L électricité, l électronique et les circuits électriques

14 ChapitreL ingénierie électrique L électricité, l électronique et les circuits électriques PAGES 458 À 462 En théorie 1. Indiquez si chacun des énoncés suivants caractérise le domaine de l électricité ou celui de l électronique. a) Les composantes sont fabriquées à l aide de matériaux conducteurs composés de métaux et d alliages (surtout le cuivre). Électricité. b) La conduction électrique peut être commandée de manière plus fine, ce qui permet le traitement de l information. Électronique. c) Les composantes se distinguent par une miniaturisation très poussée et des courants de faible intensité. Électronique. d) Les composantes sont conçues pour faire fonctionner des circuits de forte puissance. Électricité. e) Les composantes sont fabriquées à l aide de matériaux semi-conducteurs (surtout du silicium). Électronique. 2. L illustration et le schéma ci-dessous montrent un circuit électrique. Complétez-les en identifiant les diverses composantes. Interrupteur Ampoule Pile Sens conventionnel du courant électrique Pile Fil électrique Interrupteur Ampoule Fil électrique Chapitre 14 299

Groupe : Date : 3. Identifiez les symboles suivants de composantes de circuits électriques. Symbole Nom Prise de courant Source de courant alternatif ou ou Ampoule Pile électrique Cellule photoélectrique (ou photovoltaïque) 4. Qu est-ce qui distingue le courant continu du courant alternatif? Le courant continu est un courant électrique dans lequel les électrons se déplacent continuellement dans la même direction, alors que le courant alternatif est un courant électrique dans lequel les électrons se déplacent selon un mouvement de va-et-vient régulier. 5. Indiquez la direction du mouvement des électrons à l aide de flèches. a) Dans le cas d un courant alternatif. b) Dans le cas d un courant continu. En pratique 6.Indiquez si chacun des appareils ou des systèmes suivants relève de l électricité ou de l électronique. a) Le moteur d une sécheuse à linge. b) Un appareil photo numérique. c) Un téléphone cellulaire. d) Une lampe de poche à piles. e) Le panneau d affichage d un lecteur DVD. f) Les circuits d éclairage d une maison. 300 cahier d activités ST- Électricité. Électronique. Électronique. Électricité. Électronique. Électricité. Nom :

7. Donnez deux exemples de sources de courant continu. Exemple de réponse. Une pile et une batterie. 8. Tracez les schémas électriques des circuits suivants. a) Interrupteur Ampoule Pile Ampoule b) Diode Pile Interrupteur Ampoule Condensateur Appareil électrique Chapitre 14 301

Les fonctions alimentation, conduction, isolation et protection En théorie PAGES 462 À 468 1. Qu est-ce qu une fonction électrique? C est le rôle que joue une composante dans le contrôle ou la transformation du courant électrique. 2. À quelle fonction électrique correspond chacune des définitions suivantes? a) Fonction assurée par toute composante qui peut interrompre automatiquement la circulation d un Fonction protection. courant électrique en cas de situation anormale. b) Fonction assurée par toute composante qui peut générer ou fournir un courant électrique Fonction alimentation. dans un circuit. c) Fonction assurée par toute composante qui peut Fonction isolation. empêcher un courant électrique de passer. d) Fonction assurée par toute composante qui peut transmettre un courant électrique d une partie Fonction conduction. à une autre d un circuit électrique. 3. Le tableau suivant présente des avantages et des inconvénients associés à une prise de courant, à une pile et à une cellule photovoltaïque. Complétez-le. Avantage (A) ou inconvénient (I) Prise de courant Pile Cellule photovoltaïque Elle peut alimenter des objets portatifs ou mobiles, ou peut être utilisée en région isolée. Son fonctionnement dépend de l ensoleillement. Elle doit être remplacée ou rechargée après une durée de temps limitée. Les appareils s éteignent lorsque survient une panne du réseau électrique. Les appareils ne peuvent pas être déplacés loin d elle. Elle peut contaminer l environnement en laissant s échapper des métaux lourds. Elle est beaucoup plus coûteuse que les autres dispositifs de même type. Elle constitue une source d alimentation stable et de longue durée. A I I I I I I A 302 cahier d activités ST-

