Electricite

Qu’est-ce qu’un matériau conducteur ?

L'électricité ne circule pas partout : elle a besoin d'un chemin fait de matières qui la laissent passer.

On parle alors de conductivité électrique.

Définitions :

Un conducteur est un matériau qui laisse passer le courant électrique.
Un isolant est un matériau qui empêche le courant de passer.

Exemples :

Le métal est conducteur : une cuillère en inox, un fil de cuivre…

MÉTAL
(Conducteur)

Le plastique est isolant : il entoure les câbles pour éviter les chocs.

PLASTIQUE
(Isolant)

Analogie (fausse mais parlante !) :
L’électricité peut-être vue comme des voitures sur une route : la route (conducteur) permet au voitures de passer, un mur (isolant) les bloques.

À retenir

Qu’est-ce qu’un conducteur ?
Qu’est-ce qu’un isolant ?
Peux-tu citer deux exemples de conducteurs ? Deux d’isolants ?

Qu’est-ce qu’une grandeur électrique ?

On peut mesurer certains effets de l’électricité dans un circuit grâce à des grandeurs : c’est comme prendre les "signes vitaux" du courant.

L’intensité du courant

L’intensité mesure la quantité d’électricité qui circule dans un circuit à chaque instant. Son symbole est I.

On la mesure en Ampères, abrégé A, avec un appareil appelé ampèremètre (dont le symbole est représenté sur le schéma).
L'ampèremètre doit toujours être branché en série avec le dipôle afin de mesurer l'intensité du courant qui traverse ce même dipôle.

Simulateur : Intensité du courant

Intensité (A)

Intensité: 0 A

État: Normal

La tension électrique

La tension représente la différence de charges électriques entre deux bornes. C’est ce qui permet au courant de se mettre en mouvement. Son symbole est U.

Plus la tension est grande, plus le courant a de "poussée" pour circuler.

On la mesure en Volts, abrégé V, avec un appareil appelé voltmètre.

Le voltmètre doit toujours être branché en dérivation avec le dipôle afin de mesurer la tension du courant qui s'applique aux bornes de ce même dipôle

Analogie (fausse mais parlante !) :
L’intensité, c’est la quantité de voiture roulant sur la route ;
La tension, c’est par exemple, la différence de lieu de vie des voitures pendant les vacances d'été. Les voitures habitants au centre du pays se déplace vers les cotes car il y a la mer !

À retenir

Qu’est-ce que l’intensité d’un courant ? Quelle est son unité ?
Comment mesure-t-on l’intensité dans un circuit ?
Qu’est-ce que la tension électrique ? Quelle est son unité ?
Quelle est la différence entre un ampèremètre et un voltmètre ?
Pourquoi tension et intensité sont-elles liées ?

La loi des nœuds

Un nœud est donc un point du circuit où au moins 3 fils se rejoignent. Le courant électrique ne se perd pas et ne s’accumule jamais : toute l’intensité qui entre dans un nœud en ressort. C’est la loi des nœuds. Voyons ce qu’elle donne dans les deux types de circuits.

La loi des nœuds dans un circuit en série

Dans un circuit en série, il n’y a aucun nœud : le courant n’a qu’un seul chemin possible. Quand on mesure l’intensité du courant, on remarque donc qu’elle reste identique en tout point du circuit.

Exemple : dans un circuit avec une pile et deux lampes et un moteur en série :

En sortie de pile, l’intensité est I_P
Après la lampe 1, l’intensité est I₁
Après la lampe 2, l’intensité est I₂
Après le moteur, l’intensité est I_M

On observe que : $I_P = I_1 = I_2 = I_M$

➡ Sans nœud, un seul chemin, une seule intensité : c’est la loi des nœuds dans un circuit en série. On l’appelle aussi loi d’unicité de l’intensité.

Circuit en série - Visualisation de l'intensité

I_moteur = 0.3A

I_L1 = 0.3A

I_L2 = 0.3A

La loi des nœuds dans un circuit en dérivation

Dans un circuit en dérivation, le courant se partage à chaque nœud entre les branches. Comme tout ce qui entre dans le nœud en ressort, l’intensité dans la branche principale est égale à la somme des intensités dans les branches dérivées.

Exemple : circuit avec une pile et deux lampes en dérivation :

Dans la branche principale (avec la pile), l’intensité est I_P
Dans la branche 1 : I₁, dans la branche 2 : I₂

On observe que : $I_P = I_1 + I_2$

➡ C’est la loi des nœuds en dérivation. On l’appelle aussi loi d’additivité de l’intensité.

