COURS D ÉLECTRICITÉ POUR CRPE DEUXIÈME PRTIE Jean-Michel ROLNDO (Site de onneville) Le courant électrique et son intensité Le courant électrique C'est un mouvement d'ensemble de charges électriques sous l'action d'un générateur. Dans les conducteurs solides, les charges sont des électrons. Dans les liquides conducteurs, ce sont des ions. Les mécanismes par lesquels les charges se déplacent dépassent le cadre de ce concours et sont par ailleurs complexes. On est amené à recourir à une convention universellement acceptée : le courant électrique se déplace de la borne positive du générateur à sa borne négative à l extérieur de celui-ci, et de sa borne négative à sa borne positive à l intérieur. Le courant électrique est donc assimilé à un déplacement de charges positives. L intensité du courant à travers une section du circuit Tout comme le courant d une rivière mesure le débit de l eau à travers une section de celle-ci, on définit l intensité (I) du courant électrique comme la mesure du débit des charges électriques à travers une section de celui-ci. I s'exprime en ampères (). Sa mesure se fait par un ampèremètre placé en série. Les lois relatives à l'intensité L intensité du courant est la même à travers n'importe quelle section d'un circuit série. Cette loi traduit la conservation de la charge. I 1 = I 2 = I 3 I1 I2 I3 nalogie : le long d une route sans bifurcation, le débit des voitures est le même avant ou après une zone de travaux. La somme des intensités des courants qui arrivent à une dérivation est égale à la somme des intensités des courants qui repartent. I 1 = I 2 + I 3 nalogie : une route se sépare en deux à une bifurcation. Le débit des voitures avant la bifurcation est égal à la somme des débits des voitures après celle-ci. I1 I3 I2
La tension électrique entre deux points d un circuit Introduction Considérons un circuit électrique simple (pile + ampoule) commandé par un interrupteur. Intéressons-nous à la pile. - Interrupteur ouvert : rien ne se passe, le courant électrique ne circule pas. - Interrupteur fermé : l'ampoule brille, un courant électrique circule. Si des charges électriques se mettent à circuler lorsqu'on ferme le circuit, c'est que les deux bornes de la pile sont dissymétriques : elles le sont lorsque le circuit est fermé ce qui explique que le courant circule dans un sens et seulement dans celui-ci ; il faut admettre qu elles le sont aussi en circuit ouvert. Tout se passe comme si chaque borne de la pile (plus généralement d un générateur) est le siège d une énergie potentielle qui ne se manifeste que lorsqu on ferme le circuit mais qui existe même on circuit ouvert. La notion de potentiel électrique On appelle potentiel électrique cette grandeur qui s apprente à de l énrgie potentielle. On appelle différence de potentiel cette dissymétrie entre les bornes de la pile. À retenir : lorsque deux points ne sont pas au même potentiel électrique, une circulation de charges électriques (c est-à-dire un courant électrique) est possible entre ces deux points, pour peu qu il existe un chemin conducteur entre eux. VP > VN Un courant électrique est possible entre P et N à l extérieur de la pile, si (et seulement si) on réalise un circuit entre P et N. La différence de potentiel électrique (ddp) ou tension électrique entre deux points d un circuit On vient de voir que ce qui importe pour prévoir l existence et le sens d un courant électrique, c est surtout la différence entre les potentiels électriques et non les potentiels eux-mêmes. La «différence de potentiel électrique» entre deux points est aussi appelée «tension électrique entre deux points» ou encore «tension électrique aux bornes de tel ou tel appareil». Toutes ces appellations sont équivalentes. Cette grandeur s exprime en volts (V). Elle se mesure avec un voltmètre placé en dérivation.