4. Nommez deux composantes qui assurent la fonction de protection. Le fusible et le disjoncteur. 5. a) Qu est-ce qu une résistance électrique? C est une composante conçue pour limiter le passage des électrons dans un circuit électrique. b) Les bandes de couleur sur une résistance électrique indiquent sa valeur de résistance. Précisez la signification de chaque bande de couleur en complétant l illustration suivante, puis complétez le code de couleurs des résistances électriques. 1 er chiffre Multiplicateur 2 e chiffre Tolérance Code de couleurs des résistances électriques Chiffre 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Or Argent Multiplicateur 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 Tolérance ± 20% ±5% ± 10% c) Quelle est la valeur de la résistance illustrée en b)? 10 10 2 5% Ω. 6. a) Quelle composante assure principalement la fonction conduction? Les fils électriques. b) À partir de quel matériau cette composante est-elle généralement fabriquée? De cuivre. c) Pourquoi est-il nécessaire d isoler les matériaux conducteurs? Pour éviter l électrocution et les courts-circuits. d) Nommez deux matériaux qui peuvent être utilisés comme isolants. Exemple de réponse. Le plastique et la céramique. 7. Quel est l avantage du disjoncteur par rapport au fusible? Le disjoncteur peut être réarmé autant de fois que nécessaire, tandis que le fusible doit être remplacé une fois qu il est brûlé. Chapitre 14 303

18. a) Qu est-ce qu un circuit imprimé? C est un circuit électrique, imprimé sur une plaquette rigide qui lui sert de support. b) De quoi se compose un circuit imprimé? Il se compose d une plaquette de plastique doublée d une fine couche de cuivre qui, à la suite d opérations de gravure, forme le circuit électrique sur lequel on pose par soudure des composantes. En pratique 19. Observez le circuit électrique ci-contre. a) Encerclez la composante qui remplit la fonction alimentation. b) Comment nomme-t-on cette composante? Il s agit d une cellule photovoltaïque (ou photoélectrique). c) Encadrez la composante qui remplit la fonction protection. d) Ce circuit comporte-t-il une composante qui assure la fonction conduction? Si oui, comment se nomme-t-elle? Oui, il s agit des fils électriques. 10. Donnez trois applications possibles pour chacune des sources d alimentation suivantes. a) Pile b) Prise de courant c) Cellule photovoltaïque Baladeur MP3 Téléviseur Maison solaire Montre Réfrigérateur Calculatrice Télécommande Ordinateur Voiture solaire 11. Nommez trois objets qui comportent des circuits imprimés. Exemples de réponses. Téléphone cellulaire, baladeur MP3, consoles portables de jeux vidéo, ordinateur. 12. Un fusible de 15 A placé dans un circuit électrique brûle. Est-ce une bonne idée de le remplacer par un fusible de 20 A? Expliquez votre réponse. Non. Il vaut mieux essayer de comprendre pourquoi le fusible de 15 A a brûlé et tenter de régler le problème. Si on agit autrement, on risque d endommager les composantes du circuit. 304 cahier d activités ST-

13. Examinez le tableau ci-dessous, puis répondez aux questions suivantes. Métal Point de fusion (ºC) Conductibilité électrique Cuivre 1083 Excellent conducteur Plomb 327 Bon conducteur Tungstène 3410 Bon conducteur a) Pourquoi utilise-t-on du plomb dans la fabrication des fusibles? Parce que le point de fusion du plomb est relativement bas, ce qui lui permet de fondre et, ainsi, de couper le courant en cas de surcharge. b) Pourquoi utilise-t-on du cuivre dans la fabrication des fils électriques? Parce que le cuivre est un excellent conducteur d électricité. c) Pourquoi utilise-t-on du tungstène dans la fabrication des filaments des ampoules électriques? Parce que le point de fusion du tungstène est très élevé, ce qui lui permet d atteindre des températures très élevées sans fondre. 14. Donnez la valeur des résistances suivantes. a) c) 24 10 0 5%. 82 10 0 5%. b) d) 63 10 4 5%. 02 10 0 10%. 15. Une résistance a une valeur de 22 10 4 ± 20%. Entre quelles valeurs se situe cette résistance? 22 10 4 220 000 20 % 220 000 44 000 220 000 44 000 176 000 220 000 44 000 264 000 Réponse : La valeur de la résistance se situe entre 176 000 et 264 000. Chapitre 14 305

