HGT - SCG Physique UAA1 AUTEUR : Philippe Godts 8 novembre 2014 Conseils didactiques Electrisation d’un objet L’électricité présente de nombreux défis pour le professeur dans la préparation de son cours. Les élèves pensent en effet souvent que les charges électriques sont créées indépendamment les unes des autres lors d’une électrisation. De plus, ils pensent que les charges électriques n’ont pas besoin de support matériel. Les élèves se représentent les piles, batteries et autres générateurs comme des réservoirs d’électricité ou d’électrons, et les récepteurs comme des absorbeurs, annihilateurs. Les élèves ne font généralement pas le lien entre la production d’électricité par une pile et la réaction chimique nécessaire. Développements attendus Décrire une expérience mettant en évidence l’existence de deux types de charge électrique et les attractions/répulsions qui en résultent (C1). L’élève relate les étapes d’une expérience où se manifeste l’attraction ou la répulsion entre deux objets électrisés par frottement ou contact. Il explique les observations en termes de charges et de forces. Exemples de situations d’apprentissages Descriptif Développements attendus principalement visés Décrire une expérience d’interaction entre objets électrisés par frottement. En déduire l’existence de deux types de charges électriques, et leur apparition simultanée quand on frotte un objet. C1 Mettre à la disposition des élèves des documents permettant d’identifier des phénomènes naturels ou des situations exploitant les charges électriques C1 Fiche d’expérience (FE) FE1 « Interaction entre objets électrisés » Autre activité possible SCG PHY UAA1 CD 150429 1 Notions mises en place Quand deux objets initialement neutres sont frottés l’un à l’autre, il peut se produire une électrisation par frottement. Lors de ce phénomène, autant de charges positives que de charges négatives sont formées et se disposent sur les deux objets. Les charges électriques sont mises en évidence par le fait que des charges de même nom se repoussent, tandis que celles de nom contraire s’attirent. La force s’exerçant entre deux objets chargés est d’autant plus grande que les objets sont proches l’un de l’autre et qu’ils sont fort chargés. Un objet est conducteur électrique si les charges électriques peuvent s’y déplacer librement, sinon il est isolant. Les métaux et le carbone graphite sont de bons conducteurs électriques. Un objet initialement neutre peut aussi être électrisé par contact avec un autre objet déjà chargé. Après séparation, les deux objets possèdent alors des charges de même signe, mais pas forcément en même quantité. Dans le système international d’unités (SI), l’unité de la charge électrique est le coulomb (noté « C »). Une autre unité fréquemment utilisée pour la charge électrique est l’ampèreheure (Ah). Elle correspond à la quantité de charge transportée par un courant de 1 ampère (voir plus loin la section sur les grandeurs électriques) pendant une heure, et vaut 3600 C Remarques pour le professeur Quel lien mettre en place avec le cours de chimie ? Les expériences d’électrostatique pourront utilement être abordées en introduction au cours de chimie. Ces expériences, uniquement qualitatives, viseront à mettre en évidence l’apparition simultanée de charges opposées lors d’un frottement, de manière à bien faire comprendre un des principes essentiel de la physique : la conservation de la charge électrique totale. Faut-il expliquer l’électrisation en termes de transfert d’électrons ? Bien que le programme de cette UAA ne mentionne pas la nécessité d’expliquer les phénomènes observés en termes de déplacement d’électrons, il sera utile d’évoquer avec les élèves le rôle joué par ceux-ci, de manière à ce que les élèves puissent faire le lien avec le cours de chimie. Comment préciser la notion de force ? La représentation d’une expérience de répulsion ou d’attraction entre des objets chargés sera l’occasion de repréciser la notion de force, comme une action exercée par un objet-source sur un objet-cible, capable de modifier le mouvement ou de déformer l’objet-cible. On établira les caractéristiques (ligne d’action, sens, intensité, point d’application), ainsi que la représentation vectorielle des forces, en ayant soin de placer le point d’application de la force (l’origine du vecteur) sur l’objet-cible. On utilisera un symbole du type : ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐹𝐴/𝐵 où A est l’objet-source et B l’objet-cible de la force, et on lira « force exercée par A sur B ». Les premiers schémas seront utilement accompagnés d’une légende spécifiant pour chaque force la source et la cible. On rappellera utilement le principe des actions réciproques : deux forces en interaction seront représentées par des vecteurs opposés (de même intensité et de même ligne d’action, mais de sens opposés) agissant simultanément sur deux objets différents. Les observations étant qualitatives, il sera inutile de mentionner une échelle. Peut-on aborder l’influence électrique ? On pourra éventuellement montrer un phénomène d’influence, mais la certification à ce propos sera laissée à la 5ème année. Faut-il définir l’unité de la charge électrique ? L’enseignant se contentera de citer l’unité SI de la charge (le coulomb). Sa justification, nécessitant les lois de l’électromagnétisme, sera laissée à la 5 ème année. Le mAh ne sera éventuellement expliqué qu’après avoir abordé la notion de courant électrique. En quoi les expériences d’électrostatiques sont-elles utiles pour comprendre le circuit électrique ? Il sera utile de montrer que l’électrisation d’objets nécessite qu’une énergie soit fournie par l’expérimentateur, et qu’une énergie peut être restituée, par exemple lors de la mise en mouvement d’un objet léger, ou lors de la formation d’une étincelle (éclair). L’élève percevra ainsi qu’une énergie a été stockée dans le système des charges électriques séparées. L’électrisation devient ainsi le concept précurseur du générateur électrique, et la décharge le concept précurseur du récepteur. SCG PHY UAA1 CD 150429 2 Liens avec les autres disciplines, liens avec la vie courante Le frottement de l’air sur une voiture en mouvement isolée du sol par ses pneus provoque l’apparition de charges électriques. C’est la raison des mesures de sécurité à prendre lorsqu’on fait le plein de carburant (le tuyau contient une tresse métallique reliée à la terre). Le frottement entre la vapeur d’eau qui monte et les cristaux de glace qui redescendent permet d’expliquer l’électrisation des extrémités d’un nuage. Circuit électrique de base Malgré le cours du 1er degré, les élèves pensent encore souvent qu’un interrupteur est ouvert lorsqu’il laisse passer le courant et fermé dans le cas contraire. De plus, ils imaginent qu’une lampe peut être alimentée par un seul fil relié à la borne positive d’un générateur, et que l’interrupteur doit obligatoirement être placé entre cette borne positive et le récepteur pour empêcher le