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.
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)
3. Instruments de mesure
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.
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 — 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 disjoncteur différentiel !
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
Dans l'atelier de menuiserie, une prise 230 V alimente trois machines en parallèle :
Ponceuse orbitale : \(I_1 = 2{,}5\,\text{A}\)
Perceuse colonne : \(I_2 = 1{,}8\,\text{A}\)
Lampe d'éclairage LED : \(I_3 = 0{,}4\,\text{A}\)
Quelle tension est appliquée aux bornes de chaque machine ? Justifier.
Calculez l'intensité totale débitée par le tableau électrique.
Le disjoncteur déclenche à 10 A. Risque-t-il de sauter ?
1. Les machines sont en parallèle : chacune reçoit la même tension que le générateur, soit \( \mathbf{U = 230\,V} \).