Espace numérique – Secteurs Sciences et Sciences Appliquées

Avertissement :

L’ensemble des documents et fiches disponibles pour cette UAA ont été mis à jour en juin 2020, suite aux recommandations de l’épreuve externe de 2018 en sciences.

Le document suivant s’adresse aux enseignants et clarifie les concepts suivants :

• Circuit électrique de base
• Association de générateurs et de récepteurs
• Grandeurs électriques
• Sécurité électrique

Vous pourrez télécharger le document dans son intégralité en cliquant sur la petite icône en bas d’article.

Par ailleurs, vous pouvez avoir accès à des conseils didactiques, un répertoire de fiches d’activité (expériences…) et des ressources en sélectionnant les pavés correspondants dans la bannière grise de l’UAA.

Circuit électrique de base

Un circuit électrique est composé d’au moins un générateur et un récepteur raccordés par deux conducteurs.

Un générateur est un dispositif capable de séparer des charges opposées tant que fonctionne le circuit. Dans le cas d’un générateur continu, les charges positives et négatives s’accumulent toujours sur deux bornes différentes appelées la borne positive et la borne négative. Au cours de ce processus, une énergie primaire (chimique, mécanique, lumineuse…) est transformée en énergie électrique. On peut également considérer le générateur comme un dispositif communiquant de l’énergie aux charges électriques qui le traversent.

Nous privilégierons cette définition pour sa simplicité et son lien avec les analogies, même si elle ne correspond pas toujours aux processus atomiques, et en particulier aux réactions chimiques observées. Ainsi, dans les électrolytes (des piles et des cuves d’électrolyse), les charges sont portées par des cations et des anions se déplaçant en sens inverse.

Un récepteur est un dispositif prélevant de l’énergie aux charges électriques qui le traversent.[1] Au cours de ce processus, de l’énergie électrique est transformée en une énergie secondaire (chimique, mécanique, thermique…). Tout comme le générateur, le récepteur possède – au moins – deux bornes.

Pour que le récepteur et le générateur fonctionnent, il faut relier leurs bornes positives et négatives respectives avec deux conducteurs. Quand le circuit ainsi formé est ininterrompu, on dit que le circuit est fermé : un courant électrique, constitué de charges électriques, circule dans celui-ci. Historiquement, on a pris l’habitude de décrire le courant électrique comme allant de la borne positive à la borne négative du générateur en traversant le récepteur : c’est le sens conventionnel du courant. Au niveau atomique, les porteurs de charge au sein des conducteurs solides, les électrons de conduction, se déplacent en réalité dans l’autre sens : ils vont de la borne négative à la borne positive du générateur en traversant le récepteur : c’est le sens réel du courant.

Les charges électriques ne s’accumulent en aucun endroit du circuit, se mettent toutes en mouvement simultanément dès que le circuit est fermé, et au contraire, s’arrêtent toutes simultanément dès qu’on ouvre le circuit en un point quelconque, par exemple au moyen d’un interrupteur. Notons que, au niveau atomique, les électrons de conduction ont une vitesse très faible : à peine quelques millimètres par seconde !

De nombreux générateurs, dont ceux alimentant les prises du secteur (prises domestiques), fournissent une tension alternative : elle s’inverse plusieurs fois par seconde. Certains récepteurs (les ampoules à incandescence, les résistances chauffantes…) sont directement branchés sur ces générateurs, et le courant qui y circule s’inverse de la même manière. D’autres récepteurs (certains moteurs, les LED, les GSM…) ne peuvent fonctionner que sous une tension continue, le courant ne pouvant circuler que dans un sens.

Un court-circuit survient quand le courant électrique peut circuler entre les deux bornes d’un générateur sans devoir passer par un récepteur. Il en résulte un courant électrique très important qui risque d’endommager les générateurs, voire les conducteurs. Certains générateurs (transformateurs de labos) sont équipés d’un système de protection contre les courts-circuits.[2]

Les seules manifestations extérieures du courant électrique sont donc liées à l’énergie à investir au niveau du générateur (la dynamo qu’il faut faire tourner, le transformateur qu’il faut raccorder au secteur, la cellule photovoltaïque qu’il faut éclairer, la pile dont il faut remplacer les réactifs…) et aux effets observables au niveau du récepteur. Ceux-ci peuvent être de plusieurs types.

