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Objectifs du programme
QCM interactif : Editions Hatier-clic
Généralités en électricité
Mesurer une tension et une intensité
Il est important de savoir ce que représentent les deux grandeurs intensité et tension. Notez dans le tableau suivant les caractéristiques essentielles de ces deux grandeurs.
Enter your text here... | Intensité | Tension |
|---|---|---|
Symbole | Cell | Cell |
Unité | Cell | Cell |
Appareil de mesure | Cell | Cell |
Ce que l'appareil mesure | Cell | Cell |
Mode de branchement | Cell | Cell |
REPONSES
Intensité | Voltmètre | |
|---|---|---|
Symbole | I | U |
Unité | Ampère (A) | Volt (V) |
Appareil de mesure | Ampèremètre | Voltmètre |
Ce que l'appareil mesure | Le débit d'électrons | La différence d'état électrique |
Mode de branchement | En série  | En dérivation  |
Influence de l'ajout d'une résistance en série
On souhaite déterminer l'influence de l'ajout d'un dipôle en série dans un circuit existant. Pour cela on branche une lampe sur un générateur (circuit 1) puis on ajoute une résistance en série (circuit 2).
- Que constatez-vous lors de l'ajout de la résistance ?
- Mesurer puis représenter les tension et les intensités dans les différents circuits.
- Proposer une loi issue de vos observations.
- Vérifier cette loi en ajoutant une deuxième résistance.
OBSERVATIONS
L'ajout d'une résistance (ou une autre lampe) en série (circuit 1) :
- Fait briller la lampe moins fort
- Diminue l'intensité totale dans le circuit
On constate que la tension délivrée par le générateur est "répartie" entre les dipôles. C'est la loi d'ADDITIVITÉ DES TENSIONS :
\LARGE U_G = U_L + U_R
Attention : ici les deux lampes sont identiques donc la tension a été divisée par 2. Si elles avaient été différentes elles se seraient réparties autrement mais la somme aurait toujours fait 6,2 V !
Influence de l'ajout d'une résistance en dérivation
On souhaite déterminer l'influence de l'ajout d'un dipôle en dérivation dans un circuit existant. Pour cela on branche une lampe sur un générateur (circuit 1) puis on ajoute une résistance en dérivation (circuit 2).
- Que constatez-vous lors de l'ajout de la résistance ?
- Mesurer puis représenter les tension et les intensités dans les différents circuits.
- Proposer une loi issue de vos observations.
- Vérifier cette loi en ajoutant une deuxième résistance.
OBSERVATIONS
L'ajout d'une résistance en dérivation :
- Ne change rien pour l'éclat de la lampe
- Augmente l'intensité totale dans le circuit
On constate que l'intensité délivrée par le générateur augmente de façon a alimenter chaque dipôle. C'est la LOI DES NŒUDS :
\LARGE I_G = I_L + I_R
Attention : si on branche trop d'appareils sur une multiprise l'intensité va devenir très grande et peut faire "fondre" ou "brûler" la multiprise.
Résistance et loi d'ohm
La loi d'ohm énonce le fait que pour une résistance il existe un lien entre l'intensité qui la travers et la tension à ses bornes. Cette loi s'écrit :
\LARGE U=R \times I
R étant la valeur de la résistance exprimée en ohm (Ω)
- A partir des valeurs mesurées pour les résistances dans les circuits 2 (série et dérivation), vérifier la validité de cette loi.
- Que représente d'après vous la valeur de la résistance ?
OBSERVATIONS
Dans les deux circuits on mesure la tension aux bornes de la résistance et l'intensité qui la traverse. On trouve pour les deux montages :
- En série : U = 5,6 V et I = 0,17 A
- En dérivation : U = 6,3 V et I = 0,19 A
Si on calcule le rapport U/I dans ces deux cas on trouve R = 33 Ω qui est bien la valeur indiquée sur le dipôle.
La résistance traduit l'aptitude du dipôle à s'opposer au passage du courant. donc plus cette valeur est grande, plus le courant a du mal à circuler et donc I est faible (pour une tension donnée)
Point de fonctionnement d'un circuit
Les outils à votre disposition
Pour faire les tracés de caractéristiques on peut utiliser un tableau (Excell, open office, google sheet, calculatrice) ou une outils plus spécifique :
- Lien direct vers le téléchargement REGRESSI
- Lien vers le site de l'auteur : Regressi.WP
Vous pouvez aussi faire les tracés sur papier ou en utilisant votre calculatrice.
Vous pouvez aussi utiliser l'émulateur Numworks : Emulateur
Caractéristique U=f(I) d'une pile
Protocole
On souhaite tracer la caractéristique U=f(I) d'une pile. Pour cela on branche une résistance variable en série avec une pile, puis on fait varier la résistance.
- Représenter sur le schéma la tension UG entre les bornes de la pile et l'intensité I circulant dans le circuit.
- Indiquer les bornes A, V et COM des deux multimètres si on souhaite un affichage de valeurs positives sur les écrans.
CORRECTION
Observations préliminaires
Le voltmètre (à gauche) mesure la tension (en V) aux bornes de la pile, l'ampèremètre (à droite) l'intensité qu'elle débite (en mA)
En déplaçant le curseur du rhéostat vers la droite (vidéo ci-contre) la résistance globale du circuit diminue.
- Quelle est la conséquence de l'augmentation de la résistance globale du circuit sur la valeur de l'intensité délivrée par la pile.
- Cette variation est-elle aussi importante pour la tension entre les bornes de la pile ?
