Grandeurs électriques et circuits | 2nde Bac Pro | Physique-Chimie
Capacités et connaissances du programme :
C1 — Mesurer une tension et une intensité (voltmètre/ampèremètre)
C2 — Distinguer circuit série et circuit parallèle
C3 — Appliquer les lois d'additivité des tensions et des intensités
C4 — Calculer une puissance et une énergie électrique (P = UI, W = Pt)
C5 — Lire un schéma électrique normalisé
C1 — Mesurer une tension et une intensité
Rappel de cours
Le voltmètre mesure une tension (en V) : il se branche en dérivation (en parallèle) aux bornes du dipôle.
L'ampèremètre mesure une intensité (en A) : il se branche en série dans le circuit.
Circuit série : générateur + 2 résistances + ampèremètre
Exercice 1
Un électricien mesure la tension aux bornes d'un radiateur électrique. Où et comment branche-t-il le voltmètre ?
Le voltmètre se branche en parallèle aux bornes du radiateur, c'est-à-dire directement entre les deux fils d'alimentation du radiateur. Il ne faut pas couper le circuit pour brancher un voltmètre.
Exercice 2
Un technicien veut mesurer le courant traversant une lampe. Décrire le branchement de l'ampèremètre.
L'ampèremètre se branche en série dans le circuit : il faut couper le fil et insérer l'ampèremètre dans la coupure. La borne + de l'ampèremètre est côté potentiel positif (bornier phase).
Exercice 3
Un ampèremètre affiche 2,4 A et un voltmètre 12 V aux bornes d'un moteur. Ces appareils sont-ils bien branchés si l'on souhaitait mesurer la puissance consommée ? Que calcule-t-on ?
Oui, l'ampèremètre est en série (mesure I = 2,4 A) et le voltmètre en dérivation (mesure U = 12 V).
On calcule : \(P = U \times I = 12 \times 2{,}4 = 28{,}8 \text{ W}\).
C2 — Distinguer circuit série et circuit parallèle
Rappel de cours
Série : les composants sont branchés les uns après les autres, le même courant les traverse. Parallèle (dérivation) : les composants sont branchés entre les mêmes nœuds, ils ont la même tension.
Circuit parallèle : 2 branches en dérivation
Exercice 4
Dans une installation électrique, les prises de courant d'une pièce sont-elles montées en série ou en parallèle ? Justifier.
En parallèle. Chaque prise reçoit la même tension (230 V). Si elles étaient en série, débrancher un appareil couperait toutes les autres prises — ce qui n'est pas le cas dans une installation normale.
Exercice 5
Une guirlande lumineuse de vieux modèle s'éteint entièrement quand une ampoule est défectueuse. Quel montage est utilisé ? Quel est l'inconvénient ?
Montage en série. Inconvénient : si une ampoule est grillée (circuit ouvert), toutes les ampoules s'éteignent car le courant ne peut plus circuler dans le circuit complet.
Exercice 6
Dans un tableau électrique, les disjoncteurs de chaque circuit (cuisine, chambre, salon) sont-ils en série ou en parallèle entre eux ? Pourquoi ?
En parallèle. Chaque circuit est indépendant : si le disjoncteur de la cuisine déclenche, l'alimentation des autres pièces n'est pas coupée. Cela permet aussi à chaque circuit de recevoir la tension secteur (230 V).
C3 — Appliquer les lois d'additivité des tensions et des intensités
Circuit série : générateur + 2 résistances + ampèremètre
Exercice 7
Deux résistances R₁ et R₂ sont montées en série sous une tension totale de 24 V. La tension aux bornes de R₁ est 9 V. Quelle est la tension aux bornes de R₂ ?
En série : \(U = U_1 + U_2\)
\(U_2 = U - U_1 = 24 - 9 = \mathbf{15 \text{ V}}\)
Exercice 8
Deux lampes sont branchées en parallèle sur 230 V. La lampe 1 consomme 0,5 A et la lampe 2 consomme 0,8 A. Quelle est l'intensité totale fournie par le réseau ?
Un circuit série comporte trois résistances sous 12 V. On mesure U₁ = 3 V et U₃ = 5 V. Quelle est la tension U₂ ? L'intensité vaut 0,2 A partout : vrai ou faux ?
\(U_2 = 12 - 3 - 5 = \mathbf{4 \text{ V}}\) Vrai : en série, l'intensité est identique en tout point du circuit.
C4 — Calculer une puissance et une énergie électrique
Rappel de cours
\(P = U \times I\) (en watts W)
\(W = P \times t\) (en joules J ou en kWh : 1 kWh = 3 600 000 J)
Exercice 10
Un chauffe-eau électrique fonctionne sous 230 V et absorbe une intensité de 13 A. Calculer sa puissance.
\(P = U \times I = 230 \times 13 = \mathbf{2\,990 \text{ W} \approx 3 \text{ kW}}\)
Exercice 11
Un four industriel de 4 kW fonctionne 6 heures par jour. Calculer l'énergie consommée en kWh, puis en joules.
\(W = P \times t = 4 \times 6 = \mathbf{24 \text{ kWh}}\)
En joules : \(24 \times 3\,600\,000 = 86\,400\,000 \text{ J} = 8{,}64 \times 10^7 \text{ J}\)
Exercice 12
Un éclairage d'atelier consomme 24 kWh par jour. Le coût du kWh est 0,18 €. Quel est le coût mensuel (30 jours) ?
Les symboles normalisés (CEI) : résistance (rectangle), lampe (cercle avec croix), interrupteur (trait ouvert/fermé), générateur (cercle avec + et −), condensateur (deux barres), moteur (cercle avec M).
Exercice 13
Identifier les composants suivants dans un schéma de circuit : un rectangle, un cercle avec une croix, deux barres parallèles, un cercle avec + et −.
Rectangle → résistance (résistor)
Cercle avec croix → lampe
Deux barres parallèles (inégales) → condensateur ou pile (selon contexte)
Cercle avec + et − → générateur (pile ou batterie)
Exercice 14
Un technicien lit un schéma où une lampe et un interrupteur sont en série, alimentés par une batterie 12 V. Décrire le fonctionnement du circuit quand l'interrupteur est ouvert, puis fermé.
Interrupteur ouvert : le circuit est ouvert, aucun courant ne circule, la lampe est éteinte. Interrupteur fermé : le circuit est fermé, le courant circule de la borne + de la batterie à travers l'interrupteur, puis la lampe, puis revient à la borne −. La lampe s'allume.
Exercice 15
Sur un schéma, deux lampes sont en parallèle avec un interrupteur général en série avec l'ensemble. Que se passe-t-il si une lampe est grillée ? Et si l'interrupteur est ouvert ?
Lampe grillée : la branche de la lampe grillée est ouverte, mais l'autre lampe continue de fonctionner (montage parallèle). Interrupteur ouvert : les deux lampes s'éteignent car le courant ne peut plus atteindre aucune des deux branches.