Electricité 💡
1. Tension électrique
La tension électrique représente la force qui pousse les électrons à se déplacer à travers un circuit électrique, c'est la "force motrice" pour les électrons.
Cette force provient d'un déséquilibre de charge entre 2 points d'un circuit appelé différence de potentiel (ou ddp).
L'unité pour mesurer la valeur d'une tension électrique est le Volt de symbole (V).
Pour les tensions on utilise souvent le symbole U, par exemple si la tension est 5 Volts → U = 5V.
Pour obtenir une tension électrique dans un circuit, il faut un générateur:
Remarques:
- Le générateur de tension idéal est utilisé avec une résistance en série pour modéliser un générateur (à préciser plus tard!).
- Dans un schéma de circuit électrique "un trait" représente un composant en soi :
2. Intensité du courant électrique
L'intensité est concrètement proportionnelle au nombre d'électrons qui traverse le fil électrique par seconde.
Elle est notée I, l'unité de mesure est L'ampère (A), par exemple si l'intensité est 0,5 Ampère → I = 0,5A.
3. Contexte d'étude: le régime continu
On parle de régime continu lorsque la tension délivrée par le générateur ne change pas au cours du temps.
C'est la meilleur façon d'aborder cette partie de la physique, même si ce n'est pas le régime le plus courant! (haha, hum...)
Par exemple, EDF délivre une tension qui alterne entre 230V et -230V (valeurs efficaces).
Les connaissances aquises dans l'étude des régimes continus sont indispensables pour l'étude des autres régimes.
4. sens et conventions:
A l'aide d'un générateur , on peut faire circuler le courant électrique dans un résistor (ou conducteur Ohmique) :
- La valeur d'un résistor est appelée résistance noté R et l'unité est Ohm(Ω), exemple R = 100Ω.
- Abus de langages qui sont souvent utilisés (par moi aussi 😱).
- "intensité" au lieu de : "intensité du courant électrique"
- "résistance" au lieu de "résistor", on dira "une résistance de 100Ω" au lieu de "un résistor de résistance 100Ω"
- Le sens conventionnel du courant est de la borne + vers - (comme I sur le schéma).
- Les électrons vont dans le sens contraires, du - vers le + (car ils sont chargés négativement, donc attirés vers + (les charges contraires s'attirent)).
- UBC = 0V car dans un fil il n'y a pas de différence de potentiel : chaque point est dans le même état électrique.
- Si on parle d'un circuit électrique la tension est toujours mesurée entre 2 points d'un circuit électrique.
- La notation U est donc incomplète! Entre les 2 points A et B, la tension s'écrit: UAB ou UBA
- Pour dessiner la flèche qui correspond à UAB:
- la première lettre(A) correspond au haut de la flèche,
- et la 2ème(B) au bas de la flèche.
- UAB = VA - VB, c'est à dire le potentiel électrique en A - le potentiel électrique en B.
- UAB et UBA sont 2 tensions opposées donc UAB = -UBA
5. Série ou dérivation?
Note de vocabulaire: tous les appareils qui ont 2 bornes sont appelés dipôles.
Il existe 2 types de branchements:
- En série les dipôles sont branchés les uns après les autres et sont parcourus par le même courant.
- En dérivation (ou parallèle) les dipôles sont branchés les uns par-dessus les autres et subissent la même tension.
6. Ampèremètre et Voltmètre
Comme indiqué sur le schéma plus bas:
- Un Ampèremètre est branché en série
- Un Voltmètre est branché en dérivation (ou parallèle)
Remarque : on considère que les appareils de mesures ne changent pas le fonctionnement du circuit électrique.
7. Autres symboles
Associer les paires
symbole-image
Loi d'Ohm - caractéristique d'une résistance - partie1 : montage et mesures
1. A l'ailde des boutons + et -, faites varier la tension.
2. Lorsque la valeur vous convient appuyer sur Mesure
3. Lorsque vous avez obtenu les 7 valeurs:
Voltmètre
Tension (U) : 0 V
Ampèremètre
Intensité (I) : 0 mA
Mesures :
| Mesure 1 | Mesure 2 | Mesure 3 | Mesure 4 | Mesure 5 | Mesure 6 | Mesure 7 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| U (V) | - | - | - | - | - | - | - |
| I (mA) | - | - | - | - | - | - | - |
Vous avez réalisé 0 / 7 mesure(s).