• Effet thermique : résistances chauffantes, rhéostats, la plupart des conducteurs, lampes à incandescence… Au-delà d’une certaine température, certains de ces récepteurs deviennent lumineux par incandescence.[3]
• Effet mécanique : moteurs, haut-parleurs… Ces récepteurs utilisent l’effet magnétique du courant électrique.
• Effet chimique : cuves d’électrolyse, accumulateurs lors de la recharge… Ces processus seront détaillés dans l’UAA19 du cours de formation scientifique consacrée aux oxydants et réducteurs.
• Effet électroluminescent : tubes luminescents, LED (diodes électroluminescentes), écrans de TV et PC… Cet effet n’est explicable que dans le cadre de la physique quantique, abordée éventuellement en fin de 3^ème degré.
• Effet électromagnétique : GSM, routeurs Wifi… Les concepts liés aux phénomènes électromagnétiques seront abordés dans l’UAA17 consacrée aux ondes électromagnétiques.

Association de générateurs et de récepteurs

La plupart des circuits comportent plusieurs générateurs et/ou récepteurs.

Ces dispositifs peuvent être branchés en série. Dans ce cas, la borne positive d’un de ces dispositifs est raccordée à la borne négative du dispositif suivant, etc. Si une des connexions est déficiente, ou si un des dispositifs ne laisse plus passer le courant, celui-ci s’annule partout dans le circuit.

Les générateurs et/ou récepteurs peuvent aussi être branchés en parallèle ou en dérivation. Dans ce cas, les bornes positives des dispositifs sont raccordées ensemble, et de même pour les bornes négatives. Une déficience d’une connexion ou d’un dispositif n’a normalement pas de conséquence sur le fonctionnement des autres.

Le schéma électrique représente l’agencement des différents composants d’un circuit électrique, en utilisant des symboles conventionnels.

En voici quelques-uns :

	Générateur de tension continue (symbole général)		Interrupteur (ouvert)
	Pile		Commutateur Le contact est établi soit entre les bornes A et B (voir illustration), soit entre les bornes A et C.
	Récepteur (symbole général)		Ampoule, lampe à incandescence
	Résistance, rhéostat, résistance chauffante…		Moteur
	Résistance variable Lors du réglage, on modifie à la fois la valeur de la résistance entre les bornes A et C et la valeur de la résistance entre les bornes C et B. La valeur de la résistance entre les bornes A et B reste constante		Diode électroluminescente (LED) Ce récepteur ne fonctionne que quand le courant y circule dans le sens indiqué par la flèche (de la borne + à la borne -).

Un tutoriel concernant la réalisation de schémas électriques à l’aide d’un logiciel est disponible dans les ressources.

Grandeurs électriques

Notons tout d’abord qu’aucun calcul lié à ces grandeurs n’est requis dans le cadre du cours de formation scientifique.

La tension électrique (aussi appelée différence de potentiel) est la quantité d’énergie acquise par unité de charge traversant un générateur, ou la quantité d’énergie cédée par unité de charge traversant un récepteur. Elle s’exprime en volt dans le Système International des Unités (SI). Elle se mesure en raccordant un voltmètre en parallèle avec le dispositif aux bornes duquel on désire mesurer la tension. Une explication concernant l’utilisation d’un multimètre comme voltmètre est disponible dans les ressources.

Quand plusieurs dispositifs sont raccordés en parallèle, une même tension règne à leurs bornes.[5]

Le courant électrique (aussi appelé intensité du courant électrique) est la quantité de charge circulant par unité de temps en un point d’un circuit. Il s’exprime en ampère dans le SI. Il se mesure en ouvrant le circuit à l’endroit où on désire effectuer la mesure, et en y insérant un ampèremètre en série.[6] Une explication concernant l’utilisation d’un multimètre comme ampèremètre est disponible dans les ressources.

Quand plusieurs dispositifs sont raccordés en série, un même courant électrique circule dans chacun d’eux.[7]

La puissance électrique d’un générateur ou d’un récepteur est la quantité d’énergie qu’il transforme par seconde. Elle se calcule par le produit de la tension aux bornes du dispositif par le courant qui le traverse : P = U.I, et s’exprime en watt dans le SI.[8] Elle peut se mesurer à l’aide d’un voltmètre et d’un ampèremètre placés judicieusement dans le circuit en fonctionnement, ou plus simplement en y insérant un énergimètre (wattmètre).

L’énergie électrique transformée par un générateur ou un récepteur se calcule par le produit de sa puissance par la durée : W = P.t, et s’exprime en joule dans le SI.[9] Une unité plus usuelle pour l’énergie électrique est le kilowattheure (kWh). Elle est définie par la quantité d’énergie transformée par un dispositif d’une puissance d’un kilowatt (1000 watt) fonctionnant pendant une heure : 1 kWh = 3600000 J = 3,6.10⁶ J.

Par exemple, la consommation électrique moyenne d’un ménage belge de trois personnes est de 3500 kWh. Cette valeur recouvre des disparités importantes selon la surface du logement et le système de chauffage utilisé (électrique ou combustible fossile).

