Pas de panique ! Tu as déjà manipulé des piles et des ampoules. On va repartir de ce que tu connais : un circuit électrique simple, et on y ajoute la notion de tension. En route pour devenir fonctionnel !
Prérequis : le circuit électrique simple
Un circuit électrique simple comporte au moins un générateur (pile) et un récepteur (lampe) reliés par des fils. Le courant circule de la borne + vers la borne - du générateur.
La tension électrique, c'est quoi ?
La tension électrique entre deux points d'un circuit représente la « différence d'état électrique ». C'est elle qui « pousse » le courant. Elle s'exprime en volts (V). On la mesure avec un voltmètre.
Mesurer avec un voltmètre : branchement obligatoire
Le voltmètre se branche en dérivation (en parallèle) aux bornes du dipôle dont on veut mesurer la tension. On ne coupe jamais le circuit ! Borne COM (noire) : côté relié au pôle - du générateur. Borne V (rouge) : côté relié au pôle + du générateur. Si l'affichage est négatif, on inverse les deux bornes.
À toi de jouer
1. Observe les deux schémas ci-dessous. Un voltmètre est-il correctement branché pour mesurer la tension aux bornes de la lampe ?
Schéma A (voltmètre en série) : \begin{svg}\end{svg} Schéma B (voltmètre en dérivation autour de la lampe) : \begin{svg}\end{svg} Complète : Dans le schéma A, le voltmètre est branché en . Il est donc (correct / incorrect). Dans le schéma B, le voltmètre est branché en . Il est donc (correct / incorrect).
Corrigé
Dans le schéma A, le voltmètre est branché en série. Il est donc incorrect. Dans le schéma B, le voltmètre est branché en dérivation. Il est donc correct.
2. Un voltmètre numérique affiche la valeur ci-dessous. Complète : la tension mesurée est $U = \underline{\hspace{1.1em}}$ V. \begin{svg}\end{svg}
Corrigé
La tension mesurée est $U = 3{,}5$ V.
3. Associe chaque tension à l'objet correspondant en complétant : $1{,}5$ V $\longrightarrow$ $230$ V $\longrightarrow$ $400$ kV $\longrightarrow$ (Choix : une pile ronde, le secteur domestique, une ligne à haute tension, une batterie de voiture)
Corrigé
$1{,}5$ V $\longrightarrow$ une pile ronde $230$ V $\longrightarrow$ le secteur domestique $400$ kV $\longrightarrow$ une ligne à haute tension
Ah oui, c'est ça ! On remet tout en place : la loi des tensions et la méthode pour brancher le voltmètre. On y va pas à pas.
Rappel : Loi des tensions en série
Dans un circuit en série, la tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions aux bornes de chaque récepteur : $$U_{\text{gén}} = U_1 + U_2 + \dots + U_n$$ C'est la loi d'additivité des tensions.
Méthode pour mesurer une tension
Repérer les deux bornes du dipôle cible.
Brancher la borne COM (noire) du voltmètre du côté relié au pôle - du générateur.
Brancher la borne V (rouge) du côté relié au pôle +.
Le voltmètre est en dérivation : aucun fil du circuit n'est coupé.
À toi de jouer
1. Complète les conversions suivantes : $3{,}2$ V $= \underline{\hspace{1.1em}}$ mV $1\,200$ mV $= \underline{\hspace{1.1em}}$ V Rappel : $1$ mV $= 0{,}001$ V ; $1$ V $= 1\,000$ mV.
Corrigé
$3{,}2$ V $= 3\,200$ mV $1\,200$ mV $= 1{,}2$ V
2. On souhaite mesurer la tension aux bornes de la lampe L1 dans le circuit ci-dessous. Complète la phrase en observant le schéma. \begin{svg}\end{svg} La borne COM (noire) est reliée au point (A/B). La borne V (rouge) est reliée au point (A/B). Le voltmètre affiche une valeur positive, donc le branchement est (correct/incorrect).
Corrigé
La borne COM est reliée au point B (côté pôle -). La borne V est reliée au point A (côté pôle +). Le branchement est correct.
3. Dans un circuit série, le générateur fournit 6 V. La tension aux bornes de la lampe L1 est 2,5 V. Calcule la tension $U_2$ aux bornes de L2 en complétant : $U_2 = U_{\text{gén}} - \underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}} - \underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$ V.
Cinq exercices ultra-simples pour automatiser les conversions et la loi des tensions. Tu vas les réussir les doigts dans le nez.
À toi de jouer
1. Convertis $4{,}5$ V en millivolts : $4{,}5$ V $= \underline{\hspace{1.1em}}$ mV.
Corrigé
$4{,}5$ V $= 4\,500$ mV.
2. Convertis $8\,100$ mV en volts : $8\,100$ mV $= \underline{\hspace{1.1em}}$ V.
Corrigé
$8\,100$ mV $= 8{,}1$ V.
3. Convertis $0{,}6$ kV en volts : $0{,}6$ kV $= \underline{\hspace{1.1em}}$ V.
Corrigé
$0{,}6$ kV $= 600$ V.
