Chapitre 2 Electricité Cinquième
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Chapitre 2 ASSOCIATION DE LAMPES Comment se fait-il que lorsqu’une lampe grille dans certaines guirlandes de Noël, toute la guirlande s’éteint alors que dans d’autres guirlandes, les autres lampes fonctionnent toujours ? Réponse : une guirlande de Noël peut être réalisée de deux façons différentes : en série ou en dérivation. Ce n’est que dans les circuits en dérivation, que les autres lampes continuent à fonctionner quand une lampe grille. Nous verrons pourquoi après avoir vu comment adapter une lampe à une pile. I ) Adapter une lampe à une pile (Voir livre p 26) Quelle lampe utiliser avec un générateur pour qu’elle brille normalement ? Vous avez constaté, dans le chapitre 1, que sur chaque lampe et sur chaque générateur figuraient des indications. Ces indications peuvent-elles nous aider à choisir une lampe adaptée au générateur, c’est à dire qui fonctionnera correctement quand elle sera placée seule dans un circuit alimenté par ce générateur ? Pour répondre à cette question vous allez faire un certain nombre de manipulations. 1. Protocole Expérimental : Dans chaque circuit il y aura un générateur, une lampe et un interrupteur. Vous réaliserez plusieurs circuits en changeant la lampe ou le générateur et en faisant les associations indiquées dans le tableau ci-dessous. (Appelez le professeur pour faire vérifier votre circuit avant de faire passer le courant.) Voici le circuit à réaliser : 2. Mesures : Vous préciserez ensuite dans chaque case du tableau comment brille la lampe. (ne brille pas, très faiblement, faiblement, normalement, beaucoup, très fortement) générateur lampe Lampe 3,5 V Lampe 6 V Page 1 sur 11 Pile ronde Pile plate 1,5 V 4,5 V Alimentation collège 6V Expérience à ne réaliser qu’en présence du professeur 3. Exploitation des expériences : Regardez attentivement les indications du tableau . Complétez les phrases ci-dessous. La lampe brille faiblement quand la tension fournie par le générateur est inférieure à la tension indiquée sur le culot de la lampe. Alors la lampe fonctionne mal. La lampe brille normalement quand la tension fournie par le générateur est égale à la tension indiquée sur le culot de la lampe. Alors la lampe fonctionne bien. La lampe brille fortement quand la tension fournie par le générateur est supérieure à la tension indiquée sur le culot de la lampe. Alors la lampe risque d'être détériorée. 4. Conclusion : Les indications inscrites sur le culot de la lampe sont appelée : Tension d'usage ou tension nominale pour l'indication en volts (V) Intensité d'usage ou intensité nominale pour l'indication en ampères (A) Nous ne nous intéresserons cette année qu'à la tension nominale. Une lampe est caractérisée par sa tension nominale. Pour qu’une lampe, branchée sur un générateur, fonctionne normalement, il faut qu'elle soit alimentée sous une tension proche de sa tension nominale Une lampe risque d'être détériorée si la tension du générateur est supérieure à sa tension nominale. On dit alors qu'elle est en surtension. Une lampe fonctionne mal si la tension du générateur est inférieure à sa tension nominale. On dit alors qu'elle est en sous-tension. II ) Le montage en série (Voir livre p 27). Dans les circuits ne comprenant qu’une lampe, il n’y a qu’une seule façon de placer celle-ci. Par contre, avec deux lampes, on peut réaliser deux types de circuit. Le plus simple est réalisé en plaçant les deux lampes l’une à la suite de l’autre : le circuit est en série. 1. Montage en série de lampes identiques (lampes 6V-0,1A) : Des dipôles sont associés en série lorsque le circuit est constitué d'une seule boucle. Page 2 sur 11 Dessine ici les circuits des figures 5 et 6 de la page 27 : Schéma 1 Schéma 2 Observations et interprétation : Réaliser le montage correspondant au schéma 1 cidessus et vérifier son fonctionnement. Dévisser une des lampes. Les deux lampes brillent du même éclat mais elle brille moins que s'il n'y avait qu'une lampe dans le circuit. On dirait que les lampes se partagent la tension. Observations et interprétation : Lorsque l'on dévisse une lampe, l'autre lampe ne