- Comment pouvez-vous tracer la caractéristique U=f(I) de la pile ?
CORRECTION
- Lorsque la résistance augmente l'intensité qui circule dans le circuit diminue.
- La tension entre les bornes de la pile varie très peu quant à elle.
- Pour tracer U=f(I) on va faire varier la valeur de la résistance du rhéostat et mesurer des couples de valeur (U,I).
Mesures et exploitation
On fait donc varier la valeur de la résistance du rhéostat et on mesure les couples (I,U) de la pile.
- A partir des résultats obtenus (tableau suivant) tracer U=f(I) de la pile.
- Trouver l'équation de cette caractéristique
I(mA) | 155 | 116 | 77 | 61 | 51 | 45 |
U(V) | 4,28 | 4,35 | 4,42 | 4,45 | 4,46 | 4,47 |
CORRECTION
Après avoir placé les points issus des mesures on crée le graphe U=f(I).
On observe que les points sont portés par une droite (fonction affine) dont la calculatrice nous donne l'équation :
U = 4,55 - 1,74 x I
Ceci est l'équation caractéristique de la pile.
Remarque : la valeur du coefficient directeur (ici 1,74) est la résistance interne de la pile : 1,74 Ω
Point de fonctionnement
On voudrait, par le calcul, savoir quelle sera l'intensité dans le circuit si on alimente une lampe avec cette pile.
Remarque : l'intensité dans une maille (ou boucle) est unique !
On suppose que la lampe a une résistance constante
On suppose que la lampe a une résistance constante égale à 33 Ω.
- Tracer sur la caractéristique précédente celle de la lampe.
- En déduire quelle sera l'intensité dans la lampe.
- A l'aide des équations U=f(I) de la pile et de la lampe retrouver la valeur précédente.
CORRECTION
Toujours à l'aide de la calculatrice on trace sur le même graphique la caractéristique de la pile et celle de la lampe.
U = 4,55 - 1,74xI
U = 33xI
On obtient l'affichage ci-contre.
L'intersection des deux droites nous donne le point de fonctionnement (0,132 A ; 4,36 V).
Cela veut dire que si on branche la lampe sur la pile alors la lampe sera traversé par un courant de 0,132 A et la tension à ses bornes sera de 4,36 V.
Cas de la lampe réelle (pour les élèves avancés)
La lampe ne se comporte pas comme une résistance. En réalité lorsqu'elle chauffe son filament résiste davantage au passage du courant.
Sa caractéristique est donnée ci-contre.
- A quoi voit-on que la lampe n'est pas une résistance ?
- Que fait la valeur de la résistance de la lampe lorsqu'elle chauffe ?
- Quelle sera l'intensité traversant la lampe si on la branche sur la pile précédente ?
CORRECTION
- La lampe n'est pas une résistance car sa caractéristique n'est pas une droite passant par l'origine (donc pas une fonction linéaire)
- On observe que la pente de la courbe de la lampe (et donc la résistance de la lampe) augmente avec l'intensité. Plus il y a de courant dans la lampe plus celle-ci chauffe, on peut donc dire que plus la lampe chauffe plus sa résistance augmente.
- Il faut ici chercher le point de fonctionnement donc tracer sur le même graphe la caractéristique de la lampe et celle de la pile. On trace la droite pour la pile en calculant deux points (pour I=0 et I=0,140) puis on trouve l'intensité du point de fonctionnement (ici 0,086A ou 86mA)
Niveau 1
Loi des nœuds
On mesure les intensités I1 = 10,0 mA et I2 = 2,0 mA des courants dans les branches dérivées du circuit schématisé ci-dessous.
- Nommer le ou les nœuds du circuit.
- Calculer l’intensité IG du courant électrique dans la branche principale.
Loi des maille
On donne le circuit équivalent d’une lampe torche alimentée par une pile de tension UG = 4,5 V.
La tension aux bornes de la résistance R1 est U1 = 0,3 V.
- Représenter les tensions positives dans le circuit par une flèche.
- Calculer la tension U0 aux bornes de la lampe.
Loi d'ohm
Le conducteur ohmique d'un circuit imprimé doit être changé. On en soumet un identique à une tension de 12 V et il est alors parcouru parcourue par un courant d’intensité 300 mA.
Un fournisseur nous donne les caractéristiques des conducteurs ohmiques dont il dispose.
- Calculer la résistance de ce conducteur ohmique.
- Quel conducteur ohmique doit-on commander chez le fournisseur ?
Niveau 2
Les lois en électricité
Un circuit est alimenté par une pile de 4,5 V. La tension UDC aux bornes de la DEL est 2,0 V.
L'intensité du courant qui circule de E vers C dans la branche comportant la DEL est 25 mA, celle du courant qui circule dans le moteur électrique de G vers F est 50 mA.
- Représenter la tension UED.
- Calculer la tension UED.
- Calculer la résistance R du conducteur ohmique.
- Calculer l'intensité du courant qui traverse la pile.
Caractéristique d'un panneau solaire
Le panneau solaire HIT 330WC, dont les courbes caractéristiques sont données ci-contre, intéresse Julien qui veut s'en servir pour faire fonctionner un petit moteur de résistance interne 20 Ω.
Les différentes courbes sont données pour un fonctionnement avec plus ou moins de Soleil (1000W/m² correspondant au Soleil de midi en plein été).
- Représenter la caractéristique du moteur sur le graphe.
- Le panneau vous semble-t-il adapté à l'utilisation prévue par Julien ?
- Quelle devrait être la résistance du moteur de Julien pour pouvoir profiter pleinement de ce panneau ?
