CIRCUITS ÉLECTRIQUES ET ÉLECTRONIQUES 1.- ÉLÉMENTS D'UN CIRCUIT ÉLECTRIQUE. 1.1.- Le sens du courant Le phénomène de l'électricité est découvert avant la connaissance de l'existence des électrons. C'est pour cela que tous les scientifiques se sont mis d'accord pour dire que le courant électrique circulait à partir d un corps chargé positivement vers un corps chargé négativement. C'est le sens conventionnel du courant. On découvre plus tard que les électrons circulent toujours depuis les matériaux chargés négativement jusqu aux matériaux chargés positivement. C'est le sens réel du courant. 1.2.-Les circuits électriques Les circuits électriques sont formés par un générateur et plusieurs éléments connectés entre eux par le moyen de câbles ou conducteurs. Le générateur a deux pôles, positif et négatif. Le courant part du pôle négatif et, après avoir parcouru le reste du circuit, revient au pôle positif. Dans son parcours à travers le circuit, le courant passe par différents récepteurs, qui sont les éléments du circuit chargés de transformer l'énergie électrique en d'autres types d'énergie. 1.3.- Schémas électriques Les circuits électriques sont représentés par des schémas où l'on indique la façon de connecter ces éléments. Dans ces schémas, chaque élément est représenté par un symbole caractéristique. 1
2.- GRANDEURS ÉLECTRIQUES 2.1.- Charge électrique La charge électrique est une propriété intrinsèque de quelques particules qui se manifeste à travers les attractions et les répulsions à d'autres particules qui ont aussi cette propriété. La plus petite quantité de charge qu'on connaît est celle de l'électron mais on mesure la charge électrique en coulombs. Un coulomb équivaut, plus ou moins, à la charge électrique qu'ont six trillions d'électrons. 2.2.- Tension (voltage) Entre les deux pôles d'un générateur il y a la tension électrique. Cette tension est une différence d'énergie de façon à ce que les charges se déplacent depuis le pôle négatif au pôle négatif lors de la connexion des pôles du générateur. Pour que les charges reviennent au pôle positif et que leur mouvement ne s'arrête pas, le générateur doit leur fournir de l'énergie. La quantité d'énergie par unité de charge que peut fournir un générateur s'appelle voltage, représenté par la lettre V et mesuré en volts. Un volt équivaut à 1 joule par coulomb. 2.3.- Intensité du courant L'intensité d'un courant électrique est définie par la quantité de charges électriques qui passent par une section du conducteur en un temps déterminé. Cette grandeur est représentée par la lettre I et est mesuré en ampères. Un ampère (A) équivaut à un coulomb par seconde, c'est à dire, si un courant a une intensité d'un ampère, une charge d'un coulomb passe par chaque section du conducteur chaque seconde. 2.4.- Résistance Dans quelques conducteurs, les charges électriques trouvent une opposition ou résistance à leur mouvement. Cette résistance dépend de la longitude du conducteur, de sa section, et du matériel qui le compose. La résistance électrique d'un conducteur est représentée par la lettre R et mesurée en ohms. Un ohm est la résistance que présente un conducteur au passage du courant électrique d'un ampère quand la tension est d'un volt. 2.5.- La loi d'ohm La tension et l'intensité d'un courant électrique sont des grandeurs directement proportionnelles ; c'est à dire que dans un circuit électrique, si l'on double le voltage, on double l'intensité, etc. Ce rapport est connu comme loi d'ohm. 2
3.- PUISSANCE ET ÉNERGIE ÉLECTRIQUES 3.1.- Énergie électrique. L'énergie que l'on obtient des courants électriques s'appelle énergie électrique. Actuellement c'est la forme d'énergie la plus utilisée. Elle se représente par la lettre A et elle dépend de l'intensité et du voltage. Elle est mesurée en joules. 3.2.- Puissance électrique. La puissance d'un courant électrique est définie comme la quantité de travail ou d'énergie que ce courant est capable de fournir en un temps déterminé. Elle est représentée par la lettre P et elle est mesurée en watts. 3