brille plus car on a inséré un isolant (l'air). Le circuit est ouvert et le courant ne circule plus. Réaliser le montage correspondant au schéma 2 cidessus. Observations et interprétation : Avec trois lampes en série (c'est à dire trois lampes à la suite l'une de l'autre) les lampes brillent encore moins bien car la tension est répartie entre trois lampes au lieu de deux. 2. Montage en série de 2 lampes différentes (une lampe 6V-0,1A et une lampe 2,5V-0,1A) : Refaire le montage correspondant au schéma 1 en changeant une des lampes et vérifier son fonctionnement. Page 3 sur 11 Observation : Le courant qui circule dans le circuit suffit pour le fonctionnement d’une lampe (elle est adaptée) mais ne suffit pas pour le fonctionnement de l'autre (elle est en sous-tension). Que se passe-t-il si on change la place d'un des dipôles ? Hypothèse : On peut supposer que le fait de changer la place d'un des dipôles ne changera pas l'éclat des lampes. Ou, on peut supposer que le fait de changer la place d'un des dipôles changera l'éclat des lampes. Vérifier expérimentalement votre hypothèse. Conclusion : Après avoir permuté les deux lampes, on constate que l'hypothèse 1 est la bonne. Chaque lampe brille de la même façon quel que soit l’ordre de montage Dans un circuit série, l’ordre de montage des dipôles récepteurs ne modifie pas leur fonctionnement. 3. Conclusion sur les montages en série : Dans un circuit en série, les dipôles sont placés à la suite les uns des autres. La tension du générateur est répartie entre tous les dipôles récepteurs. (Donc plus il y a de lampes, moins la puissance lumineuse de chacune est élevée.) Si une lampe ne fonctionne plus, le courant ne circule plus. L'ordre de montage des dipôles récepteurs ne modifie pas leur fonctionnement. Ces propriétés peuvent constituer un avantage dans le cas des guirlandes électriques car on peut diviser précisément la tension électrique fournie par la prise du secteur entre les ampoules identiques de la guirlande. Aucun dispositif pour régler cette tension n’est alors nécessaire et le prix est donc moindre. Par contre, si on dévisse une ampoule de ces circuits en série, toutes les autres cessent de fonctionner. Une ampoule retirée ou cassée constituant une ouverture dans le circuit, le courant ne peut plus circuler. Cette propriété est très gênante dans les guirlandes électriques en série car il suffit d’une seule ampoule cassée pour que l’ensemble de la guirlande ne fonctionne plus. Il est en plus assez difficile de déterminer quelle est la responsable car il faut les tester une par une (à l’aide d’une pile et après avoir débranché la guirlande de la prise de courant). III ) Le montage en dérivation (Voir livre p 28). Il est également possible de relier chaque lampe à la pile avec ses propres fils en créant ainsi deux circuits dérivés : c’est le montage en dérivation. Ce dernier peut sembler plus compliqué que le montage en série, mais les deux types de circuits présentent leurs Page 4 sur 11 avantages et leurs inconvénients. Nous venons de voir ceux des circuits en série, occupons nous maintenant des circuits en dérivation. 1. Définitions : Dans un circuit en dérivation, on appelle nœud, un point particulier du circuit, où le courant peut passer par deux fils possibles. Dans le circuit ci-dessous, il y a deux nœuds : le point A et le point B. Entre deux nœuds, on définit une branche. Dans le circuit cidessous, il y a trois branches, celle qui contient le générateur et que l'on appelle la branche principale et celles qui contiennent les dipôles récepteurs (ici les lampes L1 et L2 ) et que l'on appelle les branches dérivées. Branche principale A 6V + - G L1 L2 B Branches dérivées Schéma 3 2. Montage en dérivation de lampes identiques (lampes 6V-0,1A) : Réaliser le montage correspondant au schéma 3 cidessus et vérifier son fonctionnement. Observation : Les lampes brillent normalement. Chacune est adaptée au générateur.. Dessine ici le schéma d'un circuit en dérivation comportant une lampe supplémentaire Schéma 4 Page 5 sur 11 Réaliser le montage schéma 4 : du Observation et interprétation : Avec une troisième lampe, les éclats des lampes restent sensiblement les mêmes car elles sont directement alimentées par le générateur. Dévisser une des lampes. Observation et interprétation : Si l'on dévisse une lampe, les autres lampes continuent de briller. Le courant circule dans les deux autres lampes. Chaque dérivation (chaque branche dérivée) est parcourue par un courant. 