Identifier les composants d'un circuit électrique et leurs rôles
Connaître les quatre grandeurs électriques fondamentales et leurs unités
Savoir brancher correctement un voltmètre et un ampèremètre
Distinguer et analyser un circuit en série et un circuit en parallèle
Appliquer les lois des nœuds et des mailles
Situation professionnelle — Câblage d'un atelier
Un installateur en électricité équipe un nouvel atelier de menuiserie : il doit choisir entre un câblage en série (interrupteurs successifs) et un câblage en parallèle (prises indépendantes), en mesurant tensions et intensités pour vérifier la conformité de chaque circuit.
1. Le circuit électrique
Définition
Un circuit électrique est un ensemble de composants reliés entre eux par des conducteurs, permettant à un courant électrique de circuler. Pour que le courant circule, le circuit doit être fermé.
Les composants essentiels
Composant
Rôle
Exemples en atelier
Générateur
Fournit l'énergie électrique, crée la tension
Prise de courant 230 V, batterie, alimentation 12 V
Conducteurs
Transportent le courant
Câbles d'alimentation des machines
Récepteurs
Convertissent l'énergie électrique en autre chose
Moteur de ponceuse, lampe d'atelier, résistance de chauffage
Interrupteur
Ouvre ou ferme le circuit
Bouton marche/arrêt d'une machine
Propriété
• Circuit fermé : l'interrupteur est fermé, le courant peut circuler → la lampe brille.
• Circuit ouvert : l'interrupteur est ouvert (ou un fil est coupé), le courant ne peut pas circuler → la lampe est éteinte.
Les symboles normalisés
Un schéma électrique n'est pas un dessin : c'est un code. Chaque composant y est représenté par un symbole normalisé (norme CEI), identique dans tous les pays et sur tous les plans. Les fils sont tracés en traits droits, avec des angles droits, sans respecter ni les distances ni la disposition réelles.
Méthode — représenter un schéma
Repérer les composants réels et choisir le symbole normalisé de chacun.
Tracer la boucle à la règle, en traits droits et angles droits.
Placer les symboles sur la boucle, puis nommer chaque composant (E, R₁, L₁…).
Indiquer le sens conventionnel du courant par une flèche sur un fil.
Schéma d'un circuit simple
2. Les grandeurs fondamentales
U
Tension
Volt (V)
Voltmètre • branchement en parallèle
I
Intensité
Ampère (A)
Ampèremètre • branchement en série
R
Résistance
Ohm (Ω)
Ohmètre • circuit hors tension
P
Puissance
Watt (W)
Calculée • P = U × I
Grandeur
Symbole
Unité
Symbole unité
Instrument de mesure
Tension (différence de potentiel)
U
Volt
V
Voltmètre
Intensité du courant
I
Ampère
A
Ampèremètre
Résistance électrique
R
Ohm
Ω
Ohmètre
Puissance électrique
P
Watt
W
— (calcul)
Multiples utiles
• mA (milliampère) = 0,001 A ; kA (kiloampère) = 1 000 A
• mV (millivolt) = 0,001 V ; kV (kilovolt) = 1 000 V
• kΩ (kilohm) = 1 000 Ω ; MΩ (mégohm) = 1 000 000 Ω
• kW (kilowatt) = 1 000 W ; mW (milliwatt) = 0,001 W
Application
Complétez le tableau suivant en indiquant le symbole, l'unité et l'instrument de mesure correspondants :
Grandeur
Symbole
Unité (nom)
Unité (abr.)
Instrument
Tension
???
???
???
???
Intensité
???
???
???
???
Résistance
???
???
???
???
Puissance
???
???
???
???
Grandeur
Symbole
Unité
Abr.
