Analyse d’un circuit électrique en série

Analyse d’un Circuit Électrique en Série

Le Circuit des Lampes en Série : Analyse et Calculs

Comprendre comment l'électricité se partage !

Dans un circuit électrique, les composants peuvent être branchés de différentes manières. L'une des plus simples est le branchement en série, où les composants sont placés les uns à la suite des autres, formant une seule boucle pour le passage du courant. Dans ce type de circuit, le courant qui traverse chaque composant est le même, mais la tension fournie par le générateur se répartit entre eux. Nous allons analyser un circuit en série simple pour comprendre comment calculer la résistance totale, l'intensité du courant et les tensions aux bornes de chaque composant, en utilisant la fameuse loi d'Ohm.

Le Montage de Léo et Inès

Léo et Inès réalisent un montage électrique simple en classe. Ils utilisent un générateur, un interrupteur et deux lampes qu'ils considèrent comme des résistors.

Données du circuit :

  • Tension aux bornes du générateur (\(U_G\)) : \(6 \, \text{Volts (V)}\).
  • Résistance de la Lampe 1 (\(R_1\)) : \(10 \, \text{Ohms } (\Omega)\).
  • Résistance de la Lampe 2 (\(R_2\)) : \(20 \, \Omega\).
  • L'interrupteur est fermé.
Schéma du circuit électrique en série
- + G (6V) K (fermé) L₁ (R₁=10Ω) L₂ (R₂=20Ω) Circuit avec deux lampes en série

Les lampes L₁ et L₂ sont branchées en série avec le générateur et l'interrupteur.


Questions à traiter

  1. Identifie les différents dipôles présents dans ce circuit et décris brièvement le rôle de chacun.
  2. Les lampes L₁ et L₂ sont branchées en série. Comment calcule-t-on la résistance équivalente (\(R_{eq}\)) d'un ensemble de résistors branchés en série ? Calcule \(R_{eq}\) pour ce circuit.
  3. Rappelle la loi d'Ohm pour un résistor. En utilisant cette loi pour l'ensemble du circuit (avec \(U_G\) et \(R_{eq}\)), calcule l'intensité du courant total (\(I\)) qui traverse le circuit. Exprime le résultat en Ampères (A).
  4. Dans un circuit en série, comment est l'intensité du courant qui traverse chaque dipôle par rapport à l'intensité du courant total ?
  5. Calcule la tension (\(U_1\)) aux bornes de la Lampe 1 et la tension (\(U_2\)) aux bornes de la Lampe 2, en utilisant la loi d'Ohm pour chaque lampe.
  6. Vérifie la loi d'additivité des tensions dans un circuit en série. Que constates-tu en additionnant \(U_1\) et \(U_2\) ? Compare cette somme à la tension du générateur \(U_G\).
  7. Que se passerait-il si le filament de la Lampe 1 grillait (ce qui équivaut à une coupure dans le circuit à cet endroit) ? La Lampe 2 continuerait-elle de briller ? Explique.

Correction : Le Circuit Mystère de Léo et Inès

Question 1 : Identification et rôle des dipôles

Réponse :
  • Générateur (G) : Fournit l'énergie électrique au circuit, crée une tension électrique.
  • Interrupteur (K) : Permet d'ouvrir ou de fermer le circuit, c'est-à-dire de laisser passer ou d'interrompre le courant.
  • Lampe 1 (L₁) : C'est un récepteur qui transforme l'énergie électrique en lumière (et en chaleur). Elle possède une résistance électrique \(R_1\).
  • Lampe 2 (L₂) : C'est aussi un récepteur avec les mêmes fonctions que L₁. Elle possède une résistance électrique \(R_2\).
  • Fils de connexion : Permettent au courant électrique de circuler entre les différents dipôles.

Question 2 : Résistance équivalente (\(R_{eq}\))

Principe :

Dans un circuit en série, la résistance équivalente (ou totale) est la somme des résistances individuelles.