3. Montage en dérivation de lampes différentes (une lampe 6V-0,1A et une lampe 6V-0,3A): Refaire le montage correspondant au schéma 3 en changeant une des lampes et vérifier son fonctionnement. Observer l’éclat de chaque lampe. Changer l’ordre des lampes dans le montage. Qu’observez vous ? Observations : Le courant qui circule dans chaque branche de la dérivation permet d’alimenter chaque lampe correctement. Quel que soit l’ordre des lampes elles conservent le même éclat. 4. Conclusion sur les montages en dérivation : Dans un montage en dérivation, chaque lampe est reliée directement aux bornes de la pile et brille comme si elle était toute seule. Le générateur alimente directement chacune des lampes. Si une lampe ne fonctionne plus, les autres continuent de briller. On a vu que si on enlève une lampe dans une des branches, les lampes placées dans les autres branches continuent de fonctionner correctement. En fait, chaque branche constitue un circuit indépendant et si l’un des circuits est ouvert, le courant peut continuer à circuler dans les autres branches. Ce type de circuit est utilisé dans les habitations pour relier les différents appareils électriques car il ne faut pas que tous les appareils de la maison s’arrêtent quand on débranche le sèche-cheveux ! Certaines guirlandes électriques sont également fabriquées Page 6 sur 11 avec ce type de circuit, mais comme la tension du secteur est assez forte, elles doivent être équipées d’un système de régulation de tension (ce qui augmente le prix de la guirlande). En contrepartie, si une lampe grille, les autres fonctionnent toujours et il est donc très facile de réparer la lampe endommagée. 5. Allons plus loin : l'intensité du courant électrique : Deux lampes en dérivation (schéma 3) brillent beaucoup plus fort que deux lampes dans un circuit en série (schéma 1). De plus, quand on ajoute des branches, les nouvelles lampes brillent toujours autant (schéma 4). Par contre, plus on ajoute de branches, plus la pile devient chaude (c'est pour cela que nous avons utilisé le générateur) . Il y a donc une autre grandeur électrique qui joue un rôle dans la circulation du courant électrique : c'est l'intensité du courant électrique. Elle correspond au débit du courant (à la quantité de charges électriques qui circule) et on la mesure en ampère (A). Dans un circuit en série, plus on introduit de lampes et moins elles brillent. L’intensité du courant diminue, elle dépend du nombre de dipôles récepteurs placés en série, le débit de la pile dépend donc du circuit. Dans un circuit en dérivation, si on introduit des lampes supplémentaires, elles brillent toutes normalement, les différentes branches ayant la même tension électrique (mesurée en volt (V)). L'échauffement de la pile correspond au fait qu'elle doit alors fournir une intensité supplémentaire pour la lampe supplémentaire. Il n’est pourtant pas possible de mettre une quantité illimitée de lampes car l'intensité que peut délivrer une pile est limitée et à force de s’échauffer, elle risque d’être détruite. Même un générateur ne peut fournir plus qu'une certaine intensité. EDF fournit un courant dont la tension est toujours de 220 V, l'intensité qu'il autorise dépend du type d'abonnement souscrit. IV ) Le court-circuit : danger ! (Voir livre p 29-30). Pourquoi certains appareils électriques défectueux font-ils griller les fusibles du tableau électrique quand on les branche sur une prise de courant ? Réponse : il arrive que certains appareils électriques endommagés, ou trop vieux, possèdent de mauvais contacts. Lorsqu’on les branche sur une prise de courant, ils provoquent un court-circuit et les fusibles grillent pour protéger l’installation électrique. 