Les circuits électriques simples

Prends une lampe de poche. À l'intérieur, il y a une pile, une petite ampoule, un interrupteur et des fils. Quand tu appuies sur le bouton, la lampe s'allume. Quand tu relâches, elle s'éteint. Cette leçon explique pourquoi.

Chacun de ces objets s'appelle un dipôle : un composant électrique qui possède exactement deux bornes, c'est-à-dire deux endroits où l'on peut brancher un fil. La pile est un dipôle, la lampe est un dipôle, l'interrupteur aussi.

Un circuit électrique est un ensemble de dipôles reliés par des fils. Pour que la lampe brille, il faut que les fils forment une boucle complète, qui part d'une borne de la pile et revient à l'autre borne de la pile.

La règle la plus importante de la leçon. Le courant électrique ne passe que dans un circuit fermé, c'est-à-dire une boucle sans aucune coupure. Dans une boucle unique alimentée en continu, une coupure interrompt le courant dans toute cette boucle une fois le régime établi. Dans un circuit à plusieurs branches, une coupure locale peut laisser les autres branches fonctionner.

Une coupure peut venir de trois choses, et il faut savoir les reconnaître toutes les trois :

1. un interrupteur ouvert ;
2. un fil débranché ou cassé ;
3. une lampe dévissée, ou dont le filament est grillé.

Dans les trois cas, c'est la même histoire : la boucle n'est plus complète.

Deux rôles différents dans un circuit. La pile est un générateur : c'est le dipôle qui fournit l'énergie électrique au circuit. La lampe et le moteur sont des récepteurs : ce sont les dipôles qui reçoivent cette énergie et la transforment en autre chose, en lumière pour la lampe, en mouvement pour le moteur. Un circuit a besoin d'au moins un générateur ; sans lui, rien ne se passe.

Dans quel sens circule le courant ? Les scientifiques se sont mis d'accord sur une convention : à l'extérieur du générateur, le sens conventionnel du courant va de la borne plus (+) vers la borne moins (−). C'est un choix ancien, fait avant que l'on sache ce qui circule réellement dans les fils. Il est le même pour tout le monde, partout, et c'est ce qui compte.

Une idée fausse à écarter tout de suite. Le courant ne s'use pas en traversant une lampe. Il ne part pas de la pile pour être « consommé » par la lampe. Ce qui se transforme dans la lampe, c'est l'énergie, pas le courant. Dans la leçon suivante, tu pourras le mesurer : le courant est exactement le même juste avant et juste après la lampe.

Ce qui laisse passer le courant, et ce qui l'arrête. Un conducteur est un matériau qui laisse passer le courant électrique : tous les métaux le sont, comme le cuivre, le fer ou l'aluminium. Un isolant est un matériau qui ne le laisse pas passer : le plastique, le verre, le bois sec, le caoutchouc. C'est pour cela qu'un fil électrique est fait de cuivre à l'intérieur et de plastique à l'extérieur.

On étudie ici deux montages simples de plusieurs dipôles, avec une source de tension adaptée aux lampes et des fils de résistance négligeable. Elles ne se ressemblent pas du tout, et savoir les distinguer est le cœur du chapitre.

Le montage en série : une seule boucle. Les dipôles sont placés les uns à la suite des autres, sur une boucle unique. Le courant n'a qu'un seul chemin possible : il traverse tous les dipôles, l'un après l'autre.

Trois conséquences se déduisent de cette phrase, sans rien apprendre par cœur :

1. Si l'on dévisse une lampe, toutes les autres s'éteignent : la boucle unique est coupée, et il n'existe aucun autre chemin.
2. À tension du générateur maintenue, ajouter des lampes à filament identiques en série réduit leur éclat dans ce modèle. La tension se répartit entre elles.
3. L'ordre des dipôles sur la boucle n'a aucune importance : mettre l'interrupteur avant ou après la lampe donne exactement le même comportement.

Le montage en dérivation : plusieurs branches. Les dipôles sont placés chacun sur sa propre branche, entre les deux mêmes bornes du générateur. Le courant a alors plusieurs chemins possibles, et il se partage entre eux. Les points où les branches se séparent, puis se rejoignent, s'appellent des nœuds.

Les conséquences sont, cette fois, presque à l'opposé :

1. Si l'on dévisse une lampe, les autres continuent de briller : leur branche à elles n'a pas été coupée.
2. Ajouter une lampe sur une nouvelle branche ne change presque rien à l'éclat des autres.
3. Chaque branche peut être commandée séparément.

Où placer l'interrupteur ? La question qui change tout. En série, elle ne se pose pas : l'interrupteur est sur la boucle unique, donc il coupe le circuit entier. En dérivation, tout dépend de l'endroit :

• sur la branche principale, juste à la sortie du générateur, il coupe toutes les branches à la fois ;
• sur une seule branche, il ne coupe que la lampe de cette branche, et les autres restent allumées.

C'est exactement ce que fait l'installation électrique d’un logement. Toutes les lampes y sont montées en dérivation, chacune avec son propre interrupteur : c'est pourquoi on peut éteindre la cuisine sans éteindre la chambre. En série, il faudrait tout éteindre à la fois, et chaque lampe supplémentaire affaiblirait toutes les autres.

