TP MPI  N° 02

Loi des tensions et

Lois des intensités :

Correction

 

Énoncé

Matériel

Multimètres (2 : jaune et noir),

générateurs (polysource, multigénérateur),

lampe à incandescence 12 V – 100 mA),

fils de connexions, interrupteur , plaque de connexions

 R 18 – R 33.

 

I - Le courant électrique.

II - La tension électrique .

III - Cas d'un circuit série.

IV - Cas d'un circuit avec dérivation.

 

I- Le courant électrique.

Un courant électrique est un déplacement de porteurs de charge électrique.

Dans un métal, les porteurs de charge sont les électrons et dans un électrolyte se sont les ions.

Par définition, le courant électrique sort de la borne positive du générateur.

Il existe des courants continus et des courants alternatifs.

-  Courant continu : les porteurs de charges circulent toujours dans le même sens.

-  Courant alternatif : les porteurs de charges circulent alternativement dans un sens puis dans l’autre sens.

-  Que représente l’intensité d’un courant électrique ?

-  L’intensité du courant électrique I est un débit de charge électrique.

-  Relation :

-  André-Marie Ampère : physicien français : 1775 – 1836.

 

II- La tension électrique.

1)- Analogie.

-  Considérons un cours d’eau : l’eau s’écoule d’amont en aval.

-  C’est la différence de niveau entre les points A et B qui permet le déplacement de l’eau.

-  Si les points A et B sont au même niveau, l’eau ne s’écoule pas, elle stagne.

-  De la même manière, un courant électrique circule

entre deux points A et B d’un circuit électrique

s’il existe une différence de niveau électrique (état électrique)

entre ces deux points.

-  On parle de différence de tension électrique ou

encore de différence de potentiel électrique.

2)- Différence de potentiel ou d.d.p.

-  Il existe une tension électrique ou d.d.p entre deux points A et B d’un circuit si ces deux points sont dans des états électriques différents.

-  L’état électrique d ‘un point N d’un circuit est appelé potentiel, noté : VN.

-  La tension électrique entre les deux points A et B d’un circuit électrique se note :  UAB = VA – VB

-  Elle s’exprime en volt : V.

-  Alessandro Volta 1745 – 1827 (physicien italien : pile en 1799)

Analogie

courant électrique

Courant d’eau

Potentiel du point A

Niveau A

Potentiel du point B

Niveau B

Tension électrique ou d.d.p

UAB = VA – VB

Dénivellation ou différence de niveau

hAB = zA – zB

 

III- Cas d’un circuit série

1)- Mesure de tensions dans un circuit série.

a)-  But : réaliser un montage électrique et mesurer des tensions pour en tirer une loi simple.

b)-  Montage :

Réaliser le montage schématisé ci-dessous (interrupteur K ouvert), puis le faire vérifier.

-  Informations :

-  représentation symbolique de l’alimentation ajustable 0 V – 12 V) :

-  P est la borne positive du générateur de tension (alimentation ajustable 0 V – 12 V) :

-  R est un conducteur ohmique de résistance R = 18 Ω et de puissance P =  1 W

K est un interrupteur

L est une lampe : 12 V – 100 mA.

c)- Rappels importants:

On veut mesurer la tension UAB :

 Le voltmètre se branche en dérivation…. ;
la borne
‘’…V….‘’ du voltmètre est reliée au premier point figurant
en indice et la borne
‘’COM.‘’ du voltmètre étant reliée au
deuxième point.

d)- Préparation :

Configurer le multimètre (noir) pour mesurer une tension. Indiquer les étapes suivies :

-  Étape 1 : Fil rouge à la borne V / Ω du multimètre et fil noir à la borne COM du multimètre

-  Étape 2 : Placer le commutateur sur la position V DC car on travaille en courant continu.

-  Étape 3 : En AUTO RANGE, l’appareil est à changement automatique de calibre.

Il choisit le calibre le mieux adapté. En mode MAN RANGE, on commence par le calibre le plus grand, puis on choisit le calibre le mieux adapté.

Réglage de l’alimentation ajustable :

À l’aide du multimètre ainsi configuré, on propose dans un premier temps de régler la tension de l’alimentation ajustable sur 9 V.

-  Brancher le voltmètre aux bornes de l’alimentation ajustable :

la borne P (borne positive) est reliée à la borne V du voltmètre et

la borne N (noire du générateur) est reliée à la borne COM du voltmètre.

-  Ajuster la valeur de la tension sur 9 V (interrupteur ouvert).

e)- Les mesures :

Interrupteur K ouvert (circuit ouvert) : 

À l’aide du voltmètre, mesurer les tensions suivantes et compléter le tableau I en prenant la première ligne comme modèle :

Tension aux bornes du générateur

UPN = 9,0 V

Tension aux bornes d’un C.O

UCD = 0,0 V

Tension aux bornes d’un fil

UPA = 0,0 V

Tension aux bornes d’un fil

UDE = 0,0 V.