1. Le fil de connexion dans un montage en série : Il y a court-circuit quand on relie les deux bornes d’un dipôle par un fil conducteur. a) Mise en court-circuit d'une lampe : Les expériences seront réalisées par le professeur. Page 7 sur 11 Réalisons le circuit suivant : L1 + 6V L2 G L3 Dessiner en rouge sur le schéma 5 un fil de connexion aux bornes de la lampe L1. Observer sur la paillasse du professeur ce qui se passe lorsque ce fil est connecté. Représentez par des flèches rouges, le chemin suivi par le courant électrique. Schéma 5 Observation : Si on branche un fil de connexion aux bornes d’un dipôle récepteur, on constate qu’il ne fonctionne plus. Par contre, les autres lampes du circuit brillent d'un éclat plus intense. On peut supprimer le dipôle court-circuité sans modifier le fonctionnement du circuit. Explication : Le courant électrique cherche toujours à passer dans les conducteurs qui possèdent la plus faible résistance électrique. Un fil conducteur possède une résistance électrique pratiquement nulle alors qu’une lampe possède une résistance électrique assez forte afin que l’échauffement dû au passage du courant fasse briller son filament. Si on court-circuite une lampe, tout le courant électrique passe dans le fil conducteur. La lampe, qui n’est plus traversée par le courant électrique, ne fonctionne plus. Comme la tension de la pile n’est plus divisée qu’entre deux lampes au lieu de trois, ces deux lampes brillent plus fort. b) Mise en court-circuit d'un interrupteur : Dessiner en bleu sur le schéma 5 un fil de connexion aux bornes de l'interrupteur. Observer sur la paillasse du professeur ce qui se passe lorsque ce fil est connecté. Observation : Si on branche un fil de connexion aux bornes d’un interrupteur on constate que l’interrupteur n’agit plus sur le circuit. Le circuit reste fermé. On peut supprimer l’interrupteur sans modifier le fonctionnement du circuit. 2. Le fil de connexion dans un montage en dérivation : Page 8 sur 11 A C + 6V - L2 G L3 L1 B D Schéma 6 Dessiner en rouge sur le schéma 6 un fil de connexion aux bornes de la lampe L3. Observer sur la paillasse du professeur ce qui se passe lorsque ce fil est connecté. Représentez par des flèches rouges, le chemin suivi par le courant électrique. Observation : Toutes les lampes s'éteignent. Un fil de connexion branché aux bornes d’un dipôle récepteur en dérivation est aussi branché aux bornes du générateur. Les dipôles récepteurs ne fonctionnent pas. Le générateur est en court-circuit. Explication : Lorsqu’une des lampes est en court-circuit, toutes les autres lampes s’éteignent. En effet, la branche en court-circuit ne présente plus aucune résistance au passage du courant électrique qui circule donc uniquement dans cette branche. Aucune lampe n’est donc plus traversée par le courant électrique : toutes les lampes sont éteintes. Comme le branchement électrique d’une maison est en dérivation, il suffit également qu’un seul appareil soit en court-circuit pour que tous les autres ne fonctionnent plus. En réalité, nous n’avons pas le temps de nous en rendre compte car le panneau électrique de la maison coupe le contact électrique à l’aide d’un fusible ou d’un disjoncteur différentiel afin d’éviter tout risque d’accident. COURT-CIRCUIT = CIRCUIT LE PLUS FACILE À SUIVRE 3. Un court-circuit peut être dangereux (voir livre p 30) : Dans l’expérience précédente (circuit en dérivation), si nous maintenons plus longtemps le court-circuit, la pile et les fils de connexion commencent à s’échauffer rapidement. En effet, le courant électrique ne rencontre plus aucune résistance car il n’y a plus de récepteurs dans le circuit. La pile va donc se mettre à débiter une très forte quantité de courant électrique, ce qui va provoquer son échauffement ainsi que celui du fil de courtcircuit. Si on maintient le court-circuit, la pile risque d’être détruite. Cette destruction peut même s’accompagner d’une explosion pour certains types de piles. D’autre part, si la pile résiste bien au court-circuit, c’est la gaine du fil de court-circuit qui, échauffée, risque de Page 9 sur 11 s’enflammer. Il ne faut donc jamais faire de court-circuit sur une pile et encore moins sur une prise du secteur sous peine de provoquer de graves dégâts. Démonstration : Cette expérience sera réalisée par le professeur. Paille de fer Qu’observes-tu quand on relie les deux bornes de la lampe par le fil électrique (fil de court-circuit) ? La laine de fer brûle, la lampe ne brille plus. Interprète ce que tu viens de voir : La lampe est court-circuitée, le courant électrique circule directement d'une borne à l'autre de la pile en passant par la laine de fer. Il est très intense et la laine de fer portée à haute température, brûle. Conclusion : Un court-circuit peut provoquer un incendie lorsque le courant circule directement d'une borne à l'autre du générateur. 