courant de l’atteindre. D’autres élèves pensent qu’il faut deux conducteurs pour relier le générateur et le récepteur parce que c’est la réunion de deux courants antagonistes qui permet au générateur de fonctionner. Une erreur également très répandue consiste à penser que les charges électriques se déplacent à grande vitesse dans un conducteur. C’est l’aspect immédiat et systémique des manifestations électriques dans l’ensemble d’un circuit qui impressionne, voire perturbe nombre d’élèves : l’électricité semble abolir l’espace et le temps, contrairement à la plupart des autres phénomènes étudiés en sciences en début de secondaire qui, eux, sont très localisés (les forces, les propriétés de la matière, les êtres vivants,…) et prennent du temps (la croissance des êtres vivants, les transferts d’énergie thermique,…). Développements attendus Sur base d’une expérience, énoncer les conditions de circulation d’un courant électrique dans un milieu donné (C2). L’élève, sur base d’une expérience, explique l’existence d’un courant électrique par la présence de générateurs, d’une suite ininterrompue de conducteurs électriques, voire de récepteurs formant un circuit fermé. Décrire le rôle du générateur, des récepteurs, des câbles de connexion et de l’interrupteur dans un circuit (C3). L’élève exprime les transformations d’énergie effectuées par le générateur (alternateur, cellule photovoltaïque, piézoélectrique, accumulateur,....), et le récepteur (résistor, moteur électrique, lampe, accumulateur, …), tout en précisant les effets du courant. Il exprime en outre la nécessité de relier le récepteur aux deux bornes du générateur et de fermer l’interrupteur pour obtenir un courant. Exemples de situations d’apprentissages Descriptif Développements attendus principalement visés Mettre en scène tous les élèves d’une classe pour représenter les différents éléments d’un circuit électrique simple C2, C3 Fiches d’activité (FA) FA1 « Mise en scène du circuit électrique » Fiches d’expérience (FE) FE5 « Energie chimique, énergie électrique » Montrer que l’énergie électrique peut produire un effet chimique et vice versa C3 FE8 « Transformations d’énergie électrique » Repérer les différentes transformations d’énergie dans différents récepteurs et dans différents générateurs C3 SCG PHY UAA1 CD 150429 3 Descriptif Développements attendus principalement visés Concevoir un circuit électrique permettant d’allumer une LED ou une ampoule C2, C3 Fiches d’investigation FI1 « Assemblage d’éléments voltaïques» Autre activité possible Analyser des documents à propos de différents dispositifs de production d’énergie électrique (turbine d’un barrage hydraulique, panneau photovoltaïque, éolienne, pile, accumulateur, piézoélectrique,…) et identifier l’énergie primaire C3 Notions mises en place Un circuit électrique est composé d’au moins un générateur et un récepteur raccordés par deux conducteurs. Un générateur est un dispositif transformant de l’énergie primaire (chimique, mécanique, lumineuse…) en énergie électrique en la communiquant aux charges électriques le traversant. Un générateur possède donc toujours deux bornes devant être raccordées au circuit. Un récepteur est un dispositif transformant de l’énergie électrique en une énergie secondaire (chimique, mécanique, thermique…) en la prélevant aux charges électriques le traversant. Tout comme le générateur, le récepteur possède – au moins – deux bornes devant être raccordées au circuit. Pour que le récepteur et le générateur fonctionnent, il faut relier chacune des deux bornes du récepteur aux bornes du générateur au moyen de deux conducteurs. Quand le circuit ainsi formé est ininterrompu, on dit que le circuit est fermé : un courant électrique, constitué de charges électriques, circule dans celui-ci. Historiquement, on a pris l’habitude de décrire le courant électrique comme allant de la borne positive à la borne négative du générateur en traversant le récepteur : c’est le sens conventionnel du courant. Les charges électriques ne s’accumulent en aucun endroit du circuit. Elles se mettent toutes en mouvement simultanément dès que le circuit est fermé, et au contraire, s’arrêtent toutes simultanément dès qu’on ouvre le circuit en un point quelconque, par exemple au moyen d’un interrupteur. Un court-circuit survient quand le courant électrique peut circuler entre les deux bornes d’un générateur sans devoir passer par un récepteur. Celui-ci est à éviter car il endommage les générateurs, voire les conducteurs. Certains générateurs (transformateurs de labos) sont équipés d’un système de protection contre les courts-circuits (voir plus loin, sécurité électrique). Les seules manifestations extérieures du courant électrique sont donc liées à l’énergie à investir au niveau du générateur (la dynamo qu’il faut faire tourner, le transformateur qu’il faut raccorder au secteur, la cellule photovoltaïque qu’il faut éclairer, la pile dont il faut remplacer les réactifs…) et les effets observables au niveau du récepteur. Ceux-ci peuvent être de plusieurs types : o Thermique (et éventuellement incandescent) : résistances chauffantes, lampes à incandescence, … o Mécanique : moteurs, haut-parleurs,… o Chimique : cuves d’électrolyse, accumulateurs lors de la recharge,… o Electroluminescent : tubes luminescents, LED (diodes électroluminescentes), écrans de TV et PC,… o Electromagnétique : GSM, routeurs Wifi,… Remarques pour le professeur Faut-il interpréter le courant électrique en termes de déplacement d’électrons ? L’interprétation atomique (à l’aide des électrons) de l’électrisation et du courant électrique n’est pas nécessaire dans cette UAA de physique, et ne sera éventuellement évoquée qu’après la mise en place du modèle de l’atome au cours de chimie. Ainsi, on pourra se contenter de définir le générateur comme un dispositif communiquant de l’énergie aux charges (positives) qui le traversent, à la manière d’une pompe pour les molécules d’eau, d’un remonte-pente pour des skieurs… Dans le même esprit, on pourra se contenter de définir le récepteur comme un dispositif SCG PHY UAA1 CD 150429 4 prélevant de l’énergie aux charges qui le traversent, à la manière de ce qui se passe dans une chute d’eau, ou quand des skieurs dévalent une pente. Quelle place donner aux analogies ? L’enseignant veillera à aborder au moins deux analogies différentes, possédant chacune leurs limites, pour que l’élève n’identifie pas le circuit électrique avec une analogie particulière. Faut-il insister sur les différents effets du courant électrique ? L’observation attentive des différents effets du courant électrique permettra à l’élève de démystifier quelque peu le caractère mystérieux de l’électricité, tout en prenant la distance nécessaire par rapport aux analogies. L’effet thermique pourra être détaillé dans la foulée de la notion de résistance électrique (voir plus loin la section sur les grandeurs électriques), et l’effet mécanique sera abordé à la suite des aimants (voir la section