Physique-Chimie (Spé) — Ondes et signaux
Les circuits électriques
Tension, intensité, loi d'Ohm, lois de Kirchhoff, puissance
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Un circuit électrique est un ensemble de composants reliés par des conducteurs permettant la circulation d'un courant. L'intensité I (en ampères, A) mesure le débit de charges : I = Q/t. La tension U (en volts, V) est la différence de potentiel entre deux points, c'est elle qui « pousse » les charges. La loi d'Ohm relie tension et intensité pour un conducteur ohmique (résistance) : U = R × I, où R est la résistance en ohms (Ω). En circuit série, l'intensité est la même partout et les tensions s'ajoutent (loi des mailles : ΣU = 0). En circuit parallèle (dérivation), la tension est la même aux bornes de chaque branche et les intensités s'ajoutent (loi des nœuds : ΣI entrant = ΣI sortant). La puissance électrique P = U × I (en watts). L'énergie consommée E = P × t (en joules, ou en kWh pour les factures). L'effet Joule est l'échauffement d'un conducteur par le passage du courant : P = R × I² (utilisé dans les radiateurs, grille-pains, mais c'est une perte dans les câbles de transport). Les associations de résistances en série (Rtot = R₁ + R₂) et en parallèle (1/Rtot = 1/R₁ + 1/R₂) permettent de simplifier les circuits complexes.
Tension, intensité et résistance sont les trois grandeurs fondamentales de l'électricité. La loi d'Ohm U = R × I les relie de manière simple et universelle pour tout conducteur ohmique.
- Intensité I : débit de charges, mesuré en ampères (A) avec un ampèremètre EN SÉRIE
- I = Q/t (Q = charge en coulombs, t = temps en secondes)
- Tension U : différence de potentiel, mesurée en volts (V) avec un voltmètre EN DÉRIVATION
- Loi d'Ohm : U = R × I pour un conducteur ohmique (résistance)
- R = U/I (en ohms Ω). Plus R est grande, plus le composant « résiste » au passage du courant
- Caractéristique d'un conducteur ohmique : droite passant par l'origine (U en fonction de I)
- La pente de cette droite = la résistance R
- Exemple : une résistance de 100 Ω traversée par 0,2 A → U = 100 × 0,2 = 20 V
Exemple
Un sèche-cheveux fonctionne sous 230 V et consomme 2 000 W. I = P/U = 2000/230 = 8,7 A. Résistance : R = U/I = 230/8,7 = 26,4 Ω. Vérification : P = U²/R = 230²/26,4 = 2 004 W ≈ 2 000 W.
Piège à éviter
L'ampèremètre se branche EN SÉRIE (il mesure le courant qui le traverse). Le voltmètre se branche EN DÉRIVATION (il mesure la différence de potentiel entre deux points). Inverser = court-circuit ou mesure erronée.
Les lois de Kirchhoff sont les deux règles fondamentales qui gouvernent tout circuit électrique : la loi des noeuds (conservation du courant) et la loi des mailles (conservation de la tension). Avec ces deux lois, on peut analyser n'importe quel circuit.
- Loi des nœuds (Kirchhoff 1) : la somme des intensités entrant dans un nœud = la somme des intensités sortant
- Conséquence : en circuit série, I est la même en tout point
- En dérivation : I_totale = I₁ + I₂ + ... (les courants se partagent)
- Loi des mailles (Kirchhoff 2) : la somme algébrique des tensions le long d'une maille fermée = 0
- Conséquence : en circuit série, U_générateur = U₁ + U₂ + ... (les tensions s'ajoutent)
- En dérivation : la tension est la MÊME aux bornes de chaque branche
- Exemple série : pile 9V, deux résistances → U₁ + U₂ = 9 V
- Exemple dérivation : pile 9V, deux branches → U₁ = U₂ = 9 V
Exemple
Circuit : pile 12 V, trois résistances en série R₁ = 100 Ω, R₂ = 200 Ω, R₃ = 300 Ω. Intensité : I = U/(R₁+R₂+R₃) = 12/600 = 0,02 A = 20 mA. Tensions : U₁ = R₁×I = 100 × 0,02 = 2 V, U₂ = 4 V, U₃ = 6 V. Vérification loi des mailles : 2 + 4 + 6 = 12 V.
