Intensité électrique — mesure à l'ampèremètre

Les prérequis et l'essentiel

Ce que tu dois déjà savoir : un circuit électrique est une boucle fermée (un générateur, des fils, des dipôles comme une lampe) ; savoir multiplier et diviser par 1000 ; et distinguer un montage en série (un seul chemin pour le courant) d'une dérivation (le courant se partage en plusieurs branches).

L'essentiel : l'intensité électrique, notée $I$, mesure la force du courant, c'est-à-dire la quantité de charges électriques qui circulent dans le fil. Plus l'intensité est grande, plus le courant est fort.

On la mesure en ampères, de symbole A (en hommage au physicien André-Marie Ampère). Pour les petites valeurs (téléphone, LED...), on utilise le milliampère (mA), avec $1 \text{ A} = 1000 \text{ mA}$.

On mesure l'intensité avec un appareil appelé ampèremètre. Retiens la règle d'or : il se branche toujours en série dans le circuit, pour être traversé par le courant qu'on veut mesurer.

Les formules clés et un exemple traité

Les deux conversions à connaître par coeur :

Des ampères vers les milliampères, on multiplie par 1000 : $I_{\text{mA}} = I_{\text{A}} \times 1000$.

Des milliampères vers les ampères, on divise par 1000 : $I_{\text{A}} = \dfrac{I_{\text{mA}}}{1000}$.

Exemple entièrement traité. On veut convertir $I = 0{,}25 \text{ A}$ en milliampères.

On part de $I = 0{,}25 \text{ A}$.

On passe des ampères aux milliampères, donc on multiplie par 1000 : $I = 0{,}25 \times 1000$.

On obtient $I = 250 \text{ mA}$.

Astuce anti-panique : une petite valeur en ampères (avec une virgule) donne un nombre plus grand en milliampères. Si tu trouves l'inverse, tu t'es trompé de sens.

Définition et unités

L'intensité électrique, notée $I$, mesure le débit des charges électriques dans un conducteur : plus il passe de charges chaque seconde, plus l'intensité est grande. C'est vraiment l'idée de « combien de courant » circule.

Elle s'exprime en ampères, de symbole A, unité qui rend hommage au physicien André-Marie Ampère.

Pour les petits appareils (téléphone, LED, montre...), l'intensité est inférieure à 1 A. On utilise alors le milliampère (mA), sachant que $1 \text{ A} = 1000 \text{ mA}$.

Pour convertir : des ampères vers les milliampères on multiplie par 1000 ; des milliampères vers les ampères on divise par 1000. C'est exactement comme passer des mètres aux millimètres.

L'ampèremètre et la méthode pas à pas

On mesure l'intensité avec un ampèremètre. Comme il doit être traversé par le courant à mesurer, on le branche toujours en série dans le circuit : il se trouve sur le même fil que le dipôle étudié.

Méthode d'utilisation, étape par étape :

• Choisir d'abord le calibre le plus grand (pour protéger l'appareil), puis le réduire si l'aiguille dévie trop peu.
• Brancher l'ampèremètre en série, sur le fil parcouru par le dipôle étudié.
• Respecter la polarité : la borne + de l'ampèremètre vers le pôle + du générateur, la borne − vers le pôle −.
• Sur un appareil à aiguille, calculer la valeur d'une division :
  $$\text{valeur d'une division} = \dfrac{\text{calibre}}{\text{nombre de divisions}}$$ puis multiplier par le nombre de divisions lues.

Un bon ampèremètre a une résistance quasi nulle : il ne perturbe presque pas le circuit qu'il mesure.

L'intensité en série et en dérivation

Le comportement de l'intensité dépend du montage. Il faut bien distinguer les deux cas.

En série (un seul chemin), l'intensité est la même en tout point du circuit. Le courant ne « s'use » pas en traversant une lampe : ce qui rentre est ce qui ressort.

En dérivation (plusieurs branches), le courant se sépare à un point appelé noeud. La loi des noeuds dit que le courant principal est égal à la somme des courants des branches : $I = I_1 + I_2$.

Exemple de conversion, sens A vers mA : $I = 0{,}35 \text{ A}$, donc $I = 0{,}35 \times 1000 = 350 \text{ mA}$.