suivante sur les aimants et pôles magnétiques). Quant à l’effet chimique, on renverra l’élève au cours de chimie, et pour les effets électromagnétiques et électroluminescents aux cours de physique du troisième degré. Les générateurs seront aussi considérés comme des « boîtes noires » à ce stade. Liens avec les autres disciplines, liens avec la vie courante La structure de l’atome, en chimie. Aimants et pôles magnétiques Les élèves pensent souvent qu’un aimant peut attirer tous les métaux. Ils confondent fréquemment les pôles magnétiques avec les charges électriques. Ainsi, les élèves croient possible de séparer un pôle nord d’un pôle sud sur deux objets différents. De plus, certains relient le magnétisme terrestre à la pesanteur. Développements attendus Décrire le rôle du générateur, des récepteurs, des câbles de connexion et de l’interrupteur dans un circuit (C3). L’élève exprime les transformations d’énergie effectuées par le générateur (alternateur, cellule photovoltaïque, piézoélectrique, accumulateur,....), et le récepteur (résistor, moteur électrique, lampe, accumulateur, …), tout en précisant les effets du courant. Il exprime en outre la nécessité de relier le récepteur aux deux bornes du générateur et de fermer l’interrupteur pour obtenir un courant. Réaliser une tâche qui implique un montage à l’aide de commutateurs et/ou de capteurs (T1). L’élève conçoit un circuit (par exemple : un détecteur d’intrusion, l’allumage automatique d’une lampe) nécessitant des commutateurs (interrupteur, relais électrique…) et/ou des capteurs (photorésistance, thermistance…) à partir d’un cahier des charges. Exemples de situations d’apprentissages Descriptif Développements attendus principalement visés Montrer aux élèves les propriétés des forces magnétiques et ce qui les distingue des forces électrostatiques C3, T1 Fiche d’expérience (FE) FE10 « Forces magnétiques » Fiche d’investigation (FI) FI2 « Réglage d’un électroaimant » Concevoir un circuit qui permette d’attirer une chaîne d’exactement deux attaches trombones SCG PHY UAA1 CD 150429 C3, T1 5 Notions mises en place Les aimants ont la propriété d’attirer et d’être attirés par des objets contenant notamment du fer. Chaque aimant possède des zones, les pôles magnétiques, où les attractions sont plus manifestes. Il existe deux pôles de type différent, présents sur chaque aimant : le pôle nord et le pôle sud. Une petite aiguille aimantée libre de tourner sur un axe, et éloignée d’objets perturbants tels des structures en acier, s’oriente dans nos régions en dirigeant son pôle nord vers le Nord géographique. Des pôles de même type se repoussent, des pôles de types différents s’attirent. Un électroaimant est un aimant non-permanent dont l’action est commandée par un courant électrique circulant dans un conducteur enroulant, toujours dans le même sens, un barreau en fer. Les électroaimants sont à la base de la plupart des effets mécaniques du courant électrique. Remarques pour le professeur Quel sens donner à l’étude du magnétisme dans cette UAA ? Cette UAA est pratiquement la seule occasion pour aborder la notion d’aimants et de magnétisme au cours de la scolarité obligatoire : la boussole est juste évoquée en primaire dans le cadre de la géographie. Toutefois, dans le cours de physique au 3ème degré, on utilisera la notion de champ magnétique pour expliquer l’induction électrique. En 3ème, on pourra insister sur la différence entre la notion de magnétisme et d’électricité : ce ne sont pas les mêmes matériaux qui sont concernés et contrairement aux charges électriques obtenues lors de l’électrisation, les pôles d’un aimant ne peuvent pas être isolés. Ce n’est qu’une fois que les charges électriques se déplacent sous forme de courant électrique qu’elles présentent un caractère magnétique. L’enjeu majeur se situe ici dans l’observation des effets mécaniques du courant électrique, qui comprend toujours une composante magnétique. On pourra éventuellement montrer l’un ou l’autre montage expérimental simple (moteur électrique de démonstration à rotor apparent, sonnette, haut-parleur démonté,…) pour illustrer les liens avec la technologie. Liens avec les autres disciplines, liens avec la vie courante Le champ magnétique terrestre et son importance dans l’histoire et la géographie. Circuits et schémas électriques Les élèves pensent que dans un circuit comportant plusieurs récepteurs raccordés en série, l’intensité du courant et/ou la vitesse des charges diminue après avoir traversé chaque récepteur. Plus généralement, les élèves ne considèrent pas un circuit comme un système et croient que le fonctionnement de récepteurs branchés en série est séquentiel. Ainsi, beaucoup d’élèves croient que l’ajout d’un nouveau récepteur en série n’a pas d’effet sur les récepteurs précédents. Développements attendus Reconnaitre et utiliser des symboles normalisés des éléments de circuit (C4). Réaliser un circuit simple à partir d’un schéma et vice-versa (A1). Sur base d’un schéma normalisé, l’élève identifie les éléments du circuit, l’associe avec un circuit réel (un montage, une photo…), ou construit le circuit réel correspondant. Sur base d’un circuit réel, l’élève le représente sous forme de schéma normalisé. Restituer un schéma du circuit d’alimentation d’une LED, d’un potentiomètre et d’un rhéostat (C5). L’élève réalise le schéma du circuit d’alimentation d’une LED, d’un potentiomètre ou d’un rhéostat. Réaliser une tâche qui implique un montage à l’aide de commutateurs et/ou de capteurs (T1). L’élève conçoit un circuit (par exemple : un détecteur d’intrusion, l’allumage automatique d’une lampe) nécessitant des commutateurs (interrupteur, relais électrique,…) et/ou des capteurs (photorésistance, thermistance…) à partir d’un cahier des charges. SCG PHY UAA1 CD 150429 6 Exemples de situations d’apprentissages Descriptif Développements attendus principalement visés Explorer les combinaisons des situations combinant plusieurs récepteurs et/ou interrupteur C4, T1 Fiche d’expérience (FE) FE3 « Circuits électriques série et parallèle » Autres activités possibles Représenter un circuit réel sous forme d’un schéma électrique et d’y indiquer le sens conventionnel du courant. Ce circuit peut comprendre une pile, un interrupteur, une lampe, une LED, un moteur,… montés en série ou en parallèle. Demander en outre à l’élève de prévoir ce qui se produit si on inverse les bornes du générateur C4, C5 Concevoir un circuit simple permettant de contrôler par exemple l’ouverture d’une porte ou de lever une charge avec une grue magnétique, le battant d’une sonnette, un relais, … à l’aide d’un électroaimant A1, T1 Un circuit électrique commandé par un ou plusieurs interrupteurs est monté sur la table. Le schématiser sur base d’une liste des différents symboles des composants d’un circuit électrique. Que se passerait-il si on réalisait une action sur le circuit (on dévisse une ampoule, on débranche une LED, on ouvre un interrupteur...) ? Le circuit peut par exemple