Schématisation et adaptation

Transcription

1 ÉLECTRICITE 2 Schématisation et adaptation OUVERTURE Figure de voltmètre Le schéma normalisé du voltmètre permet de représenter plus facilement son branchement dans le circuit. Les élèves peuvent penser que le voltmètre, comme les autres dipôles, doit avoir un symbole normalisé. Allumer une lampe avec une pile? La pile doit être adaptée à la lampe que l on veut faire briller. Sur cette photo, ce n est pas le cas. Les élèves devraient savoir que les lampes comme celle-ci fonctionnent sur le secteur. La lampe de poche Il est nécessaire d associer plusieurs piles en série pour alimenter correctement cette lampe : en effet, la tension d une seule pile est inférieure à la tension nominale de cette lampe. ACTIVITES Activité 1 : Schématiser les appareils de mesure dans un circuit électrique Document A : Découvrir les symboles du voltmètre et de l ampèremètre Réponses aux questions 1. Circuit en boucle simple comprenant générateur + ampèremètre + lampe + interrupteur. L ampèremètre est placé entre le générateur et la lampe. Ajouter un voltmètre en dérivation aux bornes du générateur et un voltmètre en dérivation aux bornes de la lampe. 2. Le symbole de l ampèremètre est placé en série dans le circuit ; les symboles des voltmètres sont à placer en dérivation aux bornes des dipôles étudiés. Électricité 2 Corrigés 1

2 Investigation B : Compléter un schéma pour réaliser des mesures positives COM V COM A COM V La flèche est orientée vers la borne + du voltmètre ; le courant entre par la borne A de l ampèremètre. Investigation C : Utiliser la schématisation pour décrire une expérience Propose une hypothèse et réalise une expérience Dipôle avec une tension nulle à ses bornes et parcouru par un courant d intensité non nulle : fil de connexion, interrupteur fermé, DEL passante, diode passante. Dipôle parcouru par un courant d intensité nulle et avec une tension non nulle à ses bornes : générateur non branché, interrupteur ouvert, DEL non passante, diode non passante. Pour vérifier les hypothèses, réaliser un circuit en boucle simple avec le dipôle proposé ; placer un ampèremètre en série avec le dipôle et un voltmètre en dérivation à ses bornes. Conclus Une tension nulle n implique pas une intensité nulle ; une intensité nulle n implique pas une tension nulle. Vers le bilan Il existe deux symboles normalisés pour le multimètre : l un pour son utilisation en ampèremètre, l autre pour son utilisation en voltmètre. Activité 2 : Associer des dipôles de manière adaptée Expérience A : Utiliser la tension nominale d un dipôle récepteur Réponses aux questions 1. La lampe brille correctement à partir de 4 V car c est sa tension nominale. Quand la tension aux bornes du générateur atteint 3 V, la lampe brille un peu ; quand elle atteint 5 V, la lampe brille beaucoup ; quand elle atteint 6 V, la lampe ne brille plus. 2. La lampe a grillé pour une tension aux bornes du générateur comprise entre 5,5 et 6 V. 3. Il faut s arrêter à 4 V pour ne pas risquer de la faire griller et pour ne pas diminuer sa durée de vie. 4. Une lampe en sous-tension* ne brille pas ou brille peu. Une lampe en surtension brille fortement ou plus du tout ; dans ce dernier cas, elle a déjà grillé. 5. Adapter une lampe à une pile donnée consiste à choisir une lampe de tension nominale à peu près égale à la tension aux bornes de la pile. Expérience B : Associer plusieurs piles entre elles Réponses aux questions 1. Les piles sont associées en série. 2. Tension la plus faible : 2 (tension nulle si les deux piles sont rigoureusement identiques) Électricité 2 Corrigés 2

3 Tension la plus grande : association 3 3. Le schéma c correspond à l association 3. Schéma correspondant à l association 1 Schéma correspondant à l association 2 4. U=U 1 + U 2 + U 3 (schéma 3). Association 1 : U = U1 + U2 Association 2 : U = U1 U2 Association 4 : U = U1 U2 + U3 Association 5 : U=U1 + U2 U3 Association 6 : U = U1 + U2 + U3 Association 7 : U = U1 U2 + U3 ; la tension U est négative si les trois piles sont identiques. 5. La borne + du «générateur équivalent» se trouve du côté du bout fléché de la flèche de tension U quand U est positive. Vers le bilan Utiliser plusieurs piles associées en série et toutes dans le même sens permet d obtenir une tension plus grande : la somme des tensions des piles associées. Cette association permet d alimenter des dipôles récepteurs de tension nominale plus élevée. EXERCICES Je vérifie mes connaissances Exercice 1 : Lire un schéma 1. Générateur (pile) ; moteur ; diode ; ampèremètre ; voltmètre. 2. La pile est un dipôle générateur ; le moteur et la diode sont des dipôles récepteurs ; le voltmètre et l ampèremètre sont des multimètres. Exercice 2 : Schématiser un circuit 1. Circuit en boucle simple comprenant : générateur + lampe 1 + ampèremètre + lampe 2 ; voltmètre branché en dérivation aux bornes de la lampe Le voltmètre est branché en dérivation. 3. L ampèremètre mesure l intensité du courant électrique qui circule entre les deux lampes. Électricité 2 Corrigés 3

4 Exercice 3 : Trouver l erreur La flèche de tension est dessinée sur la branche alors qu elle devrait être à côté du voltmètre ; celle de l intensité est dessinée à côté de l ampèremètre alors qu elle devrait être sur la branche. Exercice 4 : Observer une expérience Intensité nulle et tension non nulle : le générateur et l interrupteur ouvert. Intensité nulle et tension nulle : la lampe. Exercice 5 : Lire des tensions nominales Photo du haut : 230 V. Photo du bas, de gauche à droite : 2,2 V ; 4 V ; 3,5 V. Exercice 6 : Trouver le générateur équivalent Marc a raison : l association en série de deux piles de 1,5 V est équivalente à une pile de 3 V. Il faut relier la borne + d une pile à la borne de l autre. Exercice 7 : Observer une association de piles 1. Ces piles sont associées en série. 2. Ces piles ne sont pas toutes placées dans le même sens. 3. La troisième pile en partant de la gauche est «retournée». 4. La tension de la pile équivalente est : U = 1,5 + 1,5 1,5 + 1,5 = 3 V. J applique Exercice 9 : À toi d expliquer! L appareil multimètre peut être utilisé de deux façons différentes ; il a donc deux symboles normalisés. S il est utilisé en ampèremètre, alors son symbole normalisé est celui de l ampèremètre. S il est utilisé en voltmètre, alors son symbole normalisé est celui du voltmètre. Exercice 10 : Deux générateurs = deux fois mieux? 1. Pour mesurer la tension aux bornes de l association des deux générateurs, on emploie un multimètre utilisé en voltmètre. Il faut le brancher en dérivation aux bornes de cette association. 2. La tension aux bornes de l association des deux générateurs est égale à la somme des tensions de chaque générateur : U = = 12 V. 3. On peut remplacer l association des deux générateurs par un générateur de 12 V. Exercice 11 : Trouver l erreur 1. Sur ce schéma, le voltmètre est branché en série dans le circuit. Or un voltmètre doit être branché en dérivation. Le schéma n est donc pas correct. 2. et 3. deux possibilités : soit remplacer la lettre V par la lettre A ; soit brancher le voltmètre en dérivation, aux bornes du générateur par exemple. Exercice 12 : Circuit ouvert / circuit fermé 1. L intensité du courant électrique vaut 612 ma ; la valeur de la tension aux bornes du générateur vaut 4,55 V. 2. L interrupteur est fermé, puisqu un courant non nul circule. La tension aux bornes de l interrupteur est donc nulle, car un interrupteur fermé est équivalent à un fil de connexion. 3. L intensité du courant électrique est nulle. Le voltmètre indique la tension aux bornes du générateur ; elle vaut encore 4,55 V. Électricité 2 Corrigés 4

5 J approfondis Exercice 13 : Une toute petite pile 1. Par exemple : télécommande, petite lampe, jeu électronique. 2. Les piles LR6, LR03 (voir manuel p. 100) sont des piles délivrant une tension de 1,5 V. Exercice 14 : Lapin La pile est partiellement déchargée. La tension aux bornes du moteur est inférieure à sa tension nominale ; il est en sous-tension et fonctionne donc mal. Exercice 15 : Une diode dans le circuit 1. La diode est passante. 2. La diode est maintenant bloquante : l intensité dans le circuit est nulle et l ampèremètre indique 0. Le voltmètre indique la tension aux bornes du générateur ; elle ne change pas. Mène l enquête! Exercice 16 : Une adaptateur bien utile Le boîtier noir est un transformateur : il fabrique une tension de 1,5 V à partir de la tension du secteur. Exercice 17 : Expérience non perturbante? Il faut utiliser deux multimètres : un voltmètre branché en dérivation aux bornes du dipôle étudié et un ampèremètre en série avec le dipôle étudié. Électricité 2 Corrigés 5

