Circuits électriques et tension
Seconde · Physique-Chimie · Ondes et signaux
Ondes et signaux
Intensité, tension et lois des circuits
Tu connais déjà les circuits depuis le collège. En seconde, on formalise : on parle de porteurs de charge, on écrit des lois avec des signes, et surtout on apprend à modéliser un dipôle par sa caractéristique. C'est la base de toute l'électricité du lycée.
| Grandeur | Symbole | Unité | Appareil | Branchement |
|---|---|---|---|---|
| Intensité | I | ampère (A) | ampèremètre | en série |
| Tension | U | volt (V) | voltmètre | en dérivation |
| Résistance | R | ohm (Ω) | ohmmètre | hors circuit, aux bornes du dipôle seul |
Loi des nœuds.
Un nœud est un point du circuit où se rejoignent au moins trois fils. La charge électrique ne peut ni s'accumuler ni disparaître en ce point, donc :
La somme des intensités des courants qui ARRIVENT à un nœud est égale à la somme des intensités des courants qui en PARTENT.
Exemple : si un courant de 0,25 A arrive à un nœud et se sépare en deux branches, dont l'une est parcourue par 0,10 A, alors la seconde est parcourue par 0,25 − 0,10 = 0,15 A.
Ondes et signaux
Loi d'Ohm, caractéristiques et capteurs
Pour prévoir le comportement d'un dipôle, on trace sa caractéristique : la courbe donnant la tension U à ses bornes en fonction de l'intensité I qui le traverse. C'est la carte d'identité électrique du composant.
| Allure de la caractéristique U = f(I) | Type de dipôle | Interprétation |
|---|---|---|
| Droite passant par l'origine | Conducteur ohmique | U = R × I, R constante, égale au coefficient directeur |
| Courbe qui s'incurve vers le haut | Lampe à incandescence | Le filament chauffe : le rapport U/I augmente avec I |
| Droite ne passant pas par l'origine | Générateur ou pile | Il existe une tension même sans courant : la tension à vide |
Les capteurs électriques.
Un capteur convertit une grandeur physique (température, éclairement, force, position…) en une grandeur électrique exploitable, généralement une tension. On parle de grandeur d'entrée (la grandeur physique mesurée) et de grandeur de sortie (la tension ou la résistance obtenue).
- La thermistance : sa résistance dépend de la température. Grandeur d'entrée : la température ; grandeur de sortie : la résistance, puis la tension.
- La photorésistance : sa résistance DIMINUE quand l'éclairement augmente. On l'utilise dans les allumages automatiques d'éclairage public.
- Le microphone : il convertit un signal sonore en tension variable.
- La photodiode : elle convertit un signal lumineux en signal électrique, dans les télécommandes ou les fibres optiques.
Exercices corrigés
Quelle est l'unité de l'intensité du courant électrique ?
- A.Le volt
- B.L'ohm
- C.L'ampèreBonne réponse
- D.Le watt
Réponse : C — L'ampère
L'intensité I se mesure en ampères (A). Le volt est l'unité de la tension U, l'ohm celle de la résistance R, et le watt celle de la puissance. Une bonne façon de ne pas confondre : dans la loi d'Ohm U = R × I, on a bien « volt = ohm × ampère ».
Quelle est l'expression de la loi d'Ohm pour un conducteur ohmique ?
- A.U = R / I
- B.R = U × I
- C.I = R × U
- D.U = R × IBonne réponse
Réponse : D — U = R × I
La loi d'Ohm s'écrit U = R × I, avec U en volts, R en ohms et I en ampères. On en déduit I = U/R et R = U/I. Pour retrouver le bon sens : plus la résistance est grande, moins le courant passe sous une tension donnée, ce que traduit bien I = U/R. La forme U = R/I donnerait l'effet inverse, elle est fausse.
Dans un circuit en série, que peut-on dire de l'intensité du courant ?
- A.Elle est la même en tout point du circuitBonne réponse
- B.Elle diminue après chaque dipôle
- C.Elle se partage entre les dipôles
- D.Elle est nulle après la dernière lampe
Réponse : A — Elle est la même en tout point du circuit
Dans un circuit série, il n'existe qu'une seule boucle et aucun nœud : le même courant traverse donc tous les dipôles. L'idée que le courant « s'userait » en traversant une lampe est une conception fausse très répandue : ce n'est pas le courant qui est consommé, c'est de l'ÉNERGIE qui est convertie. Ce sont les TENSIONS qui se partagent en série, pas l'intensité.
À quoi correspond le sens conventionnel du courant à l'extérieur du générateur ?
- A.Du pôle − vers le pôle +
- B.Au sens de déplacement des électrons
- C.Du pôle + vers le pôle −Bonne réponse
- D.Il change en permanence
Réponse : C — Du pôle + vers le pôle −
Par convention historique, le courant circule de la borne + vers la borne − à l'extérieur du générateur. Les électrons, eux, étant chargés négativement, se déplacent dans le sens OPPOSÉ. Cette convention a été fixée avant la découverte de l'électron : on la conserve, il suffit de savoir qu'elle est inverse du mouvement réel des électrons dans un métal.
Un conducteur ohmique de résistance R = 100 Ω est traversé par une intensité I = 0,050 A. Quelle tension mesure-t-on à ses bornes ?