4. Convertis $150$ V en kilovolts : $150$ V $= \underline{\hspace{1.1em}}$ kV.
Corrigé
$150$ V $= 0{,}15$ kV.
5. Dans un circuit série, $U_{\text{gén}} = 12$ V et $U_1 = 5$ V. Calcule $U_2 = \underline{\hspace{1.1em}}$ V.
Corrigé
$U_2 = 12 - 5 = 7$ V.
Maintenant qu'on a bien répété, place aux exercices type contrôle. Réfléchis bien à chaque situation.
À toi de jouer
1. Effectue les conversions suivantes : a) $0{,}03$ kV $= \_\_\_$ V b) $250$ mV $= \_\_\_$ V c) $1\,200$ V $= \_\_\_$ kV d) $0{,}004$ kV $= \_\_\_$ mV
Corrigé
a) $0{,}03$ kV $= 30$ V b) $250$ mV $= 0{,}25$ V c) $1\,200$ V $= 1{,}2$ kV d) $0{,}004$ kV $= 4\,000$ mV
2. Décris précisément comment brancher un voltmètre pour mesurer la tension aux bornes d'une lampe dans un circuit en série. Où placer la borne COM et la borne V ?
Corrigé
On place le voltmètre en dérivation (en parallèle) autour de la lampe, sans couper le circuit. La borne COM (noire) doit être reliée du côté du pôle - du générateur, et la borne V (rouge) du côté du pôle +.
3. Un générateur de 9 V alimente trois résistances R1, R2, R3 en série. Un voltmètre mesure $U_1 = 2{,}5$ V aux bornes de R1 et $U_2 = 3{,}5$ V aux bornes de R2. Calcule $U_3$ et indique la relation utilisée.
4. Une guirlande de Noël comporte 20 ampoules identiques branchées en série sur le secteur ($230$ V). a) Calcule la tension aux bornes de chaque ampoule. b) On dévisse une ampoule et on branche un voltmètre à son emplacement. Quelle valeur affiche-t-il ? Justifie.
Corrigé
a) $U_{\text{ampoule}} = \frac{230}{20} = 11{,}5$ V. b) Le circuit est ouvert : aucun courant ne circule. Le voltmètre se retrouve directement aux bornes du secteur ; il affiche donc $230$ V.
5. Associe chaque tension à l'appareil ou l'objet correspondant parmi la liste : pile plate, batterie de voiture, pile ronde LR6, secteur, ligne haute tension. Tensions proposées : $1{,}5$ V ; $4{,}5$ V ; $12$ V ; $230$ V ; $400$ kV.
Corrigé
$1{,}5$ V : pile ronde LR6 $4{,}5$ V : pile plate $12$ V : batterie de voiture $230$ V : secteur domestique $400$ kV : ligne à haute tension.
Prêt à voir un peu plus loin ? Voici des exercices qui mélangent circuits série et parallèle, et l'utilisation d'un voltmètre analogique. Tu vas épater la classe.
Rappel : Dans un circuit en dérivation, la tension est la même aux bornes des branches en parallèle.
Lorsque deux dipôles sont branchés en dérivation (parallèle), la tension à leurs bornes est identique : $U_1 = U_2$.
À toi de jouer
1. Observe le cadran de ce voltmètre analogique. Le calibre choisi est indiqué par la position du commutateur. Détermine la tension mesurée. \begin{svg}\end{svg} L'aiguille indique $\_\_\_$ V. (Indice : lecture directe sur l'échelle correspondant au calibre.)
Corrigé
Le calibre 30 V correspond à l'échelle 0-30 V. L'aiguille est sur la graduation 18 environ, donc la tension mesurée est 18 V.
2. On considère le circuit mixte ci-dessous : un générateur de 12 V alimente une lampe L1 en série avec une branche contenant deux lampes L2 et L3 branchées en parallèle. \begin{svg}\end{svg} On mesure une tension $U_1 = 4$ V aux bornes de L1. a) Que vaut la tension $U_{\text{par}}$ aux bornes du groupe L2-L3 (c'est-à-dire entre les points A et B) ? b) Que valent alors $U_2$ et $U_3$ aux bornes de L2 et L3 ? Justifie chaque étape.
Corrigé
a) Le générateur (12 V) est en série avec L1 et le groupe parallèle. Loi d'additivité : $U_{\text{gén}} = U_1 + U_{\text{par}}$ donc $U_{\text{par}} = 12 - 4 = 8$ V. b) L2 et L3 sont en parallèle, donc la tension est la même à leurs bornes : $U_2 = U_3 = U_{\text{par}} = 8$ V.
3. Pourquoi ne peut-on pas brancher un voltmètre en série dans un circuit ? Explique en utilisant la notion de résistance interne.
Corrigé
Un voltmètre possède une très grande résistance interne pour ne pas perturber le circuit. Branché en série, il bloque presque totalement le courant, empêchant le circuit de fonctionner normalement.
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