Le court-circuit. On appelle court-circuit le fait de relier les deux bornes d'un dipôle par un simple fil, c'est-à-dire d'offrir au courant un chemin sans aucun récepteur. Le courant passe alors presque entièrement par ce fil, parce que c'est le chemin le plus facile.

Court-circuiter une lampe montée en série avec d'autres : cette lampe s'éteint, puisque le courant passe désormais par le fil au lieu de la traverser. Les autres lampes de la boucle, elles, brillent plus fort qu'avant.

Court-circuiter le générateur est tout autre chose, et c'est dangereux. Un fil relié directement d'une borne à l'autre de la pile ne contient aucun récepteur : un fort courant, un échauffement ou des dommages peuvent survenir, selon la résistance interne de la pile et les protections. Pour étudier ce défaut, on quitte le modèle de source idéale maintenant sa tension : une pile réelle peut voir sa tension chuter fortement, et les lampes s’éteindre. La durée de décharge dépend de la pile et du circuit ; elle n’est pas à prévoir par cette règle. Cela ne se fait jamais volontairement.

Attention, un piège vient précisément d'ici. En dérivation, chaque lampe est déjà branchée entre les deux bornes du générateur. Relier les deux bornes de cette lampe par un fil revient donc à relier les deux bornes du générateur : ce n'est pas le court-circuit d'une lampe, c'est le court-circuit de la pile. On ne peut pas conclure « cette lampe s’éteint et les autres continuent normalement » : le défaut touche la pile entière. Dans le modèle d’une pile réelle à résistance interne avec un fil de court-circuit de résistance négligeable, la tension aux bornes des lampes s’effondre et elles s’éteignent ; un échauffement est un risque, non une conséquence chiffrable sans autre donnée. La conclusion du montage en série ne se transporte donc pas telle quelle en dérivation, et c'est l'erreur la plus coûteuse du chapitre.

On réalise un montage comprenant deux lampes montées chacune sur sa propre branche, entre les deux bornes de la pile, et un interrupteur placé sur la branche de la première lampe. L'interrupteur est fermé : les deux lampes brillent.

1. Ce montage est-il en série ou en dérivation ?

Il est en dérivation. La description le dit en toutes lettres : chaque lampe est sur sa propre branche. Le courant a donc deux chemins possibles entre les deux bornes de la pile, et il se partage entre eux. En série, il n'y aurait qu'une seule boucle, et la description parlerait de dipôles placés les uns à la suite des autres.

2. On ouvre l'interrupteur. Que se passe-t-il ?

L'interrupteur est sur la branche de la première lampe seulement. L'ouvrir coupe donc cette branche-là, et elle seule : la première lampe s'éteint. La branche de la seconde lampe n'a pas été touchée, sa boucle vers la pile reste complète, et la seconde lampe reste allumée.

Ce qu'il faut remarquer. Si le même interrupteur avait été placé sur la branche principale, juste à la sortie de la pile, la réponse aurait été l'inverse : les deux lampes se seraient éteintes. La place de l'interrupteur fait toute la réponse.

3. On referme l'interrupteur, puis on dévisse la seconde lampe. Que devient la première ?

Dévisser une lampe ouvre le circuit à l'endroit où elle se trouvait. Mais cet endroit est sur la seconde branche. La première branche, elle, forme toujours une boucle complète depuis la borne + de la pile jusqu'à la borne −. La première lampe continue donc de briller normalement.

Comparaison utile. Si les deux lampes avaient été montées en série, sur une seule boucle, dévisser l'une aurait éteint l'autre. C'est la différence la plus visible entre les deux montages, et le meilleur moyen de les reconnaître expérimentalement.

4. On revisse la lampe, puis on relie par un fil de cuivre les deux bornes de la seconde lampe. Que se passe-t-il ?

Attention : cette lampe est branchée entre les deux bornes de la pile. Relier ses deux bornes par un fil revient donc à relier les deux bornes de la pile. C’est un court-circuit du générateur. Avec la pile réelle à résistance interne et un fil de résistance négligeable supposés pour ce défaut, sa tension chute et les deux lampes s’éteignent. Le fort courant possible comporte un risque d’échauffement ou de dommages ; on interrompt la manipulation selon les consignes de classe.

La leçon de cette question. En série, court-circuiter une lampe l'éteint et laisse les autres briller plus fort. En dérivation, la même manipulation court-circuite la pile. Avant de conclure, on regarde toujours où le fil est posé, et pas seulement ce qu'il relie.

À gauche, les deux lampes sont sur une boucle unique : dévisser une lampe coupe le seul chemin et les éteint toutes deux. À droite, chaque lampe possède sa branche ; ouvrir l’interrupteur de L1 laisse intacte la boucle de L2.

Suis les fils plutôt que la forme du dessin pour distinguer les montages. Le bandeau rappelle le cas dangereux du court-circuit de la pile. Les schémas supposent des lampes adaptées et une source maintenant la tension dans les cas de fonctionnement normal ; ils ne décrivent pas tous les comportements possibles d’une source réelle.