Formule :
\[ R_{eq} = R_1 + R_2 \]
Données :
  • \(R_1 = 10 \, \Omega\)
  • \(R_2 = 20 \, \Omega\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} R_{eq} &= 10 \, \Omega + 20 \, \Omega \\ &= 30 \, \Omega \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La résistance équivalente du circuit est de \(30 \, \Omega\).

Question 3 : Intensité du courant total (\(I\))

Loi d'Ohm :

La loi d'Ohm pour un résistor s'écrit \(U = R \times I\), où \(U\) est la tension à ses bornes, \(R\) sa résistance, et \(I\) l'intensité du courant qui le traverse.

Pour l'ensemble du circuit, on peut l'appliquer avec la tension du générateur (\(U_G\)) et la résistance équivalente (\(R_{eq}\)) pour trouver l'intensité totale (\(I\)) : \(U_G = R_{eq} \times I\).

Donc, \(I = U_G / R_{eq}\).

Données :
  • \(U_G = 6 \, \text{V}\)
  • \(R_{eq} = 30 \, \Omega\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} I &= \frac{U_G}{R_{eq}} \\ &= \frac{6 \, \text{V}}{30 \, \Omega} \\ &= 0,2 \, \text{A} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : L'intensité du courant total qui traverse le circuit est de \(0,2 \, \text{A}\).

Question 4 : Intensité du courant dans chaque dipôle

Réponse :

Dans un circuit en série, l'intensité du courant est la même en tout point du circuit. Le courant n'a qu'un seul chemin possible.

Donc, l'intensité du courant qui traverse la Lampe 1 (\(I_1\)) et la Lampe 2 (\(I_2\)) est égale à l'intensité du courant total (\(I\)) :

\[ I_1 = I_2 = I = 0,2 \, \text{A} \]

Quiz Intermédiaire 1 : Dans un circuit où plusieurs lampes sont branchées en série :

Question 5 : Tensions aux bornes des lampes

Calcul pour la Lampe 1 (\(U_1\)) :
  • \(R_1 = 10 \, \Omega\)
  • \(I_1 = 0,2 \, \text{A}\)
\[ \begin{aligned} U_1 &= R_1 \times I_1 \\ &= 10 \, \Omega \times 0,2 \, \text{A} \\ &= 2 \, \text{V} \end{aligned} \]
Calcul pour la Lampe 2 (\(U_2\)) :
  • \(R_2 = 20 \, \Omega\)
  • \(I_2 = 0,2 \, \text{A}\)
\[ \begin{aligned} U_2 &= R_2 \times I_2 \\ &= 20 \, \Omega \times 0,2 \, \text{A} \\ &= 4 \, \text{V} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : La tension aux bornes de la Lampe 1 est \(U_1 = 2 \, \text{V}\) et la tension aux bornes de la Lampe 2 est \(U_2 = 4 \, \text{V}\).

Question 6 : Vérification de la loi d'additivité des tensions

Principe :

Dans un circuit en série, la somme des tensions aux bornes des différents récepteurs (ici, les lampes) est égale à la tension aux bornes du générateur.

Vérification :
\[ U_1 + U_2 = 2 \, \text{V} + 4 \, \text{V} = 6 \, \text{V} \]

On constate que \(U_1 + U_2 = 6 \, \text{V}\), ce qui est égal à la tension du générateur \(U_G = 6 \, \text{V}\).

La loi d'additivité des tensions est bien vérifiée : \(U_G = U_1 + U_2\).

Question 7 : Si la Lampe 1 grille

Réponse :

Si le filament de la Lampe 1 grille, cela crée une coupure dans le circuit. Dans un circuit en série, s'il y a une coupure en un point quelconque, le courant ne peut plus circuler dans toute la boucle.

Par conséquent, si la Lampe 1 grille, la Lampe 2 s'éteindra également, car le circuit sera ouvert et aucun courant ne pourra la traverser.