Instrument
Tension
U
Volt
V
Voltmètre (parallèle)
Intensité
I
Ampère
A
Ampèremètre (série)
Résistance
R
Ohm
Ω
Ohmètre
Puissance
P
Watt
W
— (calcul P = U × I)
La plaque signalétique d'un appareil
Définition
La plaque signalétique est l'étiquette fixée sur un appareil, ou gravée sur son carter, qui indique ses caractéristiques nominales : les valeurs pour lesquelles il a été conçu et sous lesquelles il doit être utilisé. C'est le premier document à lire avant de brancher, de dimensionner ou de remplacer un matériel.
Exemple — plaque d'un ventilateur d'extraction
VENTILATEUR D'EXTRACTION
Type EX-160 · N° 24-08137
230 V ∼ 50 Hz
0,30 A 69 W
IP 44
On y lit quatre grandeurs, chacune avec son symbole et son unité :
Indication
Grandeur
Symbole
Unité
Comment on la mesure
230 V
Tension nominale
U
volt (V)
Voltmètre, en parallèle
0,30 A
Intensité nominale
I
ampère (A)
Ampèremètre, en série
69 W
Puissance nominale
P
watt (W)
— (donnée constructeur)
50 Hz
Fréquence du réseau
f
hertz (Hz)
Oscilloscope (chapitre 4)
Le symbole ∼ signifie que l'appareil se branche sur du courant alternatif ; le symbole ⎓ désignerait du courant continu. La mention IP 44 n'est pas une grandeur électrique : c'est l'indice de protection contre les poussières et les projections d'eau.
Nominal n'est pas mesuré
Les valeurs de la plaque sont celles prévues par le constructeur, dans les conditions normales d'emploi. La valeur réellement mesurée peut en différer : une tension de réseau un peu basse, un appareil encrassé ou usé ne donnent pas exactement les valeurs de la plaque. La plaque sert de référence de comparaison — c'est justement ce qui permet de détecter une anomalie.
Application — Lire une plaque signalétique
La plaque d'un projecteur de chantier à LED porte les indications suivantes :
230 V ∼ · 50 Hz · 0,40 A · 92 W · IP 65
Pour chacune des quatre grandeurs électriques indiquées, donner le nom de la grandeur, son symbole et son unité.
Que signifie le symbole ∼ ? Sur quel type de source cet appareil doit-il être branché ?
Avec quel appareil de mesure, et branché comment, contrôlerait-on la valeur « 0,40 A » ?
1.
230 V → tension, symbole U, en volts (V).
0,40 A → intensité, symbole I, en ampères (A).
92 W → puissance, symbole P, en watts (W).
50 Hz → fréquence, symbole f, en hertz (Hz). IP 65 n'est pas une grandeur électrique : c'est l'indice de protection du boîtier.
2. Le symbole ∼ signifie courant alternatif. Le projecteur doit donc être branché sur le réseau (une prise), et non sur une batterie, qui délivre du continu.
3. Avec un ampèremètre branché en série dans le circuit d'alimentation du projecteur — on insère l'appareil dans la coupure du fil. Jamais en parallèle : ce serait un court-circuit.
3. Instruments de mesure
Rappel — loi d'Ohm (cycle 4)
Pour un conducteur ohmique (une résistance), la tension à ses bornes et l'intensité qui le traverse sont liées par la loi d'Ohm : \( U = R \times I \), ce qui s'écrit aussi \( I = \dfrac{U}{R} \) ou \( R = \dfrac{U}{I} \). Cette relation, vue au cycle 4, sera approfondie au chapitre 3.
Le voltmètre
Définition
Le voltmètre mesure la tension électrique entre deux points d'un circuit. Il se branche en parallèle aux bornes du composant à mesurer. Sa résistance interne est très élevée (idéalement infinie) pour ne pas perturber le circuit.
L'ampèremètre
Définition
L'ampèremètre mesure l'intensité du courant traversant un conducteur. Il se branche en série (on « coupe » le fil pour l'insérer). Sa résistance interne est très faible (idéalement nulle) pour ne pas perturber le circuit.
Voltmètre — en parallèle
Ampèremètre — en série
Attention — erreurs à ne jamais commettre
• Ne jamais brancher un ampèremètre en parallèle : court-circuit immédiat → destruction de l'appareil voire départ de feu.