Vous avez terminer les mesures, cliquer sur "J'ai fini"
pour tracer la caractéristique de la résistance.
Loi d'Ohm - Tracer la caractéristique - Déterminer la valeur de la résistance
Loi d'Ohm : U = RI
- U (V)
- I (A)
- R (Ω)
1. Pourquoi la caractéristique d'un générateur ?
Dans la partie 1, j'ai donné 2 symboles pour représenter 2 générateurs différents:
: c'est le symbole qui représente une pile ordinaire.
: c'est le symbole d'un générateur de tension idéal.
Un générateur de tension idéal, c'est un générateur qui est capable de délivrer toujours la même tension en toutes circonstances, autant dire qu'il n'existe pas!
Mais ... c'est quoi la différence entre une pile et le générateur idéal ?
C'est justement, ce que l'on va découvrir dans cette partie! On va procéder par étape:
- Faire le montage qui permet d'avoir la tension U aux bornes de la pile et le courant I du circuit (il faut qu'on puisse faire varier U et I).
- Faire 7 mesures de U et I pour tracer la caractéristique (la courbe U = f(I) qui représente la tension en fonction de l'intensité)
- A partir des 7 points, tracer la caractéristique
- A partir de cette caractéristique, trouver un modèle réaliste de la pile et le mettre en équation.
2. Matériel
Pour le montage, on aura besoin du matériel suivant:
- Une pile 9V, une résistance de protection 20 Ω, des fils et ... un rhéostat de 200 Ω
Un rhéostat, ça ressemble à ça : 
, on peut déplacer le curseur à la main (la partie C).
Je branche un Ohmmètre entre A et C, pour avoir la valeur de la résistance, que se passe-t-il lorsqu'on déplace le curseur C?
La valeur de la résistance varie jusqu'à la valeur maximal 200 Ω, si on se brance entre A et B la résistance est aussi de 200 Ω.
3. Montage
Dans la suite, on va réaliser le montage suivant :
Si vous avez bien suivi, ici on ne va pas faire directement varier U ou I mais on va faire varier...
... on va faire varier la résistance du circuit avec le curseur du rhéostat!
du coup I et U vont varier aussi, ce qui va nous permettre de mesurer 7 valeurs différentes.
On reprend le montage vu dans l'introduction et on va faire varier la résistance du rhéostat pour avoir nos points de mesures.
J'ai rajouté un interrupteur ouvert, c'est notre premier point de mesure (important) U = 9V avec I = 0 mA.
Pour avoir d'autres mesures il faut commencer par (sinon I sera toujours = 0).
1. Lorsque les valeurs de U et I vous conviennent appuyer sur Mesure
Modifier la valeur de la résistance du rhéostat grâce au curseur, pour faire varier U et I.
2. Lorsque vous avez obtenu les 7 valeurs:
Voltmètre
Tension (U) : 9 V
Ampèremètre
Intensité (I) : 0 mA
Mesures :
| U (V) | Mesure 1 | Mesure 2 | Mesure 3 | Mesure 4 | Mesure 5 | Mesure 6 | Mesure 7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| U (V) | 9 | - | - | - | - | - | - |
| I (mA) | 0 | - | - | - | - | - | - |
Vous avez réalisé 0 / 7 mesure(s).
Vous avez terminer les mesures, cliquer sur "J'ai fini"
pour tracer la caractéristique du générateur.
On a trouvé la relation tension/intensité de la pile, soit U = 9 - I
La formule générale d'un générateur est U = E - rI , dans notre expérience E = 9V et r = Ω.
- E est la force électromotrice (fém) de la pile.
- Pourquoi force électromotrice? Rappelez-vous que le rôle d'un générateur est de mettre en mouvement les électrons → voir(I)!
- On dit que E est la tension lorsque la pile ne débite pas de courant, effectivement, U = E - rI donc si I = 0 et bien... U = E.
- E se comporte comme un générateur de tension idéal, d'où son symbole :
- Si vous avez bien suivi la partie III vous savez que -rI représente la tension aux bornes d'une résistance de valeur r.