Quiz Intermédiaire 2 : La loi d'Ohm s'écrit :


Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Dans un circuit en série, si on ajoute une résistance supplémentaire, la résistance équivalente du circuit :

2. L'unité de la résistance électrique est :

3. Si la tension aux bornes d'un résistor de \(5 \, \Omega\) est de \(10 \, \text{V}\), l'intensité du courant qui le traverse est de :


Glossaire

Circuit en Série
Montage électrique où les dipôles sont branchés les uns à la suite des autres, formant une seule boucle pour le courant.
Dipôle
Composant électrique possédant deux bornes (exemples : pile, lampe, résistor, interrupteur).
Générateur
Dipôle qui fournit l'énergie électrique au circuit (ex: pile, batterie).
Récepteur
Dipôle qui reçoit l'énergie électrique et la transforme en une autre forme d'énergie (ex: lampe, moteur, résistor).
Tension Électrique (U)
Différence de potentiel électrique entre deux points d'un circuit. Elle se mesure en Volts (V).
Intensité du Courant (I)
Quantité d'électricité (nombre de charges) qui traverse une section du circuit par unité de temps. Elle se mesure en Ampères (A).
Résistance Électrique (R)
Propriété d'un matériau à s'opposer au passage du courant électrique. Elle se mesure en Ohms (\(\Omega\)).
Résistor (ou Conducteur Ohmique)
Dipôle dont la principale caractéristique est sa résistance électrique.
Loi d'Ohm
Relation entre la tension (\(U\)) aux bornes d'un résistor, sa résistance (\(R\)) et l'intensité du courant (\(I\)) qui le traverse : \(U = R \times I\).
Résistance Équivalente (\(R_{eq}\))
Résistance unique qui aurait le même effet que l'ensemble des résistors du circuit. En série, \(R_{eq} = R_1 + R_2 + \dots\)
Loi d'Additivité des Tensions
Dans un circuit en série, la tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions aux bornes des autres dipôles.
Loi d'Unicité de l'Intensité
Dans un circuit en série, l'intensité du courant est la même en tout point du circuit.
Analyse d’un Circuit Électrique en Série - Exercice d'Application

D’autres exercices de courant continu:

L’effet Doppler (introduction qualitative)
L’effet Doppler (introduction qualitative)

Physique : L'Effet Doppler (Introduction Qualitative) L'effet Doppler (introduction qualitative) Contexte : Le Son qui Change de "Voix" Vous avez tous déjà entendu le son d'une ambulance : la sirène semble plus aiguë lorsqu'elle s'approche, puis devient soudainement...

Propagation d’un signal : vitesse et retard
Propagation d’un signal : vitesse et retard

Physique : Propagation d'un Signal, Vitesse et Retard Propagation d'un signal : vitesse et retard Contexte : "Houston, on a un décalage !" Lorsque nous communiquons à distance, l'information est transportée par un signalPhénomène physique (onde, courant électrique)...

Caractéristiques d’une tension alternative
Caractéristiques d’une tension alternative

Physique : Caractéristiques d'une Tension Alternative Périodique Caractéristiques d'une tension alternative Contexte : Visualiser l'Invisible La tension électrique délivrée par les prises de courant n'est pas constante : elle varie au cours du temps. C'est une tension...

Production de l’électricité
Production de l’électricité

Physique : Production de l'électricité, Alternateurs et Centrales Électriques Production de l'électricité : alternateurs et centrales électriques Contexte : D'où Vient l'Électricité ? L'électricité qui arrive jusqu'à nos prises n'apparaît pas par magie. Elle est...

L’énergie électrique consommée
L’énergie électrique consommée

Physique : L'Énergie Électrique Consommée, Lecture d'une Facture L'énergie électrique consommée : lecture d'une facture Contexte : Décrypter sa Facture d'Électricité Chaque mois ou chaque bimestre, nous recevons une facture d'électricité. Ce document, parfois...