4.- CONNEXIONS ÉLECTRIQUES. Les éléments d'un circuit peuvent être connectés de trois façons différentes : en série, en parallèle et mixte. 4.1.- Connexions en série. Les éléments sont connectés les uns derrière les autres. L'intensité est la même dans tous les points du circuit, mais la tension se divise entre les différents composants, de façon à ce que la tension totale entre les deux pôles du générateur soit égale à l'addition des tensions entre les bouts des différents composants du circuit. La résistance est égale à l'addition des résistances connectées. 4.2.- Connections en parallèle Les éléments sont connectés de façon à ce que tous partagent la même entrée et la même sortie. La tension est la même dans tous les éléments du circuit, mais l'intensité est partagée entre ses différentes branches. 4.3.- Circuits à disposition mixte. C'est une combinaison d'éléments en série et en parallèle. Dans ce cas, l'intensité est constante dans les éléments qui sont en série et la tension est la même pour les éléments qui sont en parallèle. 5.- MESURE DES GRANDEURS ÉLECTRIQUES. Pour mesurer l'intensité, on emploie l'ampèremètre, qui doit être connecté en série dans le circuit Pour mesurer la tension, on emploie le voltmètre qui doit être connecté en parallèle à l'élément dont on mesure la tension. Tous les deux peuvent être remplacés par le polymètre, qui doit être employé comme un ampèremètre ou un voltmètre. 4
5.1.- Le polymètre. Le polymètre a quelques pointes d'épreuve, généralement rouges (+) et noires (-). Les polymètres disposent d'un cercle gradué, de façon à ce qu'on puisse sélectionner l'échelle correspondante au type de mesure qu'on veut faire, grâce à un commutateur. 6.- SIMULATION DE CIRCUITS ÉLECTRIQUES. Il y a différents programmes pour simuler, à travers l'ordinateur, le fonctionnement d'un circuit électrique. Quelques-uns sont gratuits. En éducation on peut utiliser les programmes suivants : Crocodile Clips 3 : Programme commercial qui permet le dessin, le montage et l utilisation de circuits électriques et électroniques. Yenka electronics. Programme commercial distribué par la même entreprise que Crocodile Clips et qui prétend le remplacer. Il présente des améliorations comme la représentation des composants en trois dimensions et un plus grand réalisme dans les simulations. Edison. Programme commercial. Son interface montre, de façon simultanée, le schéma électrique du circuit et les composants en perspective. 5
6.1.- Environnement du travail de Crocodile Clips. Quand on lance le programme, il apparaît un écran avec l'espace de travail où l'on peut réaliser les actions suivants: Ajouter un composant. Ajouter un câble. Éliminer un câble ou un composant. Mesurer. 7.- ACTIVITÉS AVEC CROCODILE CLIPS. 7.1.- Circuit à deux interrupteurs. 7.2.- Circuits avec des ampoules en série. 7.3.- Circuits avec des ampoules en parallèle. 8.- CIRCUITS ÉLECTRONIQUES. 8.1.- Les circuits électroniques Les dispositifs électroniques s'occupent de transformer l'information provenant du monde extérieur en signaux accoustiques, de transformer ces signaux en d'autre source d'énergie qui produit quelque effet ( déclenchement d une sonnette, vibration d un haut-parleur, allumage d un écran...) Les dispositifs électroniques sont composés de circuits électroniques. Chacun de ces circuits est spécialisé dans une fonction déterminée. Un circuit électronique est une association de composants qui, fonctionnant comme un ensemble, réalisent un traitement déterminé des signaux électriques. Par exemple, ils génèrent des ondes de radio, augmentent la puissance du signal, récupèrent l'image ou le son que transporte une onde, etc. 8.2.- Différences entre les circuits électriques et les circuits électroniques. Les frontières entre les circuits électriques et les circuits électroniques ne sont pas très nettes. Les circuits électroniques sont associés aux semi-conducteurs. Un circuit où l'on trouve un semiconducteur peut être électronique. La diode, le transistor et beaucoup d'autres composant sont faits de matériels semi-conducteurs. 6
8.3.- Les composants électroniques. Les composants d'un circuit électronique peuvent être classés en deux catégories: composants actifs et composants passifs. Les composants actifs sont ceux qui sont capables de générer, modifier ou amplifier un signal électrique. Parmi eux, les batteries, les générateurs, les diodes et les transistors. Les composants passifs sont ceux qui ne fournissent pas de gain mais consomment de l'énergie électrique. Les principaux sont: les résistors, les condensateurs et les bobines. 7