6 Il faut d abord relever la valeur de la tension aux bornes du dipôle, puis brancher l ampèremètre en série avec le dipôle étudié et le voltmètre aux bornes de l association en série de l ampèremètre et du dipôle. On mesure alors la tension aux bornes de l association et on la compare à la valeur précédente. Avec les multimètres habituels, les deux mesures donnent le même résultat. Exercice 18 : Un avis sur une diode Matériel : générateur, lampe et moteur ; interrupteur et diode ; 2 à 4 multimètres. Dans un premier temps, il s agit d étudier l interrupteur. Réaliser un circuit en boucle simple comportant par exemple générateur + lampe + interrupteur. Ajouter un ampèremètre branché en série avec l interrupteur et un voltmètre branché en dérivation aux bornes de l interrupteur. Il peut être également intéressant d ajouter d autres voltmètres : aux bornes de chacun des autres dipôles du circuit, ici le générateur et la lampe. Relever les valeurs de l intensité et des tensions dans le cas de l interrupteur fermé et dans le cas de l interrupteur ouvert. Dans un second temps, il s agit d étudier la diode. Réaliser le MEME circuit que ci-dessus, et remplacer l interrupteur par la diode. Effectuer les mêmes mesures ; deux cas seront étudiés, correspondant aux deux sens possibles pour le branchement de la diode en série dans le circuit. Comparer cette série de mesures à la série de mesures ci-dessus. On trouve que les valeurs expérimentales sont les mêmes dans le cas de l interrupteur fermé et dans le cas de la diode passante ; ceci correspond à la flèche de la diode dans le même sens que le sens du courant dans le circuit (du pôle + du générateur vers le pôle ). On trouve aussi que les valeurs expérimentales sont les mêmes dans le cas de l interrupteur ouvert et dans le cas de la diode bloquante ; ceci correspond à la flèche de la diode dans le sens inverse du sens du courant dans le circuit. La conclusion est que, pour ce circuit, la diode se comporte soit comme un interrupteur ouvert soit comme un interrupteur fermé. Il faudrait reproduire ces séries d expériences sur un très grand nombre de circuits électriques pour pouvoir généraliser cette propriété et ainsi donner totalement raison au Professeur et c est bien vrai, il a raison! Exercice 19 : Est-ce vraiment impossible? Pour faire briller la lampe de 3 V : utiliser une pile de 4,5 V et une pile de 1,5 V associées en série ; la pile de 1,5 V doit être retournée, c est-à-dire son pôle + en contact avec le pôle + de l autre. Ainsi, la pile équivalente à l association a une tension U telle que : U = 4,5 1,5 = 3 V. On peut aussi choisir d associer en série deux piles de 1,5 V (pôle + en contact avec pôle ). Pour faire briller la lampe de 12 V : utiliser trois piles de 4,5 V et une pile de 1,5 V associées en série. La pile de 1,5 V doit être retournée. Ainsi, la pile équivalente à l association a une tension U telle que : U = 4,5 + 4,5 + 4,5 1,5 = 12 V. On peut aussi choisir d associer en série une pile de 4,5 V et cinq piles de 1,5 V (pôles + en contact avec pôles ). Pour faire briller la lampe de 200 V : cent piles de 1,5 V et onze piles de 4,5 V suffisent (on trouvera alors une tension de 199,5 V ce qui permet de faire briller une lampe de tension nominale 200 V). Électricité 2 Corrigés 6

7 Une expérience simple et amusante : 1. Association en série des 3 piles de 1,5 V. Elles sont toutes les trois dans le «même sens». 2. U = 1,5 + 1,5+ 1,5 = 4,5 V. DOSSIERS Histoire Les découvertes du professeur Ampère 1. Ampère a étudié les mathématiques, la chimie et la physique. 2. C est la découverte par Oersted du comportement de type aimant d un fil traversé par un courant qui a été à l origine des découvertes d Ampère. 3. Un alternateur effectue la conversion inverse : il convertit de l énergie mécanique en énergie électrique. Ce sont les alternateurs qui produisent l électricité dans les centrales électriques (barrages, éoliennes, centrales thermiques ). À beaucoup plus petite échelle, on trouve : les dynamos de vélo ou les systèmes qui permettent de recharger manuellement les téléphones portables. Vie quotidienne Les courants électriques dans la maison 1. Dans les appareils branchés sur le secteur, l intensité du courant diffère selon l appareil : de 200 ma à 10 A dans les exemples du texte. 2. Les appareils qui consomment le plus sont ceux qui sont traversés par le courant d intensité la plus forte. Ce sont généralement les appareils qui chauffent (type radiateur électrique ou machine à laver dans laquelle l eau est préalablement chauffée). Santé Les courants dans le corps humain 1. 1 na = 10-9 A, c est-à-dire 1 milliardième d ampère. 2. Les courants électriques qu il faut utiliser pour actionner artificiellement les muscles (20 ma = A) sont beaucoup plus intenses que ceux présents naturellement dans le corps (400 na = A). Le rapport entre ces deux intensités est : 20"10 #3 = #9 400"10 Les courants artificiels sont donc fois plus intenses que les courants naturels. 3. Le patient a besoin d un ordinateur pour commander le système électrique ; ce rôle est joué par le cerveau chez les personnes qui ne sont pas handicapées. Il a aussi besoin d un déambulateur, car il risque de perdre l équilibre. Électricité 2 Corrigés 7