Sources d’énergie et leurs impacts
Sources d’énergie et leurs impacts

Physique : Les Sources d'Énergie et Leurs Impacts Environnementaux Les différentes sources d'énergie et leurs impacts environnementaux Contexte : Nos Besoins en Énergie et l'Avenir de la Planète Toutes nos activités quotidiennes, de l'éclairage de nos maisons au...

Conservation et conversion de l’énergie
Conservation et conversion de l’énergie

Physique : Conservation et Conversion de l'Énergie Mécanique (Chute Libre) Conservation et conversion de l'énergie mécanique (chute libre simple) Contexte : L'Énergie ne se Perd pas, Elle se Transforme Lorsqu'un objet tombe, sa vitesse augmente. Il gagne donc de...

L’Énergie Potentielle de Position
L’Énergie Potentielle de Position

Exercice : Énergie Potentielle de Position L'Énergie Potentielle de Position Contexte : L'Énergie stockée grâce à l'Altitude En physique, l'énergie potentielle de positionÉnergie qu'un objet possède en raison de sa position dans un champ de gravité. Elle dépend de sa...

L’énergie du mouvement
L’énergie du mouvement

Exercice : L'Énergie Cinétique L'énergie cinétique : l'énergie du mouvement Comprendre : L'énergie du Mouvement Tout objet en mouvement possède une forme d'énergie appelée énergie cinétiqueÉnergie que possède un corps du fait de son mouvement. Elle dépend de sa masse...

Attraction entre les Masses
Attraction entre les Masses

Exercice : La Gravitation Universelle La Gravitation Universelle : l'Attraction entre les Masses Comprendre : la loi de Newton Au 17ème siècle, Isaac Newton a formulé la loi de la gravitation universelle, l'une des lois les plus fondamentales de la physique. Elle...

L’Univers et le Système Solaire
L’Univers et le Système Solaire

L'Univers et le Système Solaire : Échelles et Distances L'Univers et le Système Solaire : Échelles et Distances Comprendre les échelles de l'Univers L'Univers est si vaste que les unités de mesure que nous utilisons sur Terre, comme le kilomètre, deviennent rapidement...

Étude du Poids et de la Masse
Étude du Poids et de la Masse

Poids et Masse : Quelle Différence sur la Balance et dans l'Espace ? Poids et Masse : Quelle Différence sur la Balance et dans l'Espace ? "Je pèse 50 kilos !" Est-ce vraiment correct de dire cela ? Explorons la différence entre poids et masse ! Dans la vie de tous les...

Analyse du Mouvement d’un Kart en Course
Analyse du Mouvement d’un Kart en Course

Analyse du Mouvement d’un Kart en Course Le Grand Prix de Karting : Analyse de Vitesse et d'Accélération Vitesse, accélération : les secrets d'un pilote de kart ! Lors d'une course de karting, les pilotes ne roulent pas toujours à la même vitesse. Ils accélèrent en...

Calcul de la Masse Volumique du Plastique
Calcul de la Masse Volumique du Plastique

Calcul de la Masse Volumique du Plastique Le Plastique Mystère : À la Découverte de sa Masse Volumique Identifier les plastiques : une question de "lourdeur" pour leur taille ! Les plastiques sont partout autour de nous : bouteilles, jouets, emballages... Mais...

Mouvement d’un skateboarder dans un parc
Mouvement d’un skateboarder dans un parc

Mouvement d’un Skateboarder dans un Parc Figures de Skate : Vitesse et Énergie en Jeu ! Du haut de la rampe au saut : la physique du skate ! Le skateboard est un sport qui combine équilibre, agilité et... physique ! Lorsqu'un skateboarder s'élance sur une rampe,...