- A.2000 V
- B.0,50 V
- C.5,0 VBonne réponse
- D.50 V
Réponse : C — 5,0 V
On applique directement U = R × I = 100 × 0,050 = 5,0 V. Vérification en sens inverse : I = U/R = 5,0/100 = 0,050 A, on retombe bien sur la donnée. La réponse 2000 V vient d'une division (100/0,050) au lieu d'une multiplication : une tension de 2000 V dans un montage de TP devrait immédiatement te sembler invraisemblable.
Un conducteur ohmique de résistance R = 60 Ω est soumis à une tension U = 12 V. Quelle est l'intensité qui le traverse ?
- A.720 A
- B.0,20 ABonne réponse
- C.5,0 A
- D.0,50 A
Réponse : B — 0,20 A
De U = R × I on tire I = U/R = 12/60 = 0,20 A, soit 200 mA. Vérification : U = 60 × 0,20 = 12 V. La réponse 720 A vient d'une multiplication (12 × 60), et 5,0 A d'une division inversée (60/12) : dans les deux cas, l'ordre de grandeur est aberrant pour un circuit de laboratoire.
Un générateur de 9,0 V alimente en série une lampe et un conducteur ohmique. La tension aux bornes de la lampe vaut 3,5 V. Quelle est la tension aux bornes du conducteur ohmique ?
- A.12,5 V
- B.9,0 V
- C.3,5 V
- D.5,5 VBonne réponse
Réponse : D — 5,5 V
La loi des mailles pour ce circuit série donne U(générateur) = U(lampe) + U(conducteur ohmique), soit 9,0 = 3,5 + U. D'où U = 9,0 − 3,5 = 5,5 V. Vérification : 3,5 + 5,5 = 9,0 V. Répondre 12,5 V revient à additionner au lieu de soustraire, ce qui est impossible : aucune tension de récepteur ne peut dépasser celle du générateur dans un circuit série.
Un courant d'intensité 0,25 A arrive à un nœud et se sépare en deux branches. L'une est parcourue par 0,10 A. Quelle est l'intensité dans l'autre ?
- A.0,15 ABonne réponse
- B.0,35 A
- C.0,25 A
- D.0,025 A
Réponse : A — 0,15 A
La loi des nœuds impose que la somme des intensités entrantes égale la somme des intensités sortantes : 0,25 = 0,10 + I, donc I = 0,25 − 0,10 = 0,15 A. Vérification : 0,10 + 0,15 = 0,25 A. Répondre 0,35 A revient à additionner : ce serait plus de courant sortant qu'entrant, ce qui violerait la conservation de la charge.
À combien d'ampères correspond une intensité de 25 mA ?
- A.25 000 A
- B.2,5 A
- C.0,25 A
- D.0,025 ABonne réponse
Réponse : D — 0,025 A
Le préfixe milli signifie « un millième » : 1 mA = 1 × 10^-3 A. Donc 25 mA = 25 × 10^-3 A = 0,025 A. Il faut DIVISER par 1000, pas par 10 ni par 100. Cette conversion est indispensable avant toute application de la loi d'Ohm : l'oublier fausse le résultat d'un facteur mille.
Une tension de 6,0 V appliquée à un conducteur ohmique y fait circuler un courant de 25 mA. Quelle est sa résistance ?
- A.0,24 Ω
- B.150 Ω
- C.240 ΩBonne réponse
- D.0,15 Ω
Réponse : C — 240 Ω
Il faut d'abord convertir : I = 25 mA = 0,025 A. Puis R = U/I = 6,0 / 0,025 = 240 Ω. Vérification : U = 240 × 0,025 = 6,0 V, c'est cohérent. L'oubli de la conversion donnerait R = 6,0/25 = 0,24 Ω, mille fois trop petit : une résistance aussi faible se comporterait pratiquement comme un fil.
Un générateur de 6,0 V alimente en série deux conducteurs ohmiques : R1 = 100 Ω et R2 = 200 Ω. Quelle est la tension aux bornes de R2 ?
- A.3,0 V
- B.2,0 V
- C.4,0 VBonne réponse
- D.6,0 V
Réponse : C — 4,0 V
Raisonnement en trois temps. 1) En série, les tensions s'additionnent : 6,0 = U1 + U2, avec la MÊME intensité I dans les deux dipôles. En remplaçant : 6,0 = 100 × I + 200 × I = 300 × I. 2) On en tire I = 6,0/300 = 0,020 A. 3) Enfin U2 = R2 × I = 200 × 0,020 = 4,0 V. Vérification : U1 = 100 × 0,020 = 2,0 V, et 2,0 + 4,0 = 6,0 V, c'est bien cohérent. Répondre 3,0 V serait partager la tension à parts égales, ce qui n'est valable que si les deux résistances sont identiques.
Comment branche-t-on un ampèremètre pour mesurer l'intensité dans une branche ?
- A.En série dans la brancheBonne réponse
- B.En dérivation aux bornes du dipôle
- C.En dérivation aux bornes du générateur
- D.Hors circuit
Réponse : A — En série dans la branche
Un ampèremètre mesure un débit de charge : il doit donc être TRAVERSÉ par le courant, ce qui impose un branchement en série. Le brancher en dérivation aux bornes du générateur reviendrait à créer un court-circuit, avec un risque réel pour l'appareil. C'est le voltmètre, lui, qui se branche en dérivation.
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