Piège à éviter
En circuit série, c'est l'INTENSITÉ qui est la même partout (pas la tension). En circuit parallèle, c'est la TENSION qui est la même (pas l'intensité). Confondre les deux est l'erreur la plus courante en électricité.
Associer des résistances permet de créer la valeur souhaitée à partir de composants standards. En série, les résistances s'ajoutent. En parallèle, la résistance totale est toujours plus petite que la plus petite des résistances.
- En série : Rtot = R₁ + R₂ + R₃ + ... (les résistances s'additionnent)
- Exemple série : R₁ = 100 Ω et R₂ = 200 Ω → Rtot = 300 Ω
- En parallèle : 1/Rtot = 1/R₁ + 1/R₂ + ... (Rtot est toujours plus petite que la plus petite)
- Exemple parallèle : R₁ = 100 Ω et R₂ = 200 Ω → 1/Rtot = 1/100 + 1/200 = 3/200 → Rtot ≈ 66,7 Ω
- Cas particulier : deux résistances identiques R en parallèle → Rtot = R/2
- Diviseur de tension (série) : U₁ = U × R₁/(R₁+R₂) — très utilisé en électronique
- Diviseur de courant (parallèle) : I₁ = I × R₂/(R₁+R₂)
- Ces formules permettent de simplifier n'importe quel circuit à une résistance équivalente
Exemple
Diviseur de tension : pile 9 V, R₁ = 300 Ω et R₂ = 600 Ω en série. U₂ = U × R₂/(R₁+R₂) = 9 × 600/900 = 6 V. On récupère les 2/3 de la tension aux bornes de R₂. Ce montage est très utilisé pour adapter les tensions en électronique.
Piège à éviter
En parallèle, la résistance totale est toujours INFÉRIEURE à la plus petite des résistances individuelles. Si vous trouvez Rtot > R₁ ou Rtot > R₂, il y a une erreur dans votre calcul.
La puissance électrique P = U × I mesure l'énergie consommée par seconde. L'énergie E = P × t est ce qu'on paie sur la facture d'électricité, exprimée en kWh. L'effet Joule transforme cette énergie en chaleur.
- Puissance : P = U × I (en watts, W)
- Avec la loi d'Ohm : P = R × I² = U²/R (trois expressions équivalentes)
- L'énergie : E = P × t (en joules si t en secondes, en Wh si t en heures)
- 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J (unité des factures d'électricité)
- Exemple : un radiateur de 2 000 W pendant 3 h → E = 2 × 3 = 6 kWh
- Effet Joule : tout conducteur traversé par un courant s'échauffe (P = RI²)
- Utile : radiateur, grille-pain, fer à repasser, fusible
- Nuisible : échauffement des câbles électriques → pertes. Solution : augmenter la tension pour baisser I (lignes haute tension)
Exemple
Un radiateur de 2 000 W fonctionne 5 h par jour pendant 30 jours. Énergie : E = 2 × 5 × 30 = 300 kWh. Au tarif de 0,20 €/kWh : coût = 300 × 0,20 = 60 €. En passant par les joules : E = 2000 × 5 × 3600 × 30 = 1,08 × 10⁹ J = 1,08 GJ.
Piège à éviter
1 kWh ≠ 1 kW. Le kWh est une unité d'ÉNERGIE (puissance × temps), le kW est une unité de PUISSANCE. Sur une facture d'électricité, on paie des kWh, pas des kW. Ne pas les confondre.
Quiz - Circuits électriques
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Les circuits électriques, extraits du quiz de révision.
La loi d'Ohm s'écrit :
Réponse : U = R × I
U = R × I : la tension aux bornes d'un conducteur ohmique est proportionnelle à l'intensité.
En circuit série, l'intensité est :
Réponse : La même partout
En série, il n'y a qu'un seul chemin pour le courant → l'intensité est identique en tout point.
Deux résistances de 100 Ω en parallèle donnent une résistance totale de :
Réponse : 50 Ω
Deux résistances identiques R en parallèle : Rtot = R/2 = 100/2 = 50 Ω.
P = U × I. Un appareil sous 230 V consommant 2 A a une puissance de :
Réponse : 460 W
P = 230 × 2 = 460 W.