Exemple de conversion, sens mA vers A : $I = 45 \text{ mA}$, donc $I = \dfrac{45}{1000} = 0{,}045 \text{ A}$.

On fait ensemble les conversions

Exemple 1 (ampères vers milliampères). On convertit $I = 2{,}5 \text{ A}$.

On part de $I = 2{,}5 \text{ A}$.

On va des ampères vers les milliampères, donc on multiplie par 1000 : $I = 2{,}5 \times 1000$.

On obtient $I = 2500 \text{ mA}$.

Exemple 2 (milliampères vers ampères). On convertit $I = 120 \text{ mA}$.

On part de $I = 120 \text{ mA}$.

On va des milliampères vers les ampères, donc on divise par 1000 : $I = \dfrac{120}{1000}$.

On obtient $I = 0{,}120 \text{ A}$.

Le réflexe à garder : vers les milliampères le nombre grandit (×1000), vers les ampères il rétrécit (÷1000). Vérifie toujours le sens à la fin.

On lit ensemble un ampèremètre à aiguille

Voici un ampèremètre à aiguille. On veut lire l'intensité qu'il indique. On avance étape par étape.

D'abord, on regarde le réglage : l'appareil est sur le calibre 1 A et son cadran compte 100 divisions.

On calcule la valeur d'une division : $\dfrac{\text{calibre}}{\text{nombre de divisions}} = \dfrac{1}{100} = 0{,}01 \text{ A}$.

On lit ensuite la position de l'aiguille : elle s'arrête sur la division 63.

On multiplie le nombre de divisions lues par la valeur d'une division : $I = 63 \times 0{,}01 = 0{,}63 \text{ A}$.

On peut aussi l'exprimer en milliampères : $I = 0{,}63 \times 1000 = 630 \text{ mA}$.

On applique ensemble la loi des noeuds

On passe à un circuit en dérivation. Le courant principal $I$ se partage entre deux branches d'intensités connues : $I_1 = 0{,}20 \text{ A}$ et $I_2 = 0{,}15 \text{ A}$. On cherche $I$.

On écrit d'abord la loi des noeuds : $I = I_1 + I_2$.

On remplace par les valeurs : $I = 0{,}20 + 0{,}15$.

On calcule : $I = 0{,}35 \text{ A}$.

Petit contrôle de bon sens : le courant principal est bien plus grand que chacune des branches. En dérivation, la branche ne peut jamais dépasser le courant total.

Les subtilités et ce que le correcteur attend

Le choix du calibre, expliqué en vrai. On commence par le calibre le plus grand pour ne pas risquer d'endommager l'appareil, puis on le réduit pour obtenir la meilleure précision. On garde le plus petit calibre encore supérieur à la valeur mesurée : si l'intensité dépasse le calibre, l'aiguille sort de l'échelle et la mesure est faussée (ou l'appareil souffre).

Ce que le correcteur veut voir dans ta copie :

• Une unité systématique à chaque valeur : A ou mA, jamais un nombre tout seul.
• La précision que l'ampèremètre est branché en série, quand on décrit un montage.
• La formule écrite en lettres avant l'application numérique (par exemple $I = I_1 + I_2$ puis les nombres).
• Un résultat final encadré ou souligné, avec son unité, et éventuellement une conversion demandée.

Problème type 1 résolu — lecture, calibre et série

Énoncé. Une lampe est branchée en série avec une pile. On mesure l'intensité avec un ampèremètre à aiguille. Détermine cette intensité en choisissant le bon calibre.

On commence par le plus grand calibre, 5 A (cadran de 100 divisions). Une division vaut $\dfrac{5}{100} = 0{,}05 \text{ A}$. L'aiguille ne dévie que de 6 divisions, soit $6 \times 0{,}05 = 0{,}30 \text{ A}$. La déviation est très faible : la lecture manque de précision.

On réduit donc au calibre 1 A. Une division vaut alors $\dfrac{1}{100} = 0{,}01 \text{ A}$. On ne peut pas descendre au calibre 0,1 A, car $0{,}30 \text{ A}$ le dépasserait.

