Généralités sur les circuits électriques
Les circuits électriques sont un ensemble de composants électriques reliés entre eux. Les circuits électriques sont parcourus par un courant électrique qui a un sens conventionnel. Il existe deux types de circuits électriques : les circuits en série et les circuits en dérivation.
Le circuit électrique
Un circuit électrique est un ensemble de conducteurs et de composants électriques (souvent des dipôles). Ces éléments sont reliés entre eux et parcourus par un courant électrique qui est délivré par un générateur.
Circuit électrique
Un circuit électrique est une association de dipôles parmi lesquels on trouve au moins un générateur (qui délivre le courant électrique) et des récepteurs (qui l'utilisent). On peut lui associer un schéma électrique dans lequel les dipôles sont représentés par leur symbole.
Le courant électrique et le sens conventionnel
Le courant électrique correspond au déplacement des charges à l'intérieur d'un conducteur, généralement les électrons. Le sens conventionnel du courant est orienté du pôle positif au pôle négatif du générateur.
Courant électrique
Le courant électrique est un mouvement d'ensemble de charges électriques dans un conducteur. Il est imposé par le générateur du circuit électrique.
Dans un circuit électrique fermé, le courant circule du pôle + vers le pôle - à l'extérieur du générateur : c'est le sens conventionnel du courant. On le représente par une flèche (ou des flèches) placée sur les fils du circuit.
Les flèches rouges désignent le sens du courant, de la borne positive du générateur à la borne négative du générateur, à l'extérieur de celui-ci.
Les deux types de circuits électriques
Il existe deux types de circuits électriques :
- le circuit en série qui possède une seule maille (ou boucle) ;
- le circuit en dérivation qui possède plusieurs mailles (ou boucles).
Circuit en série
Un circuit en série est un circuit composé d'une seule maille (ou boucle).
Circuit en dérivation
Un circuit en dérivation est un circuit possédant plusieurs mailles (ou boucles).
Dans un circuit électrique en dérivation, on distingue deux types de branches :
- la branche principale qui contient le générateur ;
- les branches dérivées qui sont les autres branches.
On appelle nœuds les points où plusieurs branches sont connectées (ils correspondent donc à l'intersection d'au moins trois fils). Généralement, on nomme les mailles et les nœuds à l'aide de lettres placées au niveau des angles du schéma électrique.
Dans ce schéma électrique, on compte :
- trois mailles : ABEF (qui contient le générateur et la lampe), BCDE (qui contient la lampe et le moteur) et ACDF (qui contient le générateur et le moteur) ;
- deux nœuds : B et E qui sont à l'intersection des trois branches.
La mesure et le calcul de l'intensité électrique dans un circuit électrique
L'intensité du courant électrique est un débit de charges électriques dans un conducteur. Il est possible de la mesurer avec un ampèremètre. La loi d'unicité et la loi des nœuds permettent de calculer une intensité dans un circuit électrique.
Définition de l'intensité électrique
L'intensité du courant électrique est un nombre décrivant la quantité de charge électrique traversant une surface donnée par seconde. L'unité de l'intensité du courant électrique est l'ampère. Le sens de l'intensité du courant électrique est représenté par une flèche au niveau de la branche considérée.
Intensité électrique
L'intensité électrique, notée I, caractérise le débit des charges électriques dans le circuit. Elle s'exprime en ampères (A) et est représentée sur les schémas électriques par une flèche placée sur les fils. Elle est éventuellement accompagnée d'une notation permettant de distinguer des intensités différentes.
La mesure de l'intensité électrique avec un ampèremètre
La mesure de l'intensité électrique s'effectue avec un ampèremètre. On branche l'ampèremètre en série là où l'on souhaite connaître l'intensité. Le sens de branchement dépend du sens de l'intensité du courant électrique.
L'intensité du courant électrique se mesure à l'aide d'un ampèremètre qui doit être :
- branché en série dans la branche considérée ;
- être traversé par le courant de telle manière que celui-ci entre par sa borne mA (ou A pour les courants de grande intensité) et sorte par sa borne COM.
Dans ce schéma, l'ampèremètre mesure l'intensité I_1 qui circule dans la branche BE.
Si l'on inverse les bornes de l'ampèremètre, on mesure l'opposé de l'intensité considérée.
Le calcul d'une intensité dans un circuit électrique
Deux lois permettent de calculer l'intensité dans un circuit électrique :
- La première loi est la loi d'unicité : l'intensité est la même en tout point d'une même branche.
