Circuit électrique — intensité et tension
L'électricité
Circuit électrique — intensité et tension
Introduction
L'électricité est omniprésente dans notre quotidien : éclairage, chauffage, appareils électroniques… Comprendre les grandeurs fondamentales qui régissent un circuit électrique — l'intensité et la tension — est essentiel pour analyser et concevoir des circuits.
Le circuit électrique
Définition
Un circuit électrique est un ensemble de dipôles (composants à deux bornes) reliés entre eux par des fils conducteurs de manière à former un chemin fermé permettant la circulation du courant électrique.
Composants de base
| Composant | Rôle | Symbole usuel |
|---|---|---|
| Générateur (pile, batterie) | Fournit l'énergie électrique | — |
| Récepteur (lampe, résistance, moteur) | Convertit l'énergie électrique | — |
| Interrupteur | Ouvre ou ferme le circuit | — |
| Fils conducteurs | Assurent la liaison entre composants | — |
Circuit ouvert et circuit fermé
- Circuit fermé : le courant peut circuler — tous les dipôles sont connectés en un chemin continu.
- Circuit ouvert : le courant ne circule pas — le chemin est interrompu (interrupteur ouvert, fil coupé…).
Attention : un court-circuit survient lorsqu'un fil conducteur relie directement les deux bornes d'un générateur sans passer par un récepteur. Cela peut provoquer un échauffement dangereux et endommager le matériel.
Le courant électrique
Nature du courant
Dans un métal, le courant électrique est dû au déplacement d'ensemble des électrons libres sous l'effet d'une tension.
- Les électrons se déplacent du pôle − vers le pôle + du générateur (sens réel).
- Par convention, le sens conventionnel du courant va du pôle + vers le pôle − à l'extérieur du générateur.
Analogie hydraulique
On peut comparer un circuit électrique à un circuit d'eau :
| Électricité | Hydraulique |
|---|---|
| Générateur (pile) | Pompe |
| Courant (débit de charges) | Débit d'eau |
| Tension (d.d.p.) | Différence de pression |
| Résistance | Étranglement du tuyau |
L'intensité du courant
Définition
L'intensité $$I = I_1 = I_2 = I_3$$0 du courant électrique mesure le débit de charges qui traverse une section de conducteur par unité de temps :
$$I = \frac{Q}{\Delta t}$$
avec :
- $$I = I_1 = I_2 = I_3$$1 en ampères (A)
- $$I = I_1 = I_2 = I_3$$2 la charge électrique en coulombs (C)
- $$I = I_1 = I_2 = I_3$$3 la durée en secondes (s)
Ordre de grandeur : la charge d'un électron vaut $$I = I_1 = I_2 = I_3$$4 C. Un courant de 1 A correspond au passage d'environ $$I = I_1 = I_2 = I_3$$5 électrons par seconde !
Mesure de l'intensité
L'intensité se mesure avec un ampèremètre, branché en série dans le circuit (le courant doit traverser l'appareil).
Règles de branchement :
- Borne A (ou +) du côté où le courant entre dans l'ampèremètre.
- Borne COM (ou −) du côté où le courant sort.
- Choisir un calibre adapté (commencer par le plus grand pour protéger l'appareil).
Propriétés en série et en dérivation
Circuit série : l'intensité est la même en tout point du circuit.
$$I = I_1 = I_2 = I_3$$
C'est la loi d'unicité de l'intensité en série.
Circuit en dérivation (branches parallèles) : l'intensité se partage entre les branches. Au niveau d'un nœud :
$$I_{\text{entrant}} = I_{\text{sortant}}$$
C'est la loi des nœuds (première loi de Kirchhoff).
Exemple : si un nœud reçoit un courant $$I = I_1 = I_2 = I_3$$6 A et se divise en deux branches, on peut avoir $$I = I_1 = I_2 = I_3$$7 A et $$I = I_1 = I_2 = I_3$$8 A (avec $$I = I_1 = I_2 = I_3$$9).