• Ne jamais brancher un voltmètre en série : lecture fausse, circuit pratiquement ouvert.
• Toujours vérifier la polarité (borne + vers le potentiel le plus élevé) et choisir le bon calibre avant toute mesure.
Application — Déduire une résistance par la mesure
Un technicien de maintenance contrôle une résistance chauffante d'atelier. Le voltmètre (branché en parallèle à ses bornes) indique \(U = 6\,\text{V}\) ; l'ampèremètre (branché en série) indique \(I = 0{,}5\,\text{A}\). Quelle est la valeur de la résistance \(R\) ?
La résistance a un comportement ohmique : \( U = R \times I \), donc \( R = \dfrac{U}{I} \).
\( R = \dfrac{6}{0{,}5} = \mathbf{12\,\Omega} \)
Rappel des branchements : le voltmètre se met en parallèle (il lit \(U\)), l'ampèremètre en série (il lit \(I\)).
4. Circuit en série
Définition
Dans un circuit en série, tous les composants sont branchés les uns après les autres, sur une seule boucle. Il n'y a aucun nœud (aucun embranchement).
Propriétés du circuit en série
• L'intensité est identique en tout point :
\[ I = I_1 = I_2 = \ldots \]
• Les tensions s'additionnent :
\[ U = U_1 + U_2 + \ldots \]
• La résistance totale est la somme des résistances :
\[ R_{tot} = R_1 + R_2 + \ldots \]
• Si un composant tombe en panne (circuit ouvert), tout le circuit s'arrête.
Exemple
Un générateur 9 V alimente R₁ = 4 Ω et R₂ = 2 Ω en série.
\( R_{tot} = 4 + 2 = 6\,\Omega \)
\( I = \dfrac{U}{R_{tot}} = \dfrac{9}{6} = 1{,}5\,\text{A} \) (identique partout)
\( U_1 = R_1 \times I = 4 \times 1{,}5 = 6\,\text{V} \) • \( U_2 = 2 \times 1{,}5 = 3\,\text{V} \)
Vérification loi des mailles : \( 6 + 3 = 9\,\text{V} \) ✓
Application
Un générateur de 24 V alimente trois résistances en série : \(R_1 = 3\,\Omega\), \(R_2 = 5\,\Omega\), \(R_3 = 4\,\Omega\).
Calculez la résistance totale du circuit.
Déduisez l'intensité du courant dans le circuit.
Calculez la tension aux bornes de chaque résistance.
4. Loi des mailles : \( U_1 + U_2 + U_3 = 6 + 10 + 8 = 24\,\text{V} = E \) ✓
5. Circuit en parallèle
Définition
Dans un circuit en parallèle, les composants sont branchés entre les mêmes nœuds (points de connexion communs). Chaque composant forme une branche indépendante.
Propriétés du circuit en parallèle
• La tension est identique aux bornes de chaque branche :
\[ U = U_1 = U_2 = \ldots \]
• Les intensités s'additionnent :
\[ I = I_1 + I_2 + \ldots \]
• La résistance équivalente satisfait :
\[ \frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \ldots \quad \Rightarrow \quad R_{eq} < R_{min} \]
• La panne d'un composant n'arrête pas les autres branches : pannes isolées.
Application — Intensités dans les branches
Une alimentation d'atelier de 12 V alimente deux récepteurs branchés en parallèle : une lampe \(R_1 = 20\,\Omega\) et un ventilateur \(R_2 = 30\,\Omega\).
Quelle tension s'applique aux bornes de chaque récepteur ?
Calculez l'intensité \(I_1\) puis \(I_2\) dans chaque branche.
Déduisez l'intensité totale \(I\) débitée par l'alimentation.