La résistance électrique d’un récepteur est une mesure de la difficulté à y faire circuler un courant, ce qui est l’inverse de la conductivité. La valeur de la résistance est définie comme le quotient de la tension qu’on établit aux bornes du récepteur par le courant qui y circule pour cette tension correspondante : R = U/I, et s’exprime en ohm dans le SI.[10] La lettre grecque « oméga » majuscule a été choisie car elle remplace la lettre latine « O » qui aurait pu être confondue avec le chiffre zéro. La résistance d’un composant peut se mesurer de deux manières différentes :

• Si le composant est en fonctionnement dans un circuit, on branche un voltmètre en parallèle et un ampèremètre en série avec lui.
• Si le composant ne fait pas partie d’un circuit électrique, on le branche directement à un ohmmètre. Une explication concernant l’utilisation d’un multimètre comme ohmmètre est disponible dans les ressources.

Généralement, la résistance électrique d’un matériau dépend de certains paramètres comme la température. Ainsi, la résistance du filament métallique d’une ampoule augmente avec la température : une ampoule possède donc une résistance plus grande quand elle est allumée que quand elle est éteinte.

Par contre, certains composants, appelés justement « résistances », ont une résistance constante[11]. Une explication concernant le code des couleurs des résistances est disponible dans les ressources.

Quant au corps humain, composé en grande partie d’eau, il peut aussi conduire l’électricité sous certaines conditions. Lorsqu’on procède à une mesure de la résistance du corps humain, le résultat peut varier fortement en fonction de plusieurs facteurs : facteurs physiologiques (âge, sexe, taux d’alcoolémie, épaisseur de la peau), trajet du courant, aire de contact, pression exercée, humidité de la peau, valeur de la tension appliquée… Lorsque la peau est mouillée, la résistance peut descendre à quelques milliers d’ohms, mais les valeurs mesurées en pinçant entre ses doigts secs les extrémités d’un ohmmètre sont généralement situées entre 100 et 1000 kΩ.

La résistance électrique d’un récepteur permet de prévoir la quantité d’énergie électrique qu’il transformera en énergie thermique (l’effet joule). Pour une tension donnée, l’effet joule sera d’autant plus important que la résistance du récepteur est faible.[12] Un récepteur dont le but est de transformer l’énergie électrique en énergie thermique est appelé résistor.

L’illustration ci-contre représente une mesure de l’effet joule produit par un résistor plongé dans un récipient d’eau. Un ampèremètre inséré en série permet de mesurer le courant qui y circule.

Comme déjà évoqué précédemment, les conducteurs électriques constituant les circuits électriques possèdent eux aussi une certaine résistance et sont donc le siège de déperditions (généralement limitées) sous forme d’énergie thermique[13].

Sécurité électrique

L’électricité présente des dangers de deux ordres différents.

Pour les installations (conducteurs, générateurs, récepteurs), il faut éviter le passage d’un courant électrique trop important qui pourrait provoquer une surchauffe par effet joule, et donc éventuellement un incendie. Ceci pourrait provenir d’un branchement d’un trop grand nombre de récepteurs en parallèles sur un même circuit, ou d’un court-circuit accidentel. Les disjoncteurs[14] et fusibles[15] placés en série ont pour effet d’interrompre le circuit dès qu’ils décèlent le passage d’un courant trop important. Les connections entre conducteurs se font, quant à eux, dans des boîtiers ininflammables même en cas de surchauffes dues à des faux contacts[16] éventuels.

Pour les personnes – comme tous les êtres vivants – il faut éviter le passage dans le corps d’un courant électrique supérieur à environ 10 mA (milliampères) qui pourrait provoquer une tétanisation musculaire, voire une fibrillation du muscle cardiaque. Cela pourrait se produire si une personne touche accidentellement deux conducteurs sous une tension de plus d’environ 50 V, l’un d’entre eux pouvant être la Terre. Le risque est accru si les contacts sont humides. Pour prévenir le risque de fuite de courant, les appareils électriques fonctionnant sous une tension supérieure à 50 V sont munis d’une double isolation, les boîtiers métalliques des appareils électriques sont raccordés à la terre par l’intermédiaire d’un troisième conducteur spécifique (la prise de terre), et les installations modernes sont équipées d’un disjoncteur différentiel qui interrompt le courant dès qu’il décèle une différence significative entre les courants électriques entrant et sortant.

Lors des expériences et travaux pratiques organisés en classe, les risques pour la santé sont quasi-inexistants en raison des très faibles tensions mises en œuvre[17]. Les précautions à prendre concernent donc essentiellement la protection du matériel expérimental :

• Il faut éviter les courts-circuits qui pourraient décharger rapidement la pile ou endommager le générateur s’il n’est pas protégé contre les surintensités ;
• Il faut éviter de brancher un ampèremètre en parallèle avec un générateur, au risque de détériorer l’ampèremètre.