La tension électrique
Définition
La tension $$I_{\text{entrant}} = I_{\text{sortant}}$$0 entre deux points A et B d'un circuit est la différence de potentiel (d.d.p.) entre ces deux points :
$$U_{AB} = V_A - V_B$$
avec :
- $$I_{\text{entrant}} = I_{\text{sortant}}$$1 en volts (V)
- $$I_{\text{entrant}} = I_{\text{sortant}}$$2 et $$I_{\text{entrant}} = I_{\text{sortant}}$$3 les potentiels électriques des points A et B
La tension représente l'énergie fournie (ou reçue) par unité de charge entre deux points.
Mesure de la tension
La tension se mesure avec un voltmètre, branché en dérivation (en parallèle) entre les deux points considérés.
Règles de branchement :
- Borne V (ou +) reliée au point de potentiel le plus élevé.
- Borne COM reliée au point de potentiel le plus bas.
- Le voltmètre ne doit pas être traversé par le courant principal.
Propriétés
Tension aux bornes d'un générateur : le générateur impose une tension entre ses bornes. Pour une pile idéale de f.é.m. $$I_{\text{entrant}} = I_{\text{sortant}}$$4 :
$$U_G = E$$
Tension aux bornes d'un fil idéal : un fil conducteur parfait ne « consomme » pas d'énergie :
$$U_{\text{fil}} = 0 \text{ V}$$
Tension en série et en dérivation
Loi d'additivité des tensions (en série)
Dans une branche série, la tension totale est la somme des tensions individuelles :
$$U_{\text{totale}} = U_1 + U_2 + U_3$$
C'est une conséquence directe de la loi des mailles (deuxième loi de Kirchhoff).
Tension en dérivation
Tous les dipôles branchés en dérivation (en parallèle) ont la même tension à leurs bornes :
$$U = U_1 = U_2 = U_3$$
C'est la loi d'unicité de la tension en dérivation.
Exemple : deux lampes en parallèle alimentées par un générateur de 6 V ont chacune une tension de 6 V à leurs bornes.
Applications numériques
Exercice résolu 1
Un courant de $$I_{\text{entrant}} = I_{\text{sortant}}$$5 A traverse un circuit pendant $$I_{\text{entrant}} = I_{\text{sortant}}$$6 min. Quelle charge électrique a traversé le circuit ?
Solution :
$$Q = I \times \Delta t = 0{,}5 \times (2 \times 60) = 0{,}5 \times 120 = 60 \text{ C}$$
Exercice résolu 2
Dans un circuit série alimenté par une pile de 9 V, on mesure $$I_{\text{entrant}} = I_{\text{sortant}}$$7 V aux bornes d'une lampe et $$I_{\text{entrant}} = I_{\text{sortant}}$$8 V aux bornes d'une résistance. Quelle est la tension $$I_{\text{entrant}} = I_{\text{sortant}}$$9 aux bornes d'un moteur ?
Solution :
$$U_3 = U_{\text{pile}} - U_1 - U_2 = 9 - 3{,}5 - 2{,}5 = 3{,}0 \text{ V}$$
À retenir
- Le courant électrique est un déplacement ordonné de charges ; son sens conventionnel va du + vers le − à l'extérieur du générateur.
- L'intensité $$U_{AB} = V_A - V_B$$0 (en A) mesure le débit de charges : $$U_{AB} = V_A - V_B$$1. Elle se mesure en série avec un ampèremètre.
- La tension $$U_{AB} = V_A - V_B$$2 (en V) est la différence de potentiel entre deux points. Elle se mesure en dérivation avec un voltmètre.
- Loi des nœuds : $$U_{AB} = V_A - V_B$$3.
- Loi d'additivité des tensions en série : $$U_{AB} = V_A - V_B$$4
- Unicité de la tension en dérivation : tous les dipôles en parallèle ont la même tension.