comporter : des lampes ou LED montées en série ou en parallèle, une lampe montée en série avec un interrupteur et un groupement de deux lampes montées en parallèle. Une des deux lampes montées en parallèles est en outre mise en série avec un interrupteur. On actionne successivement le premier puis le second interrupteur, une lampe commandée par deux interrupteurs distincts, une LED montée en parallèle avec un moteur. C5, A1 SCG PHY UAA1 CD 150429 7 Notions mises en place La plupart des circuits comportent plusieurs récepteurs. Les récepteurs peuvent être branchés en série en raccordant une borne d’un récepteur à une borne du récepteur suivant, etc. Si une des connexions est déficiente, ou si un des récepteurs ne laisse plus passer le courant, tout le circuit s’arrête. Les récepteurs peuvent aussi être branchés en parallèle ou en dérivation, en raccordant respectivement la première et la deuxième borne de tous les récepteurs ensemble. Une déficience d’une connexion ou d’un récepteur n’a normalement pas de conséquence sur le fonctionnement des autres. Le schéma électrique représente l’agencement des différents composants d’un circuit électrique, en utilisant des symboles conventionnels. Symboles des composants usuels : A C Générateur de tension continue (symbole général) Interrupteur (ouvert) Pile Commutateur Le contact est établi soit entre les bornes A et B (voir illustration), soit entre les bornes A et C Récepteur (symbole général) Ampoule, lampe à incandescence Résistance, rhéostat, résistance chauffante… Résistance variable Lors du réglage, on modifie à la fois la valeur de la résistance1 entre les bornes A et C et la valeur de la résistance entre les bornes C et B. La valeur de la résistance entre les bornes A et B reste constante. M Moteur Diode électroluminescente (LED) Ce récepteur ne fonctionne que quand le courant y circule dans le sens indiqué par la flèche (de la borne + à la borne -) Remarques pour le professeur Faut-il multiplier les schémas électriques abordés ? Les schémas électriques avec générateurs et récepteurs branchés en série ou parallèle feront l’objet d’un traitement systématique. On privilégiera toutefois les schémas des circuits montrés ou montés lors des expériences, et en lien avec des observations concrètes. Par contre, les circuits mixtes (conjuguant à la fois des branchements en série et en parallèle) ne seront abordés que dans la mesure où ils aident l’élève à réaliser l’une ou l’autre tâche. C’est dans cet esprit qu’on abordera par exemple le montage en potentiomètre. 1 Voir section « Grandeurs électriques » ci-dessous. SCG PHY UAA1 CD 150429 8 Grandeurs électriques Les élèves comprennent difficilement les rôles différents des deux principales grandeurs caractéristiques des circuits électriques : le courant et la tension. A propos de l’unité fréquemment utilisée pour mesurer l’énergie électrique, les élèves ne comprennent pas la signification du kilowattheure : ils la confondent avec une puissance (kilowatt) ou parlent de kilowatt par heure, ce qui n’a aucun sens. Développements attendus Mesurer et vérifier par calcul la valeur de l’intensité de courant traversant un élément de circuit ou de la tension appliquée à cet élément dans un circuit (A2). L’élève utilise de manière adéquate un ampèremètre et un voltmètre. En outre, il utilise la relation P = U.I, les lois d’Ohm, des nœuds et des mailles pour confirmer ces mesures. A l’aide d’une expérience montrée, mettre en évidence et estimer la variation du courant électrique d’un circuit en fonction de paramètres (A3). A partir d’une expérience, l’élève déduit l’influence qualitative et/ou quantitative de différents paramètres (par exemple la nature du matériau, la longueur et la section du fil, la température, l’humidité…) sur l’intensité du courant circulant dans un récepteur soumis à une tension donnée. Mesurer l’énergie ou la puissance électrique produite ou consommée dans un circuit (A4). L’élève effectue une mesure directe de la puissance en utilisant de manière adéquate un wattmètre, ou une mesure indirecte à l’aide d’un ampèremètre et d’un voltmètre. En outre il effectue le cas échéant une mesure de temps. Exemples de situations d’apprentissages Descriptif Développements attendus principalement visés Comprendre pourquoi un fin fil conducteur relié à un générateur s’échauffe au fur et à mesure qu’on le raccourcit, jusqu’à finir par pouvoir enflammer des morceaux de papier et fondre. A2, A3 Fiches d’activités FA2 « Fil électrique chauffant (incandescence) » Fiches d’expérience (FE) FE6 « Courant et résistance électrique » Montrer comment varie l’intensité du courant dans un circuit quand la résistance change. A3 FE4 « Tension électrique » Considérer la tension comme l’énergie communiquée aux charges électriques traversant le générateur. A2 FE9 « Puissance et énergie électriques » Justifier la loi P = U.I, puis comparer la puissance d’un récepteur mesurée à l’aide d’un wattmètre avec celle indiquée par le constructeur. Enfin, estimer la consommation d’un appareil et vérifier la valeur obtenue à l’aide d’un wattmètre. A3 FE11 « Lois de Kirchhoff » Se familiariser avec la loi des nœuds d’une part et la loi des mailles d’autre part. C5, A2 FE14 « Paramètres influençant la résistance Identifier les facteurs qui modifient la résistance d’un fil conducteur. Puis mettre en évidence leur effet qualitatif ou quantitatif sur la résistance. A2, A3 Autres activités possibles Mesurer, à l’aide d’un ohmmètre, la résistance d’un matériau ou du corps humain dans différentes circonstances (contacts secs, contacts mouillés à l’eau pure, contacts mouillés avec de la salive…). A3 Connaissant le prix, la durée de vie et le nombre de lumens d’une ampoule halogène et d’une ampoule LED, comparer le coût financier et le coût énergétique de l’éclairage d’une pièce lorsqu’on veut un éclairage de 200 lumens. Le coût du KWh supposé constant dans le temps est donné également. A3 SCG PHY UAA1 CD 150429 9 Notions mises en place La tension électrique aux bornes d’un générateur est la quantité d’énergie acquise par chaque charge unitaire (de un coulomb) qui le traverse. La tension électrique aux bornes d’un récepteur est la quantité d’énergie cédée par chaque charge unitaire qui le traverse. Le symbole de la tension électrique est « U », son unité S.I. est le volt (V) et elle se mesure en raccordant un voltmètre en parallèle avec le générateur ou le récepteur. Quand plusieurs dispositifs (générateurs ou récepteurs) sont raccordés en parallèle, une même tension règne à leurs bornes. Par contre, quand plusieurs dispositifs sont raccordés en série, la tension aux bornes du groupement est la somme des tensions aux bornes de chaque dispositif. Plus généralement, on appelle maille toute portion fermée d’un circuit. Pour chaque maille d’un circuit, la somme des tensions aux bornes des récepteurs est égale à la somme des tensions aux bornes des récepteurs (loi des mailles). Le courant électrique (ou intensité de