Les fonctions commande et transformation d énergie En théorie PAGES 469 À 472 1. a) Qu est-ce qui distingue un circuit électrique fermé d un circuit électrique ouvert? Un circuit électrique fermé est un circuit qui permet au courant de circuler en boucle, alors qu un circuit ouvert ne le permet pas. b) Quelle fonction électrique est assurée par une composante qui permet d ouvrir ou de fermer un circuit et quel type de composante est souvent utilisé pour assurer cette fonction? C est la fonction commande, le plus souvent assurée par un interrupteur. 2. a) Nommez trois formes d interrupteurs. Exemples de réponses. L interrupteur à bascule, l interrupteur à bouton-poussoir, l interrupteur à levier et l interrupteur à commande magnétique. b) Le tableau ci-dessous présente les caractéristiques de différents types d interrupteurs. Complétez-le. Interrupteur Nombre de contacts qui s ouvrent ou se ferment à la fois Nombre de chemins possibles pour les électrons Symbole Unipolaire unidirectionnel 1 1 Unipolaire bidirectionnel 1 2 Bipolaire unidirectionnel 2 1 Bipolaire bidirectionnel 2 2 3. a) Quelle fonction électrique est assurée par toute composante qui peut transformer l énergie électrique en une autre forme d énergie? La fonction transformation d énergie. b) Reliez chacune des composantes suivantes à la forme d énergie recherchée après transformation de l énergie électrique. Électroaimant Énergie mécanique ou énergie sonore Élément chauffant Énergie magnétique Ampoule incandescente Énergie lumineuse Cristal piézo-électrique Énergie thermique 306 cahier d activités ST-

En pratique 4. Lorsqu on actionne un interrupteur afin d allumer une lumière, est-ce qu on ouvre ou on ferme le circuit électrique? On le ferme. 5. Observez le circuit électrique ci-contre. a) Ce circuit électrique est-il ouvert ou fermé? Il est fermé. b) Encerclez la composante du circuit qui assure la fonction commande, puis précisez-en le type. C est un interrupteur unipolaire unidirectionnel. 6. Nommez la composante électrique qui a servi à transformer l énergie dans les objets suivants, ainsi que la forme d énergie obtenue. Objet Composante électrique Forme d énergie obtenue Bouilloire électrique Élément chauffant Énergie thermique Haut-parleur Cristal piézo-électrique Énergie mécanique ou énergie sonore (vibrations) Lampe de poche Ampoule incandescente Énergie lumineuse Magnétophone Électroaimant Énergie magnétique 7. Expliquez comment s effectue la transformation de l énergie dans une ampoule incandescente. Exemple de réponse. Les électrons qui arrivent jusqu à l ampoule doivent traverser un filament de tungstène. Ce dernier oppose une résistance au passage du courant électrique. Le filament s échauffe au point d émettre une lumière blanche. Chapitre 14 307

Les composantes ayant d autres fonctions En théorie 1. Identifiez et définissez les deux dispositifs ci-dessous. a) PAGES 473 À 478 Un condensateur est un dispositif composé de deux surfaces électriques séparées par un isolant. Il peut accumuler des charges électriques. b) Une diode est un dispositif qui ne laisse passer le courant électrique que dans un sens. En pratique 2. Quelle est la fonction d un condensateur? Servez-vous d un exemple pour expliquer l utilité des condensateurs. Exemple de réponse. Un condensateur peut accumuler une charge électrique, ce qui lui permet de fournir une charge importante en peu de temps. Par exemple, le condensateur du flash d un appareil photo accumule une charge qui est déversée en une fraction de seconde en produisant une lumière éblouissante. 3. Donnez deux utilisations des diodes. Exemple de réponse. Elles peuvent être utilisées dans les appareils électroniques qui fonctionnent avec une pile. Elles empêchent les électrons de circuler lorsque la pile est placée à l envers, protégeant ainsi les dispositifs fragiles du circuit. Elles sont employées dans la conversion d un courant alternatif en courant continu. 4. Une diode peut-elle remplir la fonction commande? Autrement dit, peut-elle être utilisée comme interrupteur dans un circuit électrique? Expliquez votre réponse. Oui, car une diode est un dispositif qui laisse passer le courant lorsqu elle est placée dans un sens, mais qui le bloque lorsqu elle est inversée. 308 cahier d activités ST-

