COURS D`ÉLECTRICITÉ POUR CRPE DEUXIÈME PARTIE Le

COURS D’ÉLECTRICITÉ POUR CRPE
DEUXIÈME PARTIE
Jean-Michel ROLANDO (Site de Bonneville)
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 (A).
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.
I1 = I2 = I3
I2
I3
I1
Analogie : le long d’une route sans
bifurcation, le débit des voitures est le
même avant ou après une zone de travaux.
I3
La somme des intensités des courants qui
arrivent à une dérivation est égale à la somme
des intensités des courants qui repartent.
I2
I1 = I2 + I3
Analogie : 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.
Électricité pour CRPE
I1
Jean-Michel Rolando
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.
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Jean-Michel Rolando
On la désigne, au choix, par
VA – VB (différence de potentiel électrique entre A et B)
ou
UAB (tension électrique entre A et B)
Dans le schéma ci-contre, on peut dire que le
voltmètre (V) mesure
- la tension électrique UAB entre A et B
- la différence de potentiel VA – VB entre A et B
- la tension UAB aux bornes de la pile
- la tension UAB aux bornes de l’ampoule
A
B
V
Pour résumer
Le potentiel caractérise donc la "potentialité", l'aptitude1, …. 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
• Batteries : 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.
A
• Conséquence dans un circuit en dérivation.
UPN = UAB = UCD
On a représenté par un trait d'égale épaisseur
C
les points d'égal potentiel.
• Additivité
UAC = UAB + UBC
Cette relation se décline comme la
relation de Chasles en mathématiques.
La loi est valable quel que soit le
circuit.
P
N
B
D
B
A
C
1
- Termes non scientifiques, employés ici pour tenter de faire comprendre ce concept difficile. Éviter ces termes
au moment des épreuves.
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• Conséquence : association de générateurs en série ou en opposition.
A
B
C
D
UAD = UAB + UBC + UCD
Attention, la tension est une grandeur algébrique. Il faut, dans l'application numérique,
affecter ici UAB 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. NB : 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.
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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.
NB : 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.
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