courant) en un point d’un circuit est la quantité de charge qui y circule par unité de temps. Le symbole du courant électrique est « I », son unité S.I. est l’ampère (A) et il se mesure en en ouvrant le circuit à l’endroit où on désire le mesurer, et en y raccordant un ampèremètre en série. Quand plusieurs dispositifs (générateurs ou récepteurs) sont raccordés en série, un même courant électrique circule dans chacun d’eux. Par contre, quand plusieurs dispositifs sont raccordés en parallèle, le courant électrique circulant dans le groupement est la somme des courants circulant dans chacun d’eux. Plus généralement, on appelle nœud un point d’un circuit où plusieurs conducteurs se rejoignent. La somme des courants électriques arrivant à un nœud est égale à la somme des courants qui en repartent. La résistance électrique d’un récepteur est une mesure de la difficulté à y faire circuler un courant électrique. Son symbole est « R ». Elle se calcule en effectuant le quotient de la tension électrique qu’on établit aux bornes du récepteur par le courant électrique qui y circule sous cette tension, ce qui se traduit par la loi : R = U/I. L’unité S.I. de la résistance est l’ohm : 1 ohm = 1 volt/1 ampère, ce qu’on écrit en résumé : 1 Ω = 1 V/1 A. La résistance se mesure à l’aide d’un voltmètre et d’un ampèremètre raccordés de manière appropriée si le récepteur est en fonctionnement, ou en le branchant directement à un ohmmètre s’il ne fait pas partie d’un circuit électrique.2 La puissance électrique d’un générateur ou d’un récepteur est la quantité d’énergie qu’il transforme par unité de temps. Son symbole est « P ». Elle se calcule en effectuant le produit de la tension électrique aux bornes du générateur ou du récepteur par le courant électrique qui le traverse, ce qui se traduit par la loi : P = U.I. L’unité S.I. de la puissance est le watt : 1 watt = 1 volt.1 ampère, ce qu’on écrit en résumé : 1 W = 1 V.1 A. La puissance se mesure à l’aide d’un voltmètre et d’un ampèremètre raccordés de manière appropriée dans le circuit en fonctionnement, ou en y insérant un wattmètre (énergimètre). L’énergie électrique (E) transformée par un générateur ou un récepteur se calcule par le produit de sa puissance par la durée (t) : E = P.t, par définition de la puissance. Comme l’unité S.I. de l’énergie est le joule, on obtient la relation : 1 joule = 1 watt.1 seconde, ce qu’on écrit en résumé : 1 J = 1 W.1 s. Une unité plus usuelle pour l’énergie électrique est le kilowattheure (KWh). Elle est définie par la quantité d’énergie transformée par un dispositif d’une puissance d’un kilowatt (1000 watt) fonctionnant pendant une heure. Dès lors, 1 kWh = 3600000 J = 3,6.106 J. La résistance électrique d’un récepteur permet de prévoir la quantité d’énergie électrique qu’il transformera en énergie thermique, ce qu’on appelle l’effet joule. Pour une tension donnée, l’effet joule sera d’autant plus important que la résistance du récepteur est faible. Un récepteur dont le but est de transformer l’énergie électrique en énergie thermique est appelé résistor. Les résistors dont la résistance reste constante quand la tension à leur borne varie obéissent à la loi d’Ohm : le courant est alors directement proportionnel à la tension. Tous les conducteurs possèdent une certaine résistance, et sont, à ce titre, le siège d’un effet thermique généralement limité. Plusieurs paramètres peuvent influencer la résistance électrique d’un conducteur : o La nature du matériau dont est constitué le conducteur, qui peut plus ou moins bien conduire le courant électrique ; 2 Les petits modèles de résistances possèdent des bagues de couleur correspondant à la valeur de leur résistance. Le code des couleurs est présenté dans l’annexe à la fin de ce document. SCG PHY UAA1 CD 150429 10 o o o o La longueur du conducteur : en doublant celle-ci, on doit appliquer une tension double pour obtenir un même courant. Dès lors, la résistance est proportionnelle à la longueur du conducteur ; La section du conducteur (l’aire de la surface mesurée quand on coupe le conducteur perpendiculairement à son axe) : en doublant celle-ci, le courant circulant dans le conducteur est double pour une même tension. Dès lors, la résistance est inversement proportionnelle à la section du conducteur ; La température, selon la nature du conducteur, peut influencer dans un sens ou l’autre sa résistance ; Certains conducteurs sont de plus sensibles à l’humidité, à l’éclairement… Remarques pour le professeur Comment définir les notions de tension et de courant ? La tension sera définie comme la quantité d’énergie transmise ou absorbée (selon qu’il s’agit de la tension aux bornes d’un générateur ou d’un récepteur) par unité de charge, et sera mise en relation avec la hauteur gagnée par des skieurs grâce à un remonte-pente ou perdue quand il descendent la piste, ou avec la vitesse gagnée par les molécules d’eau passant par une pompe alimentant un jet dans un bassin ou la vitesse qu’elles perdent en retombant dans le bassin,... Le courant sera défini comme la quantité de charge circulant par unité de temps, et sera mis en relation avec le nombre de skieurs ou de molécules d’eau passant par unité de temps,… On n’abordera pas les lois (U = W/q et I = q/t) et on se contentera de citer les unités SI de la tension et du courant sans les définir. Faut-il mieux parler de courant électrique ou d’intensité du courant ? En physique, la notion d’intensité fait référence à la valeur d’une grandeur. Ainsi, on parle d’intensité de force, intensité de la vitesse, d’intensité lumineuse,… Historiquement, on a donc attribué le symbole « I » au courant électrique en se référant à la première lettre de « intensité du courant électrique », mais on pourra simplement parler de courant électrique de manière à alléger le formalisme. Comment aborder les lois de Kirchhoff ? On vérifiera la loi de l’addition des tensions aux bornes de générateurs ou de récepteurs branchés en série et on généralisera ce résultat à la loi des mailles. Cette dernière est une conséquence directe du principe de conservation de l’énergie appliquée aux circuits. De même, on vérifiera la loi de l’addition des courants circulant dans des générateurs ou des récepteurs branchés en parallèle et on généralisera ce résultat à la loi des nœuds. Celle-ci est, pour sa part, une conséquence directe du principe de conservation de la charge électrique. On s’assurera de la bonne compréhension de ces deux lois par les élèves en les illustrant de différentes manières, tant à l’aide de mesures concrètes que par des analogies. Quels sont les difficultés liées à l’utilisation des appareils de mesure électriques ? Un des objectifs principaux de cette UAA est que les élèves puissent brancher eux-mêmes un multimètre dans un circuit de manière à y mesurer une tension ou un courant, ce qui peut présenter certains risques pour le matériel. Pour les prévenir, le professeur fera deux vérifications avant d’autoriser les élèves à brancher