DÉFI Le crayon électrique Imaginez un montage composé de fils électriques, d une pile, d une ampoule et d une mine de crayon! 1. William enlève le bois d un côté d un crayon à mine à l aide d un canif en faisant bien attention à ne pas briser la mine et à ne pas se blesser. 2. Il relie une petite ampoule à une pile électrique à l aide d un fil électrique. Il branche également deux autres fils : un qui part de l ampoule et un qui part de la pile. DÉFI 3. William accroche le fil partant de l ampoule à une extrémité de la mine de crayon et le fil partant de la pile à l autre extrémité de la mine : l ampoule s allume. 4. En promenant un des fils raccordés à la mine sur celle-ci, il observe que l intensité de la lumière varie. En utilisant les connaissances acquises dans le chapitre 14, expliquez comment le courant électrique peut passer à travers une mine de crayon. Expliquez également pourquoi l intensité de la lumière varie lorsqu on modifie la distance parcourue par le courant à l intérieur de la mine. Le montage forme un circuit électrique dans lequel la mine de crayon assume la fonction de conduction, tout comme les fils. L intensité de la lumière varie parce que la mine laisse passer le courant, mais avec une certaine résistance. Lorsqu on diminue la distance parcourue à l intérieur de la mine, la résistance diminue et la lumière devient plus brillante. Au contraire, lorsqu on augmente la distance, la résistance augmente et l intensité de la lumière diminue. Chapitre 14 309

BILAN Nom: Groupe: Date: Bilan du chapitre 14 1. Indiquez si chaque composante ou système ci-dessous relève du domaine de l électricité ou de l électronique. a) b) Électronique. Électricité. 2. Pour chaque composante ci-dessous, donnez la lettre du symbole correspondant et écrivez sa fonction. A. C. E. B. D. F. Composante Symbole Fonction E. Alimentation D. Transformation d énergie B. Conduction C. Commande F. Protection A. Alimentation 310 cahier d activités ST-

3. Que suis-je? a) Je suis la fonction qui permet de fermer ou d ouvrir un circuit. b) Je suis le type de courant parcouru par des électrons qui se déplacent toujours dans la même direction. c) Je suis une source d alimentation qui ne peut pas être déplacée. d) Je suis la fonction exercée par un disjoncteur. e) Je suis un interrupteur qui permet au courant d emprunter deux chemins distincts. f) Je suis un dispositif électronique qui, exposé à la lumière, génère un courant électrique. g) Je suis une mince plaque contenant un circuit électrique. La fonction commande. Un courant continu. Une prise de courant. La fonction protection. Un interrupteur bidirectionnel. Une cellule photovoltaïque. Un circuit imprimé. BILAN h) Un code de couleurs permet de connaître ma valeur. i) Je suis un dispositif qui laisse passer le courant uniquement dans un sens. j) Je suis un dispositif qui transforme l énergie d une réaction chimique en énergie électrique. Une résistance. Une diode. Une pile. 4. Vrai ou faux? Si un énoncé est faux, corrigez-le. a) L électronique utilise des matériaux semi-conducteurs. Vrai. b) Une diode est composée de deux feuilles métalliques séparées par un isolant. Faux. C est le condensateur qui est composé de cette façon. c) Un interrupteur peut fonctionner grâce à un aimant. Vrai. d) Un condensateur peut émettre de la lumière. Faux. Une ampoule, une diode ou un élément chauffant sont des composantes qui peuvent émettre de la lumière. e) Un appareil qui consomme de l électricité agit comme une résistance en limitant le passage des électrons. Vrai. Chapitre 14 311

BILAN 5. Le schéma suivant représente une lampe de poche. Interrupteur à glissière Ressort conducteur Lame conductrice a) Quelle composante assure la fonction alimentation? Les piles. b) Cette composante fournit-elle un courant continu ou alternatif? Un courant continu. Pile Boîtier de plastique Ampoule c) Quelle composante assure la fonction conduction? Les parties métalliques des lames conductrices et le ressort. d) Quelle composante assure la fonction isolation? Le boîtier de plastique. e) Quelle composante assure la fonction commande? L interrupteur à glissière. f) Quelle composante assure la fonction transformation d énergie? L ampoule. g) Tracez le schéma du circuit électrique de cette lampe de poche. 6. Donnez la valeur des résistances suivantes. a) b) 10 10 6 5%. 10 10 3 5%. 312 cahier d activités ST-