Tension aux bornes de l’interrupteur

UAB  = 9,0 V

Tension aux bornes de la lampe

UEF = 0,0 V

Tension aux bornes d’un fil

UBC = 0,0 V

Tension aux bornes d’un fil

UFN = 0,0 V

Interrupteur K fermé (circuit fermé) : 

À l’aide du voltmètre, mesurer les tensions suivantes et compléter le tableau II en prenant la première ligne comme modèle :

Tension aux bornes du générateur

UPN = 9,0 V

Tension aux bornes d’un C.O

UCD = 1,51 V

Tension aux bornes d’un fil

UPA = 0,4 mV

Tension aux bornes d’un fil

UDE = 0,7 mV

Tension aux bornes de l’interrupteur

UAB = 0,6 mV

Tension aux bornes de la lampe

UEF = 7,64 V

Tension aux bornes d’un fil

UBC = 0,2 mV

Tension aux bornes d’un fil

UFN = 1,5 mV

f)-  Conclusions :

  La tension est pratiquement  nulle  aux bornes d’un fil de

connexion (d’un conducteur).

  Lorsque la tension entre deux points est  nulle, on dit que ces

deux points sont dans le même état électrique ou qu’ils sont au 

même potentiel.

-     C’est le cas des points P et A,  B, C, D, E, F et N lorsque

l’interrupteur K est ouvert.

-     C’est le cas des points P, A, B, C, des points D, E et des points  F

et N lorsque l’interrupteur K est fermé.

  Lorsque la tension entre deux points n’est pas  nulle  ,on dit que

 ces deux points ne sont pas dans le même état électrique ou qu’ils ne

 sont pas au même potentiel.

-          C’est le cas des points P, N et des points A et B lorsque

 l’interrupteur K est ouvert.

-          C’est le cas des points P, N, puis des points C, D et des points

 E, F lorsque l’interrupteur K est fermé.

g)- Propriétés de la tension.

Propriété 1.

Mesurer les tensions et compléter le tableau :

Circuit ouvert

UAB    

=

9,00 V

UBA

=

9,00 V

Circuit fermé

UCD    

=

7,64 V

UDC

=

7,64 V

 

 La tension est une grandeur  positive, négative ou nulle.

La tension est une grandeur algébrique.

Propriété 2 :

-  La tension est représentée par un segment fléché placé à côté du circuit :

le talon part du point qui figure en deuxième position en indice et

la pointe arrive au premier point situé en indice.

-  Exemple :

Compléter la figure 1 en faisant apparaître UPN, UCD, UEF.

 Première loi des tensions.

-  Représenter la portion de circuit CF (qui ne comprend pas de générateur).

  

Représenter les tensions UCF, UCD , UEF.

Pourquoi ne demande-t-on pas la tension UDE ?

Mesurer les tensions (circuit fermé) et compléter le tableau suivant :

Tension aux bornes de l'association série 

U CF

=

9,0 V

Tension aux bornes du conducteur ohmique 

U CD

=

1,2 V

Tension aux bornes de la lampe 

U EF

=

7,8 V

-  Quelle relation entre ces tensions peut-on écrire au vu des mesures ?

-  Conclure à l’aide d’une phrase :

  La tension aux bornes de l'association série

(lampe et conducteur ohmique) est égale

à la somme des tensions aux bornes de chaque appareil.

h)- Pour aller plus loin : 

Notion de potentiel d’un point. Notion de masse.

 Définitions.

-  Un voltmètre ne mesure que la différence de potentiel entre deux points d’un circuit.

Il ne nous renseigne pas sur la valeur du potentiel du point A et du point B.

-  De même la mesure de la différence de niveaux ou de la dénivellation ne nous renseigne pas sur la valeur de l’altitude du point A ou du point B.

-  Pour connaître l’altitude d’un point au voisinage de la Terre, on choisit un niveau de référence auquel on donne l’altitude zéro.

Souvent, ne niveau de référence est le niveau de la mer.

-  De même, le potentiel électrique d’un point du circuit n’est défini que par rapport à un niveau de référence.

-  Pour connaître le potentiel électrique d’un point d’un circuit, il faut choisir un point du circuit comme référence.

-  On écrit : UAB  = VA – VB : V A est le potentiel du point A et VB est le potentiel du point B. L’unité est le volt.

-  Si on choisit le point B comme référence, alors VB = 0 V et UAB  = VA – 0  =>  UAB  = VA .

-  Dans ce cas, on dit aussi que le point B du circuit est la masse du montage.

-  Remarque : le point de référence est choisi de façon arbitraire. Il faut toujours spécifier la masse sur un montage.

-  Symbole de la masse :

i)-  Mesure du potentiel d’un point du circuit.

Mesurer les tensions UPN, UCN, UEN, UFN (interrupteur K fermé).

On choisit le point N comme référence, on dit également que N est la masse du montage.