le générateur : Le circuit ne peut présenter de court-circuit. Il faut donc que les charges électriques partant de la borne positive du générateur passent obligatoirement par au moins un récepteur avant de retourner à la borne négative du générateur, quel que soit leur chemin. Le risque serait ici de détériorer le générateur s’il n’est pas protégé contre les surintensités, ce qui est le cas des piles, des accumulateurs ou de certains transformateurs. Les multimètres utilisés comme ampèremètre ne peuvent être branchés en parallèle avec le générateur. Il faut donc que les ampèremètres utilisés soient tous placés en série avec au moins un récepteur. Le risque serait ici de détériorer l’ampèremètre si on utilise la broche non-protégée, ou de faire fondre le fusible interne si on utilise la broche protégée. Notons les appareils dédiés (soit ampèremètres soit voltmètres) ne comportant pas de sélectionneur nécessitent moins de manipulations et sont plus faciles d’accès pour les débutants. Comment définir la notion de résistance électrique ? La résistance sera définie comme le quotient de la tension par le courant (R = U/I), sur base d’une expérience au cours de laquelle on aura mesuré le courant électrique circulant dans un résistor (un fil de constantan, une mine de crayon, un rhéostat, ou éventuellement une résistance,…) en SCG PHY UAA1 CD 150429 11 fonction de la tension. On mettra les valeurs en tableau et on calculera le quotient U/I pour se rendre compte qu’il est quasi-constant et qu’il représente la difficulté à faire passer un courant dans le conducteur considéré. A ce sujet, on pourra signaler que la lettre « oméga » (Ω) a été choisie comme symbole de l’unité S.I. de la résistance (l’ohm) car elle remplace la lettre latine « O » qui aurait pu être confondue avec le chiffre zéro. L’enseignant pourra profiter de cette expérience pour évoquer l’effet thermique du courant électrique, qui se produit à cause d’une certaine résistance du conducteur : dans un circuit électrique comportant plusieurs récepteurs en série, c’est le récepteur de plus grande résistance qui chauffe le plus. Faut-il aborder les lois d’association des résistances ? Les lois d’association des résistances ne sont pas au programme. Comme on ne traitera pas les circuits mixtes au niveau quantitatif, les lois des mailles et des nœuds, ainsi que la loi d’Ohm suffisent pour traiter tous les cas de figure. Comment définir la notion de puissance ? La puissance sera définie comme la quantité d’énergie transformée par unité de temps (P = E/t). Comme le joule sera aussi abordé au cours de biologie, à propos de l’alimentation, on en profitera pour signaler l’unité SI de l’énergie (ou l’énergie transformée), qui permettra de définir l’unité SI de la puissance. Pour éviter les confusions avec le watt, on pourra utiliser en 3 ème secondaire « E » comme symbole de l’énergie transformée. En réalité, le physicien appelle l’énergie transformée travail et on lui attribue le symbole « W » (work). Comment justifier la loi de la puissance électrique ? Pour faire comprendre la loi permettant de calculer la puissance électrique (P = U.I), on se référera à nouveau à une analogie, comme par exemple celle des mineurs transportant chacun du minerai hors de la mine : la quantité de minerai sortant de la mine par unité de temps se calcule en multipliant la quantité de minerai transportée par chaque mineur par le nombre de mineur sortant de la mine par unité de temps. Le plus important sera toutefois de vérifier les puissances renseignées pour l’une ou l’autre ampoule à incandescence, en branchant de manière adéquate un voltmètre et un ampèremètre, ou directement un wattmètre. Comment aborder les aspects quantitatifs des paramètres influençant la résistance électrique ? Les deux paramètres quantifiables influençant la résistance électrique d’un fil conducteur sont sa longueur et sa section. Pour l’influence de la longueur, on montrera que la résistance est doublée (triplée, quadruplée…) quand la longueur utile du conducteur est elle-même doublée (triplée, quadruplée…). On montrera que le rapport entre la résistance et la longueur utile du conducteur est quasi-constant, et que le graphe de la résistance en fonction de la longueur est pratiquement une droite passant par l’origine. On expliquera de cette manière qu’il y a proportion directe entre ces deux grandeurs. Pour l’influence de la section, on montrera que la résistance est divisée par deux (trois, quatre…) quand la section du fil est doublée (tripée, quadruplée…). 3 A cette occasion, on pourra demander aux élèves de vérifier eux-mêmes les sections des conducteurs à partir des diamètres mesurés au pied à coulisse, ce qui permettra d’insister sur l’importance des erreurs de mesure.4 On montrera que le produit entre la résistance et la section du fil est quasi-constante. On expliquera de cette manière qu’il y a proportion inverse entre ces deux grandeurs. On fera également observer que le graphe de la résistance en fonction de la section est, pour sa part, une courbe de moins en moins décroissante. La simple vue du graphe ne permet toutefois pas de conclure que la résistance et la section sont inversement proportionnelles. Liens avec les autres disciplines, liens avec la vie courante Les courants électriques sont présents tant en chimie (électrochimie, …) en biologie (influx nerveux, …) qu’en médecine (électroencéphalogramme, …). La découverte de l’électricité a révolutionné le monde industriel car le transport de cette énergie peut se faire quasi instantanément sur des milliers de kilomètres. De plus, l’électricité permet d’acheminer de l’énergie en des quantités très petites en des endroits microscopiques, juste là où elle est nécessaire, comme dans les circuits électroniques. On pourra aussi simplement placer deux (trois, quatre…) fils identiques en parallèle si on ne dispose pas de fils de natures identiques et de sections différentes. 