4. Comment se protéger d'un court-circuit ? (voir livre p 30) : Pour protéger les circuits de la maison contre les risques d’incendies, on équipe les panneaux électriques de fusibles. Ils sont constitués d’un fil conducteur assez fin protégé par un isolant en verre (voir figure 11 p 30). Le courant électrique traverse le fusible dès qu’un appareil est branché sur une prise de courant. S’il y a un court-circuit, l’échauffement du fusible provoque la fusion du fil conducteur (le fil fond) qui devient liquide et, en coulant vers le bas du fusible, ouvre le circuit électrique. Pour que ce système fonctionne correctement, il est indispensable de prévoir un fusible adapté à chaque circuit. Il est extrêmement dangereux de remplacer le fusible par un simple fil en cuivre car il n’y aurait plus alors de protection pour la maison. Si un fusible a fondu, il est indispensable de chercher pourquoi avant de le remplacer. Sinon on risque de faire fondre le suivant ! Actuellement, les fusibles sont de plus en plus remplacés par des disjoncteurs électroniques qui coupent le contact. Ces derniers ont l’avantage de disposer d’un interrupteur qu’il suffit de refermer pour remettre en fonction le circuit électrique. Page 10 sur 11 On protège les circuits électriques avec des fusibles qui fondent ou un disjoncteur différentiel qui coupe le circuit dès que le courant électrique devient dangereux. V ) Les dangers de l'électricité (Voir livre p 31). Le courant électrique peut être très dangereux pour l’être humain. Ce danger vient surtout du courant du secteur car il est très fort et traverse sans problème notre peau pour entrer dans notre corps. La tension de sécurité est de 24 V. Toute tension supérieure est donc dangereuse et la tension du secteur est de 230 V. Comme tout notre système nerveux fonctionne à l’aide d’impulsions électriques, le contact soudain avec le courant électrique du secteur peut provoquer de très graves dégâts : arrêt du cœur, tétanisation des muscles et même dommages au cerveau. Effet Picotement Douleur, brûlure Tétanisation des muscles Asphyxie Arrêt du cœur Courant Peu intense + De plus en plus intense + Très intense Il faut donc éviter au maximum le contact avec le courant du secteur. Pour cela, il faut systématiquement couper l’alimentation électrique lorsqu’on souhaite changer une lampe ou travailler sur un circuit électrique. Il convient également de vérifier la qualité des équipements électriques de la maison et notamment qu’ils portent bien la mention NF électricité. Enfin, si vous êtes témoins d’une électrocution, il ne faut jamais hésiter à appeler les pompiers au 18. L'essentiel à retenir absolument : Pour qu'une lampe brille normalement elle doit être alimentée par un générateur dont la tension est égale à la tension nominale. Dans un circuit en série, les lampes sont montées les unes à la suite des autres. Si une lampe ne fonctionne pas, les autres ne peuvent pas briller. Dans un circuit en dérivation, les lampes sont directement reliées au générateur. Lorsque l'on place un conducteur entre les bornes d'une lampe, on la court-circuite ; le courant circule Page 11 sur 11 dans le conducteur, la lampe ne brille plus. Un court-circuit peut être dangereux si le courant peut circuler d'une borne à l'autre d'un générateur sans rencontrer de dipôles récepteurs (lampe ou autre appareil). Les conducteurs s'échauffent, il y a risque d'incendie. Une tension supérieure à 24 V est dangereuse. La tension du secteur 230 V peut entraîner la mort. Il ne faut jamais réaliser une expérience avec la tension du secteur.