Circuit en dérivation - Visualisation de l'intensité

I_principal = 0.9A

I_branche1 = 0.5A

I_branche2 = 0.4A

À retenir

Qu’est-ce que la loi des nœuds ?
Que devient l’intensité du courant dans un circuit en série ?
Comment varie l’intensité dans un circuit en dérivation ?
Quelle formule résume la loi d’intensité dans chaque type de circuit ?

La loi des mailles

Les boucles sont parfois aussi appelée des mailles Dans chaque boucle, la tension de la pile se répartit entre les récepteurs de la boucle :

U_pile = somme des tensions des récepteurs de la boucle.
C’est la loi des mailles Voyons ce qu’elle donne dans les deux types de circuits.

La loi des mailles dans un circuit en série

Un circuit en série ne compte qu’une seule boucle : la tension de la pile est répartie entre tous les récepteurs.

Exemple : pile et deux lampes en série :

Tension aux bornes de la pile : U_P
Tension lampe 1 : U₁, lampe 2 : U₂

On observe que : $U_P = U_1 + U_2$

➡ C’est la loi des mailles dans un circuit en série. On l’appelle aussi loi d’additivité des tensions.

La loi des mailles dans un circuit en dérivation

Dans un circuit en dérivation, chaque boucle contient la pile et un seul récepteur. La loi des mailles donne alors : la tension aux bornes de la pile est la même dans chaque branche.

On observe que : $U_p = U_1 = U_2$

➡ C’est la loi des mailles en dérivation. On l’appelle aussi loi d’unicité des tensions.

À retenir

Qu’est-ce que la loi des mailles ?
Que devient la tension dans un circuit en série ?
Quelle est la tension dans chaque branche d’un circuit en dérivation ?
Quelle formule résume la loi de la tension dans les deux cas ?

La résistance électrique

La résistance est la capacité d’un dipôle ou d’un matériau à s’opposer au passage du courant. Elle est notée R.

Plus un objet est résistant, moins le courant passe. À l’inverse, s’il est peu résistant, il laisse facilement passer le courant.

La résistance se mesure en Ohm (Ω).

Mesurer la résistance

On utilise un ohmmètre. On doit utiliser cette appareil, hors circuit ! Donc sans aucune source de courant. Son symbole électrique est représenté ci-contre.

La loi d’Ohm

Il existe une relation mathématique qui relie la tension (U), l’intensité (I) et la résistance (R).

Si on trace la tension en fonction de l’intensité pour un dipôle résistant, on obtient une droite passant par l’origine, ce qui indique une relation de proportionnalité :

$$U = R \times I$$

On peut aussi écrire :

$ R = \frac{U}{I} $
$ I = \frac{U}{R} $

À retenir

Qu’est-ce que la résistance électrique ?
Que se passe-t-il si la résistance est très élevée ?
Quelle relation relie U, R et I ?
Comment calculer R si on connaît U et I ?

La puissance : énergie par unité de temps

La puissance représente la quantité d’énergie consommée (ou fournie) par seconde.

Elle est notée P et s’exprime en watt (W).

Exemple : une lampe de 100 W consomme plus d’énergie qu’une de 40 W pour une même durée.

Puissance et énergie

On peut relier la puissance à l’énergie et au temps par la formule :

$$P = \frac{E}{t}$$

P : puissance en watt
E : énergie en joule
t : temps en seconde

Puissance électrique dans un circuit

Dans un circuit électrique, la puissance peut être calculée avec la tension (U) et l’intensité (I) :

$$P = U \times I$$

U : tension en volt
I : intensité en ampère

Puissance et Energie

💡 Ampoule 40W

P = U × I
P = 20V × 2A = 40W

Tension : 20V
Intensité : 2A

💡 Ampoule 100W

P = U × I
P = 20V × 5A = 100W

Tension : 20V
Intensité : 5A

⏱️ Temps écoulé : 0 secondes

⚡ Consommation d'énergie en temps réel

Ampoule 40W

0 J

Ampoule 100W

0 J

Un effet utile… ou dangereux
- Recherché dans les appareils de chauffage : radiateur électrique, grille-pain, bouilloire, fer à repasser, sèche-cheveux, ampoule à filament.
- Redouté dans les fils et les multiprises : un courant trop important les fait chauffer, la gaine plastique peut fondre ou brûler. C’est pourquoi on évite de surcharger une multiprise (risque d’incendie).

À retenir

À quoi correspond la puissance ?
Quelle est l’unité de la puissance ?
Quelle formule relie puissance, tension et intensité ?