telier de Physique Secondaire supérieur Electrocinétique Livret élève ouquelle Véronique Pire Joëlle Faculté des Sciences Diffusé par Scienceinfuse, ntenne de Formation et de Promotion du secteur Sciences et Technologies de l UCL
1 Comment utiliser un multimètre? 1.1 Descriptif du multimètre digital 1 Commutateur fonction : permet de changer d échelle 2 COM = Terre FICHE NOIRE 1.1.1 Mesures de courants 3 10 DC : FICHE ROUGE 6 1 4 4 Commutateur sur 4 : DC 10 maximum 10 ampères en courant continu 1.1.2 Mesures de tensions 3 5 5 V m FICHE ROUGE 2 6 Commutateur sur 6 : DCV 20 V maximum 20 volts en courant continu Exemples de lecture : 1
1.2 Utilisation d'un ampèremètre en tension continue 1.2.1 Montage Un ampèremètre se branche en série dans le circuit. Cela veut dire qu'il faut ouvrir le circuit et intercaler l'ampèremètre entre les deux points de coupure. C 1.2.2 Sens de branchement, polarité Pour mesurer l intensité du courant I C traversant la résistance, il faut brancher l ampèremètre entre les points et C. Le courant va de la borne positive du générateur à la borne négative du générateur à travers le circuit. Il doit entrer dans l'ampèremètre par la borne marquée 10DC(ou +) et ressortir par la borne marquée COM (ou -). Pour mesurer I C, il faut relier la borne marquée 10DC à la borne par un câble de couleur rouge la borne marquée COM à la borne C par un câble de couleur noire. 1.2.3 Calibre On appelle calibre la plus forte intensité que peut mesurer l'ampèremètre (plus grand nombre de la zone de mesure DC). Tous les appareils modernes sont multicalibres. On change de calibre en tournant un commutateur ou en déplaçant une fiche (ex ci-contre: borne 10 et borne ). 1.2.4 Précaution d utilisation Pour éviter de détériorer l'ampèremètre, on a intérêt à le brancher sur le plus fort calibre. Pour obtenir un affichage suffisamment précis, il faut parfois baisser le calibre, jusqu à celui qui est immédiatement supérieur à l'intensité mesurée. 1.3 Utilisation d'un voltmètre en tension continue 1.3.1 Montage Un voltmètre se branche en dérivation (= en parallèle) dans le circuit. Pour mesurer la tension U C aux bornes et C de la résistance, il faut brancher le voltmètre sur les points et C. V C 1.3.2 Sens de branchement, polarité La borne marquée V m (ou +) doit être reliée au potentiel le plus haut (coté positif) et la borne "commune" marquée COM (ou -) au potentiel le plus faible (côté négatif). Pour mesurer U C, il faut relier, sans ouvrir le circuit, la borne marquée V m à la borne par un câble de couleur rouge la borne marquée COM à la borne C par un câble de couleur noire. telier Electrocinétique Scienceinfuse UCL Version 2012-2013 2
Remarque: U C = - U C 1.3.3 Calibre On appelle calibre la plus forte tension que peut mesurer le voltmètre (plus grand nombre de la zone de mesure DCV). Pour éviter de détériorer le voltmètre, on a intérêt à le brancher sur le plus fort calibre. Dans le cadre de nos expériences, vous positionnez le commutateur sur la gamme DCV, 20V. 1.3.4 ttention Si on branche un ampèremètre en dérivation aux bornes d'un dipôle, le dipôle est courtcircuité. Le courant qui passe dans le circuit peut être très intense et peut détériorer l'ampèremètre ou un autre élément du circuit. Si on branche un voltmètre en série dans un circuit, la grande résistance du voltmètre empêche le courant de passer normalement. Il passe toutefois un très faible courant. 2 Schéma électrique fin de représenter de manière simple les différents éléments connectés dans un circuit, nous utilisons les conventions suivantes : Interrupteur Générateur de courant continu (pile, batterie ) Pompe qui fait circuler le courant Le courant va du + vers le - à travers le circuit. Récepteur ppareils ou lampes qui utilisent le courant Voltmètre mpèremètre V Mesurent la tension et l intensité du courant telier Electrocinétique Scienceinfuse UCL Version 2012-2013 3