Donner les potentiels des points P, C, E, F et N du circuit.

VP

VC

VE

VF

VN

  9,0 V

 9,0 V

  7,8 V

0,0 V

0,0 V 

-  Lors d’une mesure de tension (différence de potentiel) par rapport à la masse, la borne ‘’COM’’ du voltmètre est reliée à la masse.

La valeur mesurée donne le potentiel du premier point en indice.

-  Exercice :

Vérifier les valeurs des potentiels, des points P, C, E, F, N,  à l’aide du tableau II, des propriétés et des lois de la tension.

 

2)- Mesure de l’intensité dans un circuit série.

a)- But :

mesurer l’intensité du courant en différents points d’un circuit série.

b)- Montage :

On utilise le même montage de la figure 1.

c)- Préparation :

-  Un ampèremètre se branche en série.

Il faut respecter les polarités et commencer avec le calibre le plus grand.

La borne (mA ou A) est la borne d'entrée du courant et la borne (COM) est la borne de…………….

Configurer le multimètre (jaune) pour mesurer une intensité inférieure ou égale à 400 mA. Indiquer les étapes suivies :

-  Étape 1 : fil rouge à la borne mA et fil noir à la borne COM

-  Étape 2 : choisir le plus grand calibre et brancher l'ampèremètre en série (on enlève un fil du circuit)

-  Étape 3 : Sélectionner le calibre le mieux adapté et effectuer la lecture.

d)- Les mesures :

Mesure 1

L’ampèremètre est placé entre les points F et N 

I1 = 72 mA

Mesure 2

L’ampèremètre est placé entre les points D et E 

I2 = 72 mA

Mesure 3

L’ampèremètre est placé entre les points B et C 

I3 = 72 mA

Mesure 4

L’ampèremètre est placé entre les points P et A 

I4 = 72 mA

e)-     Conclusion :

  L’intensité est la même en tous points d’un circuit série.  

IV- Circuit avec dérivation.

1)- Définitions.

a)- Nœud d’un circuit électrique.

-  On appelle nœud d’un circuit électrique un point du circuit où arrive plus de deux conducteurs.

b)- Branche d’un circuit électrique.

-  On appelle branche d’un circuit, une portion de circuit située entre deux nœuds.

2)- Mesure de tensions dans un circuit avec dérivation.

a)- Repérer  sur la figure 2 les nœuds et les branches du circuit électrique.

b)- Montage :

Réaliser le montage schématisé ci-dessous (Figure 2) (interrupteur ouvert), puis le faire vérifier.

-  Informations :

P est la borne positive du générateur de tension (alimentation ajustable 0 V – 12 V)

R1 est un conducteur ohmique de protection (18 Ω  - 1 W).

R2 est un conducteur ohmique (33 Ω - 1 W) 

K est un interrupteur

L est une lampe (12 V – 100 mA).

Réglage de l’alimentation ajustable :

À l’aide du multimètre noir, on propose dans un premier temps de régler la tension de l’alimentation ajustable sur 6,0 V.

-  Brancher le voltmètre aux bornes de l’alimentation ajustable :

la borne P (borne positive) est reliée à la borne V du voltmètre et

la borne N (noire du générateur) est reliée à la borne COM du voltmètre.

-  Ajuster la valeur de la tension sur 6,0 V  (interrupteur ouvert).

c)- Les mesures :

Interrupteur K fermé (circuit fermé) :

-  À l’aide du voltmètre, mesurer les tensions suivantes et compléter le tableau en prenant la première ligne comme modèle :

Tension aux bornes du générateur

UPN = 6,0 V

Tension aux bornes de R2

UHI = 3,17 V

Tension aux bornes de la lampe

UFG = 3,16 V

Tension aux bornes de la dérivation

UEJ 3,17 V

d)- Conclusions :

 La lampe et le conducteur ohmique de résistance R2 sont branchés en dérivation.

 La tension est  la même aux bornes d’appareils branchés en dérivation.

3)- Mesure de l’intensité dans un circuit avec dérivation.

a)- Montage : idem (Figure 2) (interrupteur ouvert). L’alimentation ajustable est réglée sur 6,0 V (à vérifier avec le voltmètre entre chaque mesure).

b)- Les mesures :

Mesure 1

L’ampèremètre est placé entre les points P et A 

I1 = 142,3 mA

Mesure 2

L’ampèremètre est placé entre les points E et F 

I2 = 44,1 mA

Mesure 3

L’ampèremètre est placé entre les points E et H 

I3 = 99,3 mA

-  En déduire une relation simple entre I1, I2 et I3 :

I1    I2  +   I3

c)- Conclusion :

  L’intensité du courant dans la branche principale est égale

à la somme des intensités dans les branches dérivées.

  Généralisation : loi des nœuds.  

-  La somme des intensités des courant qui arrivent à un nœud est égale

à la somme des intensités des courants qui partent du nœud.

-  On écrit : ∑ Ia = ∑ Ip