Sur le calibre 1 A, l'aiguille s'arrête sur la division 30 : $I = 30 \times 0{,}01 = 0{,}30 \text{ A}$.

Résultat : $I = 0{,}30 \text{ A} = 300 \text{ mA}$.

Problème type 2 résolu — dérivation et pièges classiques

Énoncé. Dans un circuit en dérivation, l'ampèremètre principal indique $I = 0{,}45 \text{ A}$. Une des deux branches est parcourue par $I_1 = 0{,}18 \text{ A}$. Quelle est l'intensité $I_2$ dans l'autre branche ?

On écrit la loi des noeuds : $I = I_1 + I_2$.

On isole l'inconnue : $I_2 = I - I_1$.

On remplace : $I_2 = 0{,}45 - 0{,}18 = 0{,}27 \text{ A}$.

Résultat : $I_2 = 0{,}27 \text{ A} = 270 \text{ mA}$.

Les pièges classiques à éviter :

• Brancher l'ampèremètre en dérivation : sa résistance quasi nulle crée un court-circuit qui peut détruire l'appareil.
• Confondre A et mA : écrire $350 \text{ A}$ au lieu de $350 \text{ mA}$ change la valeur d'un facteur 1000.
• Lire la déviation sans vérifier quel calibre est sélectionné.
• Croire qu'en série l'intensité « diminue » après la lampe : elle reste la même en tout point.
• Inverser la polarité : sur un appareil à aiguille, elle dévie du mauvais côté ; sur un modèle numérique, la valeur apparaît négative.

D'où vient vraiment l'intensité

En 4e, on dit que l'intensité mesure le « débit de charges ». L'an prochain, on met une formule derrière ces mots : $I = \dfrac{Q}{t}$.

Ici $Q$ est la quantité de charge électrique qui traverse une section du conducteur, mesurée en coulombs (symbole C) ; et $t$ est la durée de passage, en secondes (s).

Un ampère correspond alors à une charge d'un coulomb qui passe chaque seconde : $1 \text{ A} = 1 \text{ C/s}$. C'est exactement l'idée du débit : combien de charges franchissent la ligne par seconde.

Cette écriture explique aussi pourquoi une grande intensité « transporte » beaucoup de charges, donc beaucoup d'énergie, en peu de temps.

Les notions qui arrivent bientôt

L'intensité ne voyage jamais seule. Elle est reliée à la tension $U$ (en volts, symbole V), une autre grandeur que tu mesures avec un voltmètre, lui branché en dérivation aux bornes du dipôle.

Pour un conducteur ohmique (comme une résistance), ces deux grandeurs sont liées par la loi d'Ohm : $U = R \times I$, où $R$ est la résistance en ohms (symbole $\Omega$). Plus la résistance est grande, plus il faut de tension pour faire passer la même intensité.

L'intensité intervient aussi dans la puissance électrique : $P = U \times I$ (en watts, symbole W). C'est ce qui explique qu'un appareil qui « tire » beaucoup de courant consomme beaucoup, et pourquoi les fils chauffent quand l'intensité est trop forte.

Pourquoi en série, et pas en dérivation

On peut enfin justifier la règle apprise au début. Pour mesurer le courant qui traverse un dipôle, il faut que ce même courant traverse aussi l'ampèremètre : on le place donc sur le chemin du courant, c'est-à-dire en série. Et pour ne pas modifier ce qu'il mesure, un bon ampèremètre a une résistance quasi nulle.

C'est justement cette résistance quasi nulle qui interdit de le brancher en dérivation : il offrirait alors un chemin sans obstacle, presque tout le courant passerait par lui, c'est un court-circuit qui peut le détruire. La règle « en série » n'est donc pas arbitraire, elle découle de la façon dont l'appareil est construit.

Idée de justification de la loi des noeuds. La relation $I = I_1 + I_2$ traduit la conservation de la charge : à un noeud, les charges ne s'accumulent pas et ne disparaissent pas. Tout ce qui arrive doit repartir. Autrement dit, la somme des intensités qui entrent dans un noeud est égale à la somme de celles qui en sortent. C'est une loi que tu retrouveras, généralisée, tout au long du lycée.