- La deuxième loi est la loi des nœuds : la somme des intensités arrivant en un nœud est égale à la somme des intensités qui en partent.
Loi d'unicité de l'intensité
L'intensité est la même en tout point d'une même branche.
Loi des nœuds
Dans un circuit en dérivation, la somme des intensités qui arrivent sur un nœud est égale à la somme des intensités qui en repartent.
Dans ce circuit, l'application de la loi des nœuds donne :
\displaystyle{I_{\text{générateur}} =I_{\text{1}} + I_{\text{2}}}
La mesure et le calcul de la tension électrique dans un circuit électrique
La tension électrique est définie comme une différence « d'état électrique » entre deux points d'un circuit. Il est possible de mesurer la tension électrique avec un voltmètre. La loi d'unicité et la loi des mailles permettent de calculer une tension dans un circuit électrique.
Définition de la tension électrique et la convention générateur et récepteur
La tension électrique est un nombre que l'on calcule en faisant une différence « d'état électrique » entre deux points d'un circuit. Son unité est le volt. Pour représenter la tension, on utilise la convention générateur et récepteur.
Tension électrique
La tension électrique, notée U, correspond à la différence « d'état électrique » entre deux points d'un circuit. Elle s'exprime en volts (V) et est représentée sur les schémas électriques par une flèche, conformément à la convention générateur et récepteur.
Convention générateur et récepteur
Pour pouvoir mesurer des intensités et des tensions positives, il faut adopter une convention sur leur sens qui dépend de la nature du dipôle considéré :
Sur ce schéma, la convention générateur est utilisée pour le générateur et la convention récepteur est utilisée pour la lampe et le moteur.
Si l'on utilise la convention générateur pour un récepteur ou inversement, une des grandeurs, tension ou intensité, sera négative.
La mesure de la tension électrique avec un voltmètre
La mesure de la tension électrique s'effectue avec un voltmètre. On le branche en dérivation entre les deux points du circuit où l'on souhaite mesurer la tension. Le sens de branchement dépend de la convention générateur et récepteur.
La tension électrique d'un dipôle se mesure avec un voltmètre qui doit être :
- branché en dérivation à ses bornes ;
- branché de telle manière que sa borne V soit au bout de la flèche de la tension à mesurer et que sa borne COM soit de l'autre côté.
Dans ce schéma, le voltmètre mesure la tension électrique du moteur.
Si l'on inverse les bornes du voltmètre, on mesure l'opposé de la tension considérée.
Le calcul d'une tension dans un circuit électrique
Deux lois permettent de calculer la tension dans un circuit électrique :
- La première loi est la loi d'unicité : la tension aux bornes de branches en dérivation est identique.
- La deuxième loi est la loi des mailles : dans une maille orientée, la somme des tensions est nulle. Généralement, une maille est orientée selon la convention générateur.
Loi d'unicité de la tension
La tension aux bornes de dipôles en dérivation est identique.
Une maille orientée est une maille pour laquelle on a défini un sens de parcours, ce qui permet de faire une somme algébrique des tensions correspondantes.
Pour établir la somme des tensions dans une maille, il est nécessaire de suivre les étapes suivantes :
Étape 1
On représente les flèches des tensions dans la maille considérée.
Étape 2
On choisit un sens de rotation et on le représente sur le schéma du circuit.
Étape 3
Lorsque l'on écrit la somme des tensions de la maille :
- les tensions orientées dans le même sens que celui du parcours sont affectées d'un signe « + » ;
- les tensions orientées dans le sens opposé à celui du parcours sont affectées d'un signe « - ».
Dans cette maille et avec le sens de parcours choisi :
- la tension du générateur U_{\text{générateur}} est affectée d'un signe « + » puisqu'elle est orientée dans le même sens que le parcours ;
- les tensions de la lampe U_{\text{lampe}} et du moteur U_{\text{moteur}} sont affectées d'un signe « - » puisqu'elles sont orientées dans le sens opposé à celui du parcours.
Ainsi, pour appliquer la loi des mailles, la somme des tensions de cette maille s'écrit :
U_{\text{générateur}} - U_{\text{lampe}} - U_{\text{moteur}}
Loi des mailles
Dans une maille orientée, la somme des tensions est nulle.
Ici, l'application de la loi des mailles donne :
U_{\text{générateur}} - U_{\text{lampe}} - U_{\text{moteur}} = 0 \text{ V}