On la désigne, au choix, par V V (différence de potentiel électrique entre et ) ou U (tension électrique entre et ) Dans le schéma ci-contre, on peut dire que le voltmètre (V) mesure - la tension électrique U entre et - la différence de potentiel V V entre et - la tension U aux bornes de la pile - la tension U aux bornes de l ampoule V Pour résumer Le potentiel caractérise donc la "potentialité", l'aptitude 1,. à faire circuler des charges électriques. Les bornes d'un générateur ont des potentiels différents, si bien que si on réalise un circuit entre elles, un courant s'établit. Cette dissymétrie ou différence de potentiel se maintient qu'on soit en circuit ouvert ou en circuit fermé. Ordres de grandeur Piles : 1,5 V ; 4,5 V ; 9 V atteries : 12 V ; 24 V Réseau EDF domestique : 220 V (380 V dans certains cas). Distribution Moyenne tension : 10 à 15 kv Haute tension : 63 kv ou 90 kv Très haute tension : 225 kv ; 400 kv Pour être complet, il faudrait distinguer la nature du courant électrique délivré dans ces différents cas : courant continu dans le cas des piles et des batteries, courant alternatif dans les autres cas. Les propriétés générales du courant alternatif ne sont pas à connaître dans le cadre de ce concours. Quelques notions seront à connaître en lien avec le chapitre «sécurité électrique». Les lois relatives à la tension électrique entre deux points La tension électrique est nulle entre deux points quelconques d un conducteur. Cela signifie que tous les points du fil sont au même potentiel électrique. Conséquence dans un circuit en dérivation. U PN = U = U CD On a représenté par un trait d'égale épaisseur les points d'égal potentiel. C P N D dditivité U C = U + U C Cette relation se décline comme la relation de Chasles en mathématiques. La loi est valable quel que soit le circuit. C 1 - Termes non scientifiques, employés ici pour tenter de faire comprendre ce concept difficile. Éviter ces termes au moment des épreuves.
Conséquence : association de générateurs en série ou en opposition. C D U D = U + U C + U CD ttention, la tension est une grandeur algébrique. Il faut, dans l'application numérique, affecter ici U d'un signe À connaître : associations de générateurs Pour associer plusieurs générateurs, on associe en général le + de l un au de l autre : on dit qu ils sont associés en série. Dans ce cas, la tension aux bornes de l ensemble est égale à la somme des tensions aux bornes de chaque générateur (exemple : trois piles de 1,5 V en série équivalent à une pile de 4,5 V). Si un des générateurs est monté en opposition (à l envers), il faut alors retrancher sa tension. Exemple, si les trois piles sont de 1,5 V, l'ensemble se comporte comme une pile unique de 1,5 V (1,5 + 1,5 1,5) ce qu on peut aisément vérifier en branchant une ampoule. On ne peut monter en dérivation que des générateurs délivrant la même tension (U). La tension aux bornes de l ensemble est alors la tension U aux bornes de chaque générateur. L intérêt de cette association est de pouvoir délivrer une intensité plus importante. La tension aux bornes de l ensemble est égale à U. Exercices corrigés 1. On dispose d une pile plate (4,5 V) et d une ampoule de lampe de poche adaptée à la pile. 1.1. Réaliser un dessin simplifié, clair et précis du montage lorsque l ampoule s allume, tel qu un enseignant pourrait le proposer à ses élèves. N : dans cette situation, on ne dispose ni de fils ni de douille. 1.2. Que signifie l expression «une ampoule adaptée à la pile». 1.1. Voir le polycopié (partie 1). Il suffit de dessiner les parties extérieures. En particulier, soyez vigilants à bien représenter la partie isolante qui sépare le plot du culot. Les contacts avec les bornes de la pile se font sur le plot et sur le culot.
1.2. Une ampoule est adaptée à une pile si la tension délivrée par la pile est égale ou très peu différente de la tension d usage de l ampoule. N : il peut être nécessaire de définir la tension d usage : tension sous laquelle doit être alimenté un récepteur pour fonctionner dans les conditions les meilleures. 2. On monte un moteur et un vibreur en série sur une pile plate. On constate que seul le vibreur fonctionne. Indiquez si les affirmations suivantes sont justes ou fausses. Précisez lorsque nécessaire. a- L intensité du courant qui circule dans le vibreur est supérieure à celle qui circule dans le moteur. b- La tension électrique aux bornes du moteur est égale à la tension électrique aux bornes du vibreur. c- La tension électrique aux bornes du moteur est inférieure à la tension d usage de celui-ci. 2.a. Faux : l intensité est la même en n importe quelle section d un circuit en série. 2.b. Faux : tout ce qu on peut dire c est que la somme des deux est égale à la tension aux bornes de la pile. 2.c. Vrai : sinon le moteur fonctionnerait normalement.