Étude d’un Son Musical
Étude d’un Son Musical

Le Son Musical : Fréquence, Période et Longueur d'Onde ! Le Son Musical : Fréquence, Période et Longueur d'Onde ! La musique, c'est de la physique qui fait vibrer nos oreilles ! Un son musical est produit par la vibration d'un objet, comme une corde de guitare, une...

Calcul de la Force de Pesanteur
Calcul de la Force de Pesanteur

Calcul de la Force de Pesanteur La Force qui nous Attire : Calculons le Poids ! Masse et Poids : Deux notions à ne pas confondre ! Dans la vie de tous les jours, on utilise souvent le mot "poids" pour parler de la "lourdeur" d'un objet, que l'on mesure en kilogrammes...

Calcul de l’Intensité dans un Circuit
Calcul de l’Intensité dans un Circuit

Le Courant Électrique : Mesures et Calculs d'Intensité ! Le Courant Électrique : Mesures et Calculs d'Intensité ! L'électricité qui circule, c'est comme une rivière invisible ! L'intensité du courant électrique (\(I\)) nous indique le "débit" des charges électriques...

Choix de Matériaux pour un Drone
Choix de Matériaux pour un Drone

Choix de Matériaux pour un Drone Le Drone Parfait : Choisir les Bons Matériaux Construire un drone : une question de légèreté et de solidité ! Les drones sont des engins volants de plus en plus populaires. Pour qu'un drone vole bien, longtemps, et qu'il soit...

Analyse de Force sur un Parcours Ascendant
Analyse de Force sur un Parcours Ascendant

Analyse de Force sur un Parcours Ascendant Monter la Pente : Quelles Forces sont en Jeu ? L'effort de la montée : une question de forces ! Lorsque tu montes une côte à vélo, que tu tires une valise sur une rampe, ou même que tu grimpes un escalier, tu dois fournir un...

Caractéristiques d’une tension alternative
Caractéristiques d’une tension alternative

Physique : Caractéristiques d'une Tension Alternative Périodique Caractéristiques d'une tension alternative Contexte : Visualiser l'Invisible La tension électrique délivrée par les prises de courant n'est pas constante : elle varie au cours du temps. C'est une tension...

Production de l’électricité
Production de l’électricité

Physique : Production de l'électricité, Alternateurs et Centrales Électriques Production de l'électricité : alternateurs et centrales électriques Contexte : D'où Vient l'Électricité ? L'électricité qui arrive jusqu'à nos prises n'apparaît pas par magie. Elle est...

L’énergie électrique consommée
L’énergie électrique consommée

Physique : L'Énergie Électrique Consommée, Lecture d'une Facture L'énergie électrique consommée : lecture d'une facture Contexte : Décrypter sa Facture d'Électricité Chaque mois ou chaque bimestre, nous recevons une facture d'électricité. Ce document, parfois...

Sources d’énergie et leurs impacts
Sources d’énergie et leurs impacts

Physique : Les Sources d'Énergie et Leurs Impacts Environnementaux Les différentes sources d'énergie et leurs impacts environnementaux Contexte : Nos Besoins en Énergie et l'Avenir de la Planète Toutes nos activités quotidiennes, de l'éclairage de nos maisons au...

Conservation et conversion de l’énergie
Conservation et conversion de l’énergie

Physique : Conservation et Conversion de l'Énergie Mécanique (Chute Libre) Conservation et conversion de l'énergie mécanique (chute libre simple) Contexte : L'Énergie ne se Perd pas, Elle se Transforme Lorsqu'un objet tombe, sa vitesse augmente. Il gagne donc de...

L’Énergie Potentielle de Position
L’Énergie Potentielle de Position

Exercice : Énergie Potentielle de Position L'Énergie Potentielle de Position Contexte : L'Énergie stockée grâce à l'Altitude En physique, l'énergie potentielle de positionÉnergie qu'un objet possède en raison de sa position dans un champ de gravité. Elle dépend de sa...

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *