Chapitre 2 | 2de Bac Pro | Physique-Chimie | ⏱ 35 min
Vous êtes apprenti menuisier dans l'atelier de fabrication de l'entreprise Boiserie du Val, à Auxerre. En fin de journée, le chef d'atelier remarque que le disjoncteur de la multiprise de l'îlot de travail n° 3 a sauté. Il vous demande d'analyser le problème avant de réarmer le circuit.
Voici les appareils branchés sur la multiprise (capacité maximale : 3 500 W, alimentée en 230 V, protégée par un disjoncteur 16 A) :
| Appareil | Puissance nominale | Tension de fonctionnement | État |
|---|---|---|---|
| Scie sauteuse | 710 W | 230 V | En marche |
| Ponceuse orbitale | 350 W | 230 V | En marche |
| Aspirateur d'atelier | 1 400 W | 230 V | En marche |
| Défonceuse | 1 200 W | 230 V | En marche |
| Lampe de travail | 60 W | 230 V | En marche |
Document complémentaire : la plaque signalétique de la multiprise indique « Puissance max. : 3 500 W — 230 V~ — 16 A ».
Comment expliquer le déclenchement d'un disjoncteur et proposer une installation électrique sûre pour un atelier ?
a) À partir du tableau, identifier le générateur et les récepteurs du circuit de l'îlot n° 3.
b) Quel est le rôle du disjoncteur dans ce circuit ?
a) Le générateur est le réseau électrique (via la prise murale 230 V). Les récepteurs sont les cinq appareils : la scie sauteuse, la ponceuse orbitale, l'aspirateur d'atelier, la défonceuse et la lampe de travail.
b) Le disjoncteur est un dispositif de protection : il ouvre automatiquement le circuit lorsque l'intensité du courant dépasse la valeur maximale autorisée (ici 16 A), ce qui évite la surchauffe des câbles et le risque d'incendie.
Les cinq appareils sont branchés sur la même multiprise. Relever la tension de fonctionnement commune à tous les appareils. Que peut-on en déduire sur leur branchement ?
Tous les appareils fonctionnent sous 230 V, ce qui est également la tension du réseau. Chaque appareil reçoit la même tension : ils sont donc branchés en parallèle (en dérivation) sur la multiprise.
Observez les deux schémas de circuits ci-dessous.
Circuit en série
Circuit en parallèle (dérivation)
a) Dans le circuit en série, combien y a-t-il de boucles ? Que se passe-t-il si la lampe L₂ grille ?
b) Dans le circuit en parallèle, que se passe-t-il si la lampe L₂ grille ?
c) Déduire lequel de ces deux montages correspond au branchement des appareils sur la multiprise de l'atelier.
a) Le circuit en série ne comporte qu'une seule boucle. Si la lampe L₂ grille, le circuit est ouvert : plus aucun appareil ne fonctionne.
b) Dans le circuit en parallèle, chaque récepteur est sur sa propre branche. Si L₂ grille, les lampes L₁ et L₃ continuent de fonctionner normalement.
c) Les appareils de l'atelier sont branchés en parallèle : chacun reçoit 230 V et peut fonctionner indépendamment des autres. C'est le montage en dérivation qui correspond à la multiprise.
On rappelle que la tension \(U\) est la même aux bornes de chaque appareil dans un circuit en parallèle, et que les intensités s'additionnent.
a) Quelle est la tension aux bornes de chaque appareil de l'îlot n° 3 ?
b) Compléter la phrase : « Dans un circuit en parallèle, l'intensité totale \(I\) est égale à ... »
a) La tension aux bornes de chaque appareil est \(U = \mathbf{230\,\text{V}}\). En parallèle, la tension est identique dans chaque branche.
b) « Dans un circuit en parallèle, l'intensité totale \(I\) est égale à la somme des intensités dans chaque branche » : \[ I = I_1 + I_2 + I_3 + I_4 + I_5 \]
On rappelle la relation entre puissance, tension et intensité : \(\quad P = U \times I \quad\) soit \(\quad I = \dfrac{P}{U}\)
Calculer l'intensité absorbée par chaque appareil. Compléter le tableau ci-dessous (arrondir au dixième).
| Appareil | Puissance \(P\) | Tension \(U\) | Intensité \(I = P \div U\) |
|---|---|---|---|
| Scie sauteuse | 710 W | 230 V | ... A |
| Ponceuse orbitale | 350 W | 230 V | ... A |
| Aspirateur d'atelier | 1 400 W | 230 V | ... A |
| Défonceuse | 1 200 W | 230 V | ... A |
| Lampe de travail | 60 W | 230 V | ... A |
On applique \( I = \dfrac{P}{U} \) pour chaque appareil :
| Appareil | \(P\) | \(U\) | \(I = P \div U\) |
|---|---|---|---|
| Scie sauteuse | 710 W | 230 V | \(\dfrac{710}{230} \approx \mathbf{3{,}1\,\text{A}}\) |
| Ponceuse orbitale | 350 W | 230 V | \(\dfrac{350}{230} \approx \mathbf{1{,}5\,\text{A}}\) |
| Aspirateur d'atelier | 1 400 W | 230 V | \(\dfrac{1\,400}{230} \approx \mathbf{6{,}1\,\text{A}}\) |
| Défonceuse | 1 200 W | 230 V | \(\dfrac{1\,200}{230} \approx \mathbf{5{,}2\,\text{A}}\) |
| Lampe de travail | 60 W | 230 V | \(\dfrac{60}{230} \approx \mathbf{0{,}3\,\text{A}}\) |
a) Calculer l'intensité totale \(I_{tot}\) absorbée par l'ensemble des appareils de la multiprise.
b) Calculer la puissance totale \(P_{tot}\) consommée.
a) En circuit parallèle, les intensités s'ajoutent :
\[ I_{tot} = 3{,}1 + 1{,}5 + 6{,}1 + 5{,}2 + 0{,}3 = \mathbf{16{,}2\,\text{A}} \]b) La puissance totale consommée est la somme des puissances :
\[ P_{tot} = 710 + 350 + 1\,400 + 1\,200 + 60 = \mathbf{3\,720\,\text{W}} \]On peut vérifier : \( P_{tot} = U \times I_{tot} = 230 \times 16{,}2 \approx 3\,726\,\text{W} \) (cohérent, l'écart vient des arrondis).
a) Comparer l'intensité totale \(I_{tot}\) avec la valeur maximale du disjoncteur (16 A). Que constatez-vous ?
b) Comparer la puissance totale \(P_{tot}\) avec la puissance maximale de la multiprise (3 500 W). Que constatez-vous ?
c) Expliquer pourquoi le disjoncteur a sauté.
a) \( I_{tot} \approx 16{,}2\,\text{A} > 16\,\text{A} \) : l'intensité totale dépasse la capacité maximale du disjoncteur.
b) \( P_{tot} = 3\,720\,\text{W} > 3\,500\,\text{W} \) : la puissance totale dépasse la puissance maximale de la multiprise.
c) Le disjoncteur a sauté car l'intensité totale absorbée (16,2 A) a dépassé le seuil de protection de 16 A. C'est une surcharge électrique : trop d'appareils fonctionnent simultanément sur la même multiprise. Le disjoncteur a coupé le circuit pour éviter la surchauffe des câbles et un risque d'incendie.
Le chef d'atelier envisage deux solutions pour résoudre le problème :
a) Si on applique la solution A, calculer la nouvelle intensité totale et vérifier qu'elle est compatible avec le disjoncteur 16 A.
b) Expliquer pourquoi la solution B est inapplicable en pratique.
a) Sans la défonceuse (1 200 W, soit 5,2 A) :
\[ I_{tot} = 3{,}1 + 1{,}5 + 6{,}1 + 0{,}3 = \mathbf{11{,}0\,\text{A}} \]Comme \(11{,}0\,\text{A} < 16\,\text{A}\), la nouvelle intensité est bien inférieure au seuil du disjoncteur. La solution A est valable.
Vérification par la puissance : \( P = 710 + 350 + 1\,400 + 60 = 2\,520\,\text{W} < 3\,500\,\text{W}\) ✓
b) La solution B est inapplicable car en circuit série :
Un artisan menuisier souhaite vérifier que son installation est conforme. Il dispose d'un voltmètre et d'un ampèremètre.
a) Pour mesurer la tension aux bornes de la ponceuse, comment doit-il brancher le voltmètre : en série ou en parallèle ?
b) Pour mesurer l'intensité traversant la ponceuse, comment doit-il brancher l'ampèremètre : en série ou en parallèle ?
c) Que risque-t-il s'il branche l'ampèremètre en parallèle ?
a) Le voltmètre se branche en parallèle (en dérivation) aux bornes de la ponceuse.
b) L'ampèremètre se branche en série : on ouvre le circuit et on insère l'ampèremètre dans la branche de la ponceuse.
c) Si l'ampèremètre est branché en parallèle, sa résistance interne est quasi nulle : cela crée un court-circuit. L'ampèremètre peut être détruit, et le circuit peut être endommagé (risque d'incendie).
Rédiger un court rapport (3 à 5 phrases) destiné au chef d'atelier pour expliquer :
Exemple de rapport :
« Le disjoncteur de la multiprise de l'îlot n° 3 a sauté car la puissance totale des cinq appareils branchés (3 720 W) dépasse la capacité maximale de la multiprise (3 500 W). L'intensité totale de 16,2 A est supérieure au seuil du disjoncteur de 16 A. Je recommande de débrancher la défonceuse de cette multiprise et de la brancher sur une prise murale séparée. Ainsi, l'intensité sur la multiprise passera à environ 11 A, ce qui est largement en dessous de la limite de sécurité. »
Les composants d'un circuit électrique :
Circuit en série :
Circuit en parallèle (dérivation) :
Relation puissance – tension – intensité :
\[ P = U \times I \]