est à laisser aux professionnels, sans exception.
🎯 Dix questions pour vérifier
Réponds sans regarder le cours, puis compare avec le corrigé qui suit.
1. Pourquoi une lampe possède-t-elle deux points de contact, et non un seul ?
2. Parmi ces matériaux, lesquels laissent passer le courant : verre, mine de crayon, aluminium, caoutchouc, eau salée, eau distillée ?
3. Que signifie le mot « normalisé » appliqué à un symbole électrique ?
4. Sur le symbole du générateur, comment reconnaître la borne + ?
5. Dans quel sens circule le courant conventionnel à l’extérieur du générateur ? Et les électrons dans les fils métalliques ?
6. Un camarade affirme qu’il sort moins de courant d’une lampe qu’il n’y en entre. Que lui réponds-tu, et qu’est-ce qui est réellement consommé ?
7. Trois lampes sont montées en série. Celle du milieu grille. Que deviennent les deux autres, et pourquoi ?
8. Que désigne le mot « nœud » dans un circuit ? Combien de fils s’y rejoignent au minimum ?
9. Deux lampes sont branchées en dérivation. Tu en retires une. Que devient l’autre ?
10. Qu’est-ce qu’un court-circuit, et pour quelle raison physique devient-il dangereux ?
Corrigé
1. Parce que le courant doit pouvoir entrer dans la lampe et en ressortir pour rejoindre l’autre borne du générateur. La boucle doit se refermer ; un point de contact unique laisserait le chemin ouvert.
2. Conduisent : la mine de crayon, l’aluminium, l’eau salée. Isolent : le verre, le caoutchouc, et l’eau distillée, qui contient trop peu d’ions pour transporter le courant.
3. Que son dessin a été fixé par une norme internationale, afin que le schéma soit lisible dans le monde entier, quelle que soit la langue de celui qui l’a tracé.
4. Le trait long et fin repère la borne + ; le trait court et épais repère la borne −.
5. Le courant conventionnel va de la borne + vers la borne − à l’extérieur du générateur. Les électrons se déplacent en sens contraire dans les fils métalliques.
6. Il se trompe : l’intensité qui sort de la lampe est identique à celle qui y entre, car les charges ne s’accumulent ni ne disparaissent. Ce qui est consommé, c’est l’énergie fournie par le générateur, convertie en lumière et en chaleur.
7. Elles s’éteignent. Le filament rompu constitue une coupure de la boucle unique, et le courant ne circule plus nulle part dans le circuit.
8. Un point où se rejoignent au moins trois fils. C’est là que le courant se sépare ou se rassemble.
9. Elle continue de briller avec le même éclat, car sa propre boucle reste fermée. Les branches dérivées sont indépendantes les unes des autres.
10. C’est un chemin conducteur reliant deux points du circuit sans passer par un récepteur. Rien ne limite alors le courant, dont l’intensité devient très grande ; par effet Joule, les fils s’échauffent fortement et peuvent enflammer leur gaine.
Trois exercices de réflexion
A. Une guirlande de vingt lampes s’éteint entièrement dès qu’une seule lampe est retirée de sa douille. Quel montage a été employé ? Propose un autre montage qui éviterait ce défaut, puis indique ce que ce changement coûterait au fabricant.
B. Un élève relie les deux bornes d’une pile plate par un fil de cuivre nu, pour observer ce qui se produit. Décris ce qui arrive au fil et à la pile, en employant le vocabulaire du chapitre 6, et explique pourquoi cette manipulation est à proscrire.
C. Dans un logement, le disjoncteur du circuit des prises se déclenche chaque fois qu’un radiateur d’appoint et une bouilloire fonctionnent ensemble, alors que chacun fonctionne sans difficulté séparément. Explique le mécanisme à l’aide du chapitre 5, puis propose deux solutions.
A. Les lampes sont montées en série : la boucle étant unique, retirer une lampe la coupe pour toutes. Un montage en dérivation rendrait chaque lampe indépendante. Le coût est double : il faut davantage de fil, puisque chaque lampe exige sa propre paire de conducteurs jusqu’à la branche principale ; et chaque lampe recevrait alors la tension entière du réseau, ce qui impose des lampes plus robustes et plus chères. C’est ce calcul économique qui explique la persistance du montage en série dans les guirlandes bon marché.