1. En parallèle, la tension est la même partout : \( U_1 = U_2 = \mathbf{12\,V} \).
3. Loi des nœuds : \( I = I_1 + I_2 = 0{,}6 + 0{,}4 = \mathbf{1{,}0\,A} \).
Vérification par la résistance équivalente : \( \dfrac{1}{R_{eq}} = \dfrac{1}{20} + \dfrac{1}{30} = \dfrac{1}{12} \Rightarrow R_{eq} = 12\,\Omega \), d'où \( I = \dfrac{12}{12} = 1{,}0\,\text{A} \) ✓
Application — prises de l'atelier de menuiserie
Les prises électriques de l'atelier sont toutes branchées en parallèle sur le réseau 230 V :
• Chaque machine reçoit bien 230 V quelle que soit la charge du circuit.
• Si une ponceuse tombe en panne, les autres machines continuent de fonctionner.
• L'intensité totale absorbée au tableau électrique est la somme de toutes les intensités individuelles → importance du calibre du disjoncteur qui protège le circuit. (Le disjoncteur différentiel, lui, protège les personnes contre un défaut d’isolement : il ne réagit pas à une surintensité — cf. chapitre 1.)
6. Lois des nœuds et des mailles (Kirchhoff)
Définitions
• Un nœud est un point du circuit où se rejoignent au moins trois fils conducteurs (point d'embranchement).
• Une maille est tout chemin fermé dans le circuit.
Loi des nœuds — conservation du courant
Loi des nœuds (Kirchhoff en courant)
En tout nœud d'un circuit, la somme des intensités entrantes est égale à la somme des intensités sortantes :
\[ \sum I_{\text{entrant}} = \sum I_{\text{sortant}} \]
Interprétation physique : les charges électriques ne s'accumulent pas dans un nœud → conservation de la charge.
Exemple numérique — Loi des nœuds
Dans un circuit, au nœud A arrivent deux courants \(I_1 = 3\,\text{A}\) et \(I_2 = 1{,}5\,\text{A}\). Un seul courant \(I_3\) repart.
\( I_1 + I_2 = I_3 \Rightarrow I_3 = 3 + 1{,}5 = \mathbf{4{,}5\,A} \)
Loi des mailles — conservation de l'énergie
Loi des mailles (Kirchhoff en tension)
Dans toute maille fermée, la somme algébrique des tensions est nulle :
\[ \sum_{\text{maille}} U_k = 0 \]
En pratique : la tension du générateur est égale à la somme des chutes de tension dans les récepteurs.
Exemple numérique — Loi des mailles
Un générateur de 12 V alimente trois résistances en série. On mesure \(U_1 = 4\,\text{V}\) et \(U_2 = 5\,\text{V}\).
Loi des mailles : \( E = U_1 + U_2 + U_3 \Rightarrow U_3 = 12 - 4 - 5 = \mathbf{3\,V} \)
Application — Loi des mailles
Un générateur de 15 V alimente trois récepteurs branchés en série sur une rampe d'éclairage d'atelier. Le voltmètre mesure \(U_1 = 6\,\text{V}\) aux bornes du premier et \(U_2 = 4\,\text{V}\) aux bornes du deuxième. Quelle est la tension \(U_3\) aux bornes du troisième ?
Loi des mailles : la tension du générateur est la somme des tensions des récepteurs.
Les deux lois de Kirchhoff s'appliquent en réalité toujours, quel que soit le circuit : c'est la loi des mailles qui donne \(U = U_1 = U_2\) en parallèle, et la loi des nœuds est immédiate en série puisqu'il n'y a aucun nœud.
8. À retenir
À retenir absolument
Un circuit électrique doit être fermé pour que le courant circule.
Le voltmètre se branche en parallèle, l'ampèremètre en série — jamais l'inverse !
En série : même intensité partout • les tensions s'additionnent • panne = tout s'arrête.
En parallèle : même tension par branche • les intensités s'additionnent • panne = seule la branche est affectée.
Loi des nœuds : \(\sum I_{\text{entrant}} = \sum I_{\text{sortant}}\). Loi des mailles : \(\sum U_k = 0\).