3 4 Si on mesure le diamètre du fil au dixième de millimètre près, on se limitera au centième de millimètre carré pour la valeur calculée de sa section. SCG PHY UAA1 CD 150429 12 Eléments d’électronique Développements attendus Reconnaitre et utiliser des symboles normalisés des éléments de circuit (C4). Réaliser un circuit simple à partir d’un schéma et vice-versa (A1). Sur base d’un schéma normalisé, l’élève identifie les éléments du circuit, l’associe avec un circuit réel (un montage, une photo…), ou construit le circuit réel correspondant. Sur base d’un circuit réel, l’élève le représente sous forme de schéma normalisé. Réaliser une tâche qui implique un montage à l’aide de commutateurs et/ou de capteurs (T1). L’élève conçoit un circuit (par exemple : un détecteur d’intrusion, l’allumage automatique d’une lampe) nécessitant des commutateurs (interrupteur, relais électrique…) et/ou des capteurs (photorésistance, thermistance…) à partir d’un cahier des charges. Exemples de situations d’apprentissages Descriptif Développements attendus principalement visés Identifier les différents composants à l’aide d’une fiche décrivant leurs comportements respectifs. C2, T1 FE10 « Circuits avec capteurs » Reproduire des circuits basés sur un transistor et un capteur et/ou un condensateur. Puis étudier les paramètres (température, luminosité, conduction…) permettant de modifier l’effet produit (en général la luminosité d’une ampoule ou d’une LED). Ensuite, transposer ce circuit de manière à ce qu’il réagisse à un autre paramètre. C4, A1, T1 FE13 « Le transistor comme interrupteur » Se familiariser avec le composant qui a été à la base de la microélectronique. C5, A1, A3 Fiches d’activité (FA) FA5 « Résistance des composants » Fiche d’expérience (FE) SCG PHY UAA1 CD 150429 13 Notions mises en place Quelques composants supplémentaires utilisés en électronique : Les condensateurs sont constitués de deux surfaces conductrices séparées l’une de l’autre par un isolant très fin. Quand ils sont soumis à une tension électrique, ils conduisent le courant pendant une durée limitée, tout en se chargeant : des charges électriques opposées sont accumulées sur chacune des surfaces conductrices. Une fois chargés, les condensateurs peuvent se décharger en étant simplement raccordés à un récepteur. Les condensateurs ont donc la propriété d’être à la fois récepteur (lors de la charge) et générateur (lors de la décharge) et peuvent stocker une certaine quantité d’énergie électrique. Les diodes ne sont conductrices que dans un seul sens : elles ne laissent passer le courant électrique que dans le sens de la flèche. Leur résistance est faible dans le sens dit passant, et elle est pratiquement infinie dans le sens dit bloquant. Les thermistances sont des composants dont la valeur de la résistance dépend de la température. La résistance des thermistances NTC (à gauche) diminue avec la température, tandis que celle des thermistances PTC (à droite) augmente avec la température. Les photorésistances sont des composants dont la valeur de la résistance diminue quand elles sont éclairées. Les relais sont des interrupteurs électroaimant. ou commutateurs commandés par un Les transistors (ci-contre, le symbole d’un transistor NPN) sont des composants possédant trois bornes : l’émetteur (E), le collecteur (C) et la base ( ). En mode normal, la résistance entre le collecteur et l’émetteur est pratiquement infinie et le transistor est en mode bloquant. Dès qu’on applique une certaine tension entre la base et l’émetteur, la résistance entre le collecteur et l’émetteur diminue sensiblement et le transistor bascule en mode passant. Une des fonctions du transistor est donc d’être un interrupteur commandé par l’application d’une tension. C E Les potentiomètres sont de simples résistances variables dont les deux bornes extrêmes sont reliées à une source de tension fixe. Leur fonction est de produire des tensions variables indépendantes du récepteur qu’ils alimentent. Le schéma de raccordement ci-contre représente un potentiomètre raccordé à une pile et alimentant une lampe. Les composants dont la résistance dépend de facteurs extérieurs (photorésistance, thermistance…) peuvent être utilisés comme capteurs. Cela signifie qu’ils vont agir sur le fonctionnent d’un récepteur (l’allumage d’une LED ou d’une ampoule, la mise en route d’un moteur, l’émission d’un signal sonore…) quand le facteur extérieur atteint une certaine valeur (l’éclairement descend en-dessous d’un certain niveau, la température dépasse une certaine valeur…). La plupart des capteurs utilisés dans le cadre de ce cours nécessitent l’utilisation d’un transistor de type NPN. Le circuit électrique construit autour d’un transistor comprend deux parties distinctes : SCG PHY UAA1 CD 150429 14 Le circuit de commande est la partie du circuit qui est reliée à la base du transistor. Dans le schéma ci-contre, le capteur est placé en série avec une résistance judicieusement choisie de manière à former un diviseur de tension. Si la valeur de la résistance du capteur diminue sous l’effet d’un facteur extérieur, la tension à ses bornes diminue, tandis que la tension aux bornes de la résistance augmente, tout comme la tension entre la base et l’émetteur du transistor. Suivant le type de capteur, une résistance additionnelle est éventuellement à placer en série avec la base du transistor. Le circuit de travail est formé par le transistor et les composants reliés tant à son émetteur qu’à son collecteur. Dans le schéma ci-contre, le récepteur est branché au collecteur du transistor, et va fonctionner dès que le transistor bascule en mode passant. Remarques pour le professeur Jusqu’où aller dans l’étude des condensateurs ? Les condensateurs seront uniquement abordés dans leurs comportements dans le cadre des courants continus. On montrera que les condensateurs peuvent stocker l’énergie électrique pendant une certaine durée, tout comme les accumulateurs chimiques. Ils fonctionnent donc tantôt comme récepteur, tantôt comme générateur électrique. On signalera l’utilité des condensateurs dans les mémoires d’ordinateurs. Faut-il aborder les aspects quantitatifs des capteurs ? On n’abordera les capteurs que dans leurs aspects qualitatifs : on tiendra à disposition des élèves les schémas électriques indiquant le circuit de commande à monter pour chaque capteur disponible. Quels sont les risques lors des branchements des transistors ? Même si les transistors ne sont onéreux, on attirera l’attention des élèves sur la nécessité de limiter le courant pouvant passer par le transistor pour éviter qu’il ne se détériore par effet joule. On limitera donc tant le courant pouvant passer par la base, en utilisant un circuit de commande approprié, tant que le courant pouvant passer par le collecteur, en veillant à la résistance suffisante du récepteur. Jusqu’à quel niveau de complexité peut-on aller ? On se limitera aux circuits à un seul transistor utilisé en mode interrupteur. Toutefois, les élèves les plus entreprenant pourront réaliser librement des circuits plus complexes comme des circuits logiques utilisant deux transistors ou plus (circuit ET, OU…), ou des amplificateurs. Notons que la plupart des circuits de capteurs envisagés pourront utiliser un relais à la place du transistor. Liens avec les autres disciplines, liens avec la vie courante Les détecteurs, l’automation… Sécurité électrique C’est surtout la tension, et non le courant électrique pouvant les traverser, qui fait peur aux élèves. fondamentalement, le caractère invisible de l’électricité peut se révéler insécurisant. Plus Développements attendus Décrire le schéma d’une installation électrique domestique simple : y repérer et nommer les différents éléments (C6). L’élève repère sur le schéma d’une installation électrique le compteur, le tableau de distribution, les prises, les lampes fixes et les éléments de sécurité (disjoncteur principal, disjoncteur protégeant chaque circuit, différentiel, terre…). Décrire les conditions d’utilisation sécurisées (pour les personnes et pour le matériel) d’un circuit simple qu’il soit domestique ou non (C7). L’élève décrit quelques précautions d’utilisation d’un circuit électrique (tension d’alimentation appropriée, absence de court-circuit, isolation suffisante des conducteurs, bon état des contacts électriques…). SCG PHY UAA1 CD 150429 15 Exemples de situations d’apprentissages Descriptif Développements attendus principalement visés FA3 « Fiche signalétique d’un appareil électrique » Analyser la fiche signalétique d’un appareil électrique pour en déduire des informations sur les grandeurs électriques qui le caractérisent quand il se trouve dans un certain mode de fonctionnement. C6, C7 FA4 « Protection contre les risque d’électrocution » Etablir le lien entre différentes caractéristiques des appareils électriques et la sécurité. C7 Fiche d’activité (FA) Fiches d’expérience (FE) FE7 « Protection contre les surintensités électriques » Comprendre comment on protège une installation électrique contre les intensités excessives de courant électrique. C7 Autres activités possibles Observer le tableau électrique de son habitation et noter le maximum d’informations sur les différents éléments qui le composent. En utilisant un livre, internet, …, identifier la fonction de chacun de ceux-ci. C6 Au moyen d’un tableau électrique de démonstration, modéliser les différentes pannes (court-circuit, courant de fuite avec ou sens mise à la terre de la carcasse métallique d’un appareil) et on montre ainsi le rôle des différents éléments. C6 Choisir un disjoncteur devant protéger un circuit comportant plusieurs récepteurs branchés en parallèle dans lesquels circulent des courants d’intensités connues. C7 Notions mises en place L’électricité peut mettre en danger les personnes, comme tous les êtres vivants. Il faut éviter le passage dans le corps d’un courant électrique supérieur à environ 10 mA (milliampères) qui pourrait provoquer une tétanisation musculaire, voire une fibrillation du muscle cardiaque. Cela pourrait se produire si une personne touche accidentellement deux conducteurs sous une tension de plus d’environ 50 V, l’un d’entre eux pouvant être la Terre. Le risque est accru si les contacts sont humides. Plusieurs dispositifs permettent de prévenir ces courants accidentels (ou fuites de courants) : o les appareils électriques fonctionnant sous une tension supérieure à 50 V sont munis d’une double isolation ; o les boîtiers métalliques des appareils électriques sont raccordés à la terre par l’intermédiaire d’un troisième conducteur spécifique (la prise de terre); o les installations modernes sont équipées d’un différentiel qui interrompt le courant dès qu’il décèle une différence significative entre les courants électriques entrant et sortant. L’électricité peut aussi mettre en danger les installations (conducteurs, générateurs, récepteurs). Il faut éviter qu’y passe un courant électrique trop important qui pourrait provoquer une surchauffe par effet joule. Ceci pourrait provenir d’un branchement de trop de récepteurs en parallèles sur un même circuit, ou d’un court-circuit accidentel. Les disjoncteurs et fusibles placés en série ont pour effet d’interrompre le circuit dès qu’ils décèlent le passage d’un courant trop important. Les connections entre conducteurs se font, quant à eux, dans des boîtiers ininflammables à cause des surchauffes dues à des faux contacts éventuels. Symboles des composants spécifiques aux installations domestiques : Fusible Prise murale Prise de terre SCG PHY UAA1 CD 150429 16 Représentation de croisements sur les schémas électriques : Ce schéma représente deux Ce schéma représente quatre fils fils passant l’un au- dessus de raccordés ensemble (un point est l’autre : ils n’ont donc pas de placé sur l’intersection entre les contact l’un avec l’autre. fils). Le schéma d’une installation électrique domestique comprend le compteur électrique, l’interrupteur différentiel, ainsi que les différents circuits. Chaque circuit est protégé par deux fusibles et comporte soit des prises et/ou des lampes en série avec des interrupteurs. Certains circuits peuvent également comporter des récepteurs fixes (cuisinière, chaudière…) qui ne sont pas raccordés par l’intermédiaire d’une fiche raccordée à une prise de courant. ers le r…seau 12 Com pt eur …lect rique Int errut peur diff…rent iel Circuit 1 SCG PHY UAA1 CD 150429 Circuit 2 Cuisini re 17 Remarques pour le professeur Quels types de schémas électriques domestiques faut-il préconiser ? Les élèves auront plus de facilité à mettre les schémas électriques bifilaires en relation avec les circuits déjà étudié dans le reste de cette UAA que les schémas unifilaires. On évitera aussi d’insister sur les notations spécifiques utilisées par les électriciens. Par contre, on invitera les élèves à représenter systématiquement le fil de terre, de manière à pouvoir faire le lien avec les différents dispositifs de sécurité électrique. Liens avec les autres disciplines, liens avec la vie courante Les avantages (confort, applications quotidiennes…) et les désavantages de l’électricité (difficulté de stockage, risques…). Annexe : Code des couleurs des résistances Le plus souvent, une résistance est identifiée avec des bagues de couleurs (anneaux). Chaque couleur correspond à un chiffre. La correspondance entre les chiffres et les couleurs des anneaux permet de déterminer la valeur d'une résistance ainsi que sa tolérance. Il faut d'abord placer la résistance dans le bon sens. En général, la résistance possède un anneau doré ou argenté, qu'il faut placer à droite. Dans d'autres cas, c'est l'anneau le plus large qu'il faut placer à droite. Sur les résistances à 4 anneaux (type le plus courant), les deux premiers anneaux donnent les chiffres significatifs (le premier donne la dizaine et le second l'unité), le troisième donne le multiplicateur (la puissance de 10 par laquelle il faut multiplier les chiffres significatifs), le quatrième la tolérance (l’incertitude sur la valeur réelle de la résistance donnée par le constructeur). Astuce : un moyen mnémotechnique pour se rappeler du code des couleurs est de retenir la phrase suivante : Ne Mangez Rien Ou Je Vous Brûle Votre Grande Barbe. La place des mots dans la phrase indique le chiffre correspondant à la couleur. N : noir (0) - M : marron (1) - R : rouge (2) - O : orange (3) - J : jaune (4) - V : vert (5) - B : bleu (6) - V : violet (7) - G : gris (8) - B : blanc (9) Exemple : Jaune (4) – violet (7) – marron (1) – doré (5%) La valeur de cette résistance est : 47 x 101 ohm à 5 % soit 470 ohm à 5 %. Résistances à 5 anneaux : les trois premiers anneaux donnent les chiffres significatifs, le quatrième donne le multiplicateur, le cinquième la tolérance. Résistances à 6 anneaux : les cinq premiers anneaux ont la même signification que les résistances à 5 anneaux, le sixième est un coefficient de température (variation de la conductivité électrique avec la température). SCG PHY UAA1 CD 150429 18