B. Le fil relie les deux bornes sans qu’un récepteur s’interpose : c’est un court-circuit du générateur. Rien ne limite le courant, dont l’intensité devient très grande. Par effet Joule, le fil s’échauffe rapidement et peut brûler les doigts ; la pile chauffe également et se vide en quelques minutes. Avec certaines piles, notamment au lithium, l’échauffement peut être violent. La manipulation est donc à proscrire, y compris avec une pile de faible tension.
C. Les deux appareils sont branchés en dérivation sur le même circuit. Chacun prélève sa part du courant, et ces parts s’additionnent dans le fil unique qui alimente le circuit depuis le tableau. Ensemble, ils dépassent la valeur pour laquelle le disjoncteur a été calibré, qui coupe alors pour protéger le fil d’un échauffement. Deux solutions : faire fonctionner les deux appareils l’un après l’autre ; ou brancher le radiateur sur un circuit différent, alimenté par un autre disjoncteur. Augmenter le calibre du disjoncteur serait au contraire dangereux, puisque le fil, lui, resterait identique.
📖 Lexique du circuit électrique
Vingt-trois mots à savoir employer avec précision.
Ampère (A) · Unité d’intensité du courant électrique. Son nom rend hommage à André-Marie Ampère ; il a été adopté au congrès de Paris en 1881.
Borne · Point de raccordement d’un composant. Un générateur en possède deux, repérées + et −.
Branche · Portion de circuit comprise entre deux nœuds. La branche principale contient le générateur.
Circuit électrique · Ensemble d’éléments reliés de manière à former au moins une boucle fermée dans laquelle un courant peut circuler.
Conducteur · Matériau qui laisse passer le courant, parce qu’il contient des charges libres de se déplacer.
Courant électrique · Déplacement d’ensemble, ordonné, de particules chargées : électrons dans les métaux, ions dans les solutions.
Court-circuit · Chemin conducteur reliant deux points d’un circuit sans passer par un récepteur. L’intensité y devient très grande.
Dérivation · Montage dans lequel le circuit présente plusieurs boucles, donc plusieurs chemins possibles pour le courant. Se dit aussi montage en parallèle.
Disjoncteur · Appareil qui coupe le courant en cas de surcharge ou de court-circuit, et se réarme d’un geste après réparation du défaut.
Effet Joule · Échauffement d’un conducteur traversé par un courant. Recherché dans un radiateur, redouté dans un fil d’installation.
Électron libre · Électron qui, dans un métal, ne reste pas attaché à un atome particulier et peut se déplacer dans toute la masse du matériau.
Fusible · Dispositif contenant un fil calibré qui fond lorsque l’intensité dépasse une valeur donnée, ce qui ouvre le circuit. Il est à remplacer après chaque incident.
Générateur · Composant qui fournit au circuit l’énergie mettant les charges en mouvement : pile, batterie, panneau solaire, dynamo.
Intensité (I) · Grandeur qui mesure le débit des charges électriques dans un conducteur. Elle s’exprime en ampères.
Interrupteur différentiel · Appareil qui compare le courant entrant et le courant sortant d’une installation, et coupe dès qu’une fuite apparaît. Il protège les personnes.
Ion · Particule chargée électriquement, issue de la dissolution d’un composé tel que le sel. Ce sont les ions qui rendent une solution conductrice.
Isolant · Matériau qui ne laisse pratiquement pas passer le courant, ses électrons demeurant liés à leurs atomes.
Nœud · Point d’un circuit où se rejoignent au moins trois fils. Le courant s’y sépare ou s’y rassemble.
Récepteur · Composant qui reçoit l’énergie du générateur et la convertit : lumière et chaleur pour une lampe, mouvement pour un moteur.
Schéma normalisé · Représentation d’un circuit employant des symboles fixés par une norme internationale, et des traits droits pour les fils.
Sens conventionnel · Sens attribué au courant par convention, de la borne + vers la borne − à l’extérieur du générateur. Il a été fixé par Ampère en 1820.
Série · Montage dans lequel tous les composants se suivent sur une boucle unique, le courant ne disposant que d’un seul chemin.
Tension (U) · Grandeur qui mesure ce qu’un générateur fournit entre ses bornes pour mettre les charges en mouvement. Elle s’exprime en volts.