3 Montage de plusieurs récepteurs 3.1 Un peu de vocabulaire Une branche est un ensemble d un ou de plusieurs éléments de circuits placés l un à la suite de l autre (= en série). Les nœuds sont des points où trois branches ou plus se rencontrent. Une maille est une portion de circuit fermée. Il existe deux façons de brancher deux récepteurs, par exemple deux résistances, dans un circuit : 3.2 Montage en série (circuit ET) Le courant passe dans la première résistance ET dans l'autre. Il n'existe qu'un seul circuit possible pour le courant. 3.3 Montage en parallèle ou dérivation (circuit OU) Le courant passe dans la première résistance OU dans la deuxième. Le courant se partage en arrivant au carrefour (nœud ). La branche principale est celle du générateur. Les deux récepteurs fonctionnent indépendamment l'un de l'autre. 4 Matériel 1 multimètre 1 interrupteur 3 piles 2 ampoules et leur support 2 résistances 2 câbles de connexion Vous êtes responsable du matériel : en cas de doute demandez de l aide. Un remboursement sera exigé en cas de détoriation des appareils ou éléments du circuit. telier Electrocinétique Scienceinfuse UCL Version 2012-2013 4
5 la découverte des lois des circuits 5.1 Mesure de tension de la pile a) Réalisez le circuit suivant et mesurez la tension 1. circuit ouvert : 2. circuit fermé :. Les réponses diffèrent. Pourquoi? Pile rectangulaire V b) Indiquez sur ce schéma où placer un ampèremètre pour mesurer le courant qui traverse la lampe. c) Mesurez l intensité de ce courant : I = 5.2 Loi d Ohm la découverte de la relation entre la tension aux bornes de la résistance et l intensité du courant qui la traverse. V a) Réalisez le circuit suivant et mesurez la tension aux bornes de la résistance et l intensité du courant qui la traverse. Cylindre beige (code : rouge, rouge, noir, doré) Cylindre brun (code : brun, vert, noir, doré) Vous avez à votre disposition 2 piles de 1,5 volts et une pile de 4,5 volts. Pour en utiliser plusieurs l une à la suite de l autre, les accoler en respectant la suite des pôles, etc. Sur la grande pile rectangulaire, la borne positive est la plus courte des deux pattes. telier Electrocinétique Scienceinfuse UCL Version 2012-2013 5
b) Tableau de mesures : U (V) 0 I () R beige I () R brune c) Observations : U (V) d) Graphique : I () e) Interprétation : quelle est la relation entre U et I? Pour le déterminer, calculez la pente de la droite obtenue (= Δy/Δx) et comparez-la avec la valeur de la résistance déterminée grâce au code de couleur (en circulation dans la classe). Remarque : il se peut que les piles ne fournissent plus la tension d origine. Résistance beige Résistance brune pente = résistance = Lien entre U et I : Loi d Ohm telier Electrocinétique Scienceinfuse UCL Version 2012-2013 6
5.3 Comment se répartissent les intensités des courants? Pour toutes les expériences, vous utilisez la pile rectangulaire plate. a) Réalisez un circuit comportant 2 lampes, de telle sorte que l intensité du courant soit la plus faible possible. 1. Schématisez votre circuit. 2. En déplaçant l ampèremètre, mesurez l intensité du courant traversant chaque lampe (I 1, I 2 ) et celle provenant de l alimentation (I). I 1 = I 2 = I = 3. Interprétation : quelle est la relation entre les intensités des courants? b) Réalisez un circuit comportant 2 lampes, de telle sorte que l intensité du courant soit la plus forte possible. 1. Schématisez votre circuit. 2. En déplaçant l ampèremètre, mesurez l intensité du courant traversant chaque lampe et celui provenant de l alimentation. I 1 = I 2 = I = 3. Interprétation : quelle est la relation entre les intensités des courants? Loi des nœuds telier Electrocinétique Scienceinfuse UCL Version 2012-2013 7