- Et si vous avez compris la partie IV, vous savez pourquoi c'est -rI et pas rI
- C'est parce que la tension et le courant sont orientés dans le même sens (on utilise une convention générateur alors qu'une résistance est un récepteur)
- Loi d'Ohm pour la résistance r :
On a finalement obtenu le schéma équivalent d'une pile qu'on pourra généraliser aux autres générateurs : Bravo 🎉
Vous vous rappelez de la question du début?
Et bien, cette différence tient dans la résistance r en série , elle reflète le "côté imparfait" de la pile,
puisqu'au 9V de fém de la pile il faut retrancher la valeur rI donc -rI qui représente une chute de tension par rapport au générateur idéal.
1. Peut-on avoir une tension sans courant?
On réalise le montage ci-contre.
Liste de matériel:
- 1 générateur
- 1 Ampèremètre
- 3 Voltmètres
- 1 résistance
- 1 interrupteur
- 10 fils
On règle le bouton du générateur sur 6V.
Etant donné que l'interrupteur est ouvert, on a forcément I = 0A.
Est-ce que la tension du générateur est UAD=0V ?
1. Peut-on avoir une tension sans courant?
, le voltmètre indique que la tension UAD est proche de 6V.
Même si il n'y a pas de courant, le générateur fournit sa tension.
Remarques:
- UBC = RI = 0V car I = 0A
- Loi des mailles (vu plus tard): UAD = UAB + UBC
- UAD = UAB + 0
- donc UAB = 6V , la tension aux bornes de l'interrupteur ouvert est d'environ 6V.
- L'inverse est faux, il n'y a pas de courant sans tension.
2. Convention récepteur et convention générateur
On a vu que la loi d'Ohm s'écrit U = RI.
Peut-on écrire UAB = RI avec les notations du schéma ci contre ?
2. Convention récepteur et convention générateur
, la tension UAB = -RI avec les notaions du schémas.
I et UAB sont orientés dans le même sens sur le scéma , c'est la convention générateur.
Pour avoir UAB = RI, il faut utiliser une convention récepteur, c'est à dire UAB et I orientés en sens opposés.
En toute logique, on utilise la convention générateur avec les générateurs et la convention récepteur avec les récepteurs,
sur le schéma ci-contre, il faudrait orienter I dans l'autre sens pour avoir UAB = RI et I dans le sens conventionel du courant.
Les formules (comme UAB = RI ) sont écrites par rapport au schéma électrique, (donc faites des schémas!)
3. Un peu de vocabulaire : une maille, un noeud
1. Comprendre la loi des noeuds
Les courants I et I1 arrivent sur le noeud A,
Simplement en disant que vu que le courant à changé de sens, il a la valeur: I2 = - 7A ou en appliquant la loi des noeuds!
- Pour le noeud A:
- Courants rentrants : I + I1 + I2
- Courants sortants : aucun
- Ce qui rentre doit sortir → Courants rentrants = Courants sortants → I + I1 + I2 = 0 → I2 = -(I + I1) = -7A
2. La loi des noeuds
Si vous avez compris ce qu'on a fait au-dessus, il faut faire un schéma, vu que la loi dépend de l'orientation des courants que l'on a choisi:
- Pour le noeud A:
- Courants rentrants: I1 + I2 + I3
- Courants sortants: I4 + I5
- Loi des noeuds: I1 + I2 + I3 = I4 + I5
1. Enoncé de la loi des mailles
Il est logique de penser que la résistance et l'ampoule se répartissent la tension du générateur soit: UAC = UAB + U BC.
C'est la loi d'additivité des tensions ou loi des mailles.
La loi des mailles dit que: La somme algébrique des tensions rencontrées dans une maille est nulle.
Voici la méthode:
- on choisit une maille (une seule possible ici!)
- on choisit un sens de rotation positif pour parcourir cette maille (voir schéma)
- on flèche toutes les tensions présentent dans la maille
- on fait le tour de la maille en additionnant toutes les tensions avec un signe + si la tension est dans le même sens (UAC)
et avec un signe - si la tension est en sens inverse (-UAB et -UBC) - Cette addition est égale à 0, ce qui donne: UAC - UAB - UBC = 0 soit UAC = UAB + UBC
2. Un exemple pour pratiquer
- d'après la loi des mailles : UAF - UAB + UCB + UDC + UED - UEF = 0
- soit UEF = UAF - UAB + UCB + UDC + UED
- UEF = 12 -2 -1 -2 -1 = 6V
- UEF = 6V