5.4 Comment se répartissent les tensions dans les circuits? a) Réalisez le circuit suivant. R 3 est la résistance mauve. R 1 R 2 D R 3 C b) Mesurez les tensions aux bornes de chaque récepteur et celle aux bornes du générateur. ttention à respecter l ordre des bornes dans le nom de la tension. U = U D = U DC = U C = U C = R 2 D Interprétation des mesures R 1 1) Quelle est la relation entre les tensions mesurées dans la maille DC (qui comprend tous les éléments du circuit)? Vous suivez le chemin puis D puis DC puis C (à travers le générateur). R 3 C R 2 D 2) Quelle est la relation entre les tensions mesurées dans la maille C (passant par les résistances R 1, R 3 et le générateur)? R 1 R 3 C telier Electrocinétique Scienceinfuse UCL Version 2012-2013 8
3) Quelle est la relation entre les tensions mesurées dans la maille DC (passant par R 2 et R 3 )? R 2 D R 1 R 3 C Loi des mailles 6 Et à la maison? On a intérêt à faire fonctionner tous les appareils en parallèle! car.. Chaque maison est alimentée en 220 V (tension alternative). Le courant utilisé est «compté» grâce à Tout le courant part donc du compteur et est apporté grâce à un réseau de fils jusqu à chaque prise de la maison. Lorsque le courant circule, il échauffe tout ce qu il traverse!!! S il n y a pas assez de prises, on utilise une multiprise. Les dominos sont interdits pour raison de sécurité. telier Electrocinétique Scienceinfuse UCL Version 2012-2013 9
Source de courant alternatif Courant très fort I = I 1 + I 2 + I 3 DNGER Tous les câbles et appareils sont soit protégés contre 1) les trop grandes intensités de courant : DISJONCTEUR (PLOM - FUSILE) 2) les fuites de courant : DISJONCTEUR DIFFERENTIEL Circuit d une habitation : telier Electrocinétique Scienceinfuse UCL Version 2012-2013 10
7 Le corps humain Contact direct 45 % des accidents Contact indirect 20% des accidents Le seuil de réaction pour le corps humain commence à 0,5 m. Pour avoir une idée de ce que représente 0,5 m : imaginons une télévision de 100 W branchée dans une prise (220 V) : P = U x I I = P / U = 0,5 L intensité du courant circulant dans une télévision de 100 W est 1000 fois supérieure à 0,5 m!!! Facteurs influençant les dommages corporels La gravité d une électrocution dépend de plusieurs facteurs l intensité du courant (danger à partir de 5 m), la durée du passage du courant, la surface de la zone de contact, le trajet du courant dans le corps, l état de la peau (sèche, humide, mouillée), la nature du sol, la capacité d isolation des chaussures portées. Le courant suit le chemin le plus court entre le point d entrée et de sortie et peut donc endommager tous les organes qui se trouvent sur son passage. telier Electrocinétique Scienceinfuse UCL Version 2012-2013 11
8 Précautions à respecter ne pas alimenter trop d'appareils sur une même prise. En effet, la somme des intensités demandées par les appareils peut conduire à un échauffement dangereux. ne pas laisser la possibilité aux enfants d'introduire des objets métalliques dans les bornes d'une prise. ne pas brancher un jouet électrique directement sur le secteur. vérifier l'état des cordons d'alimentation (éviter les fils dénudés) et des contacts électriques. ne pas remplacer un fusible défectueux par un autre de plus grande valeur ou par un morceau métallique non calibré. telier Electrocinétique Scienceinfuse UCL Version 2012-2013 12