Le Circuit Série sous Tension : Calculs et Lois !
Une guirlande lumineuse, c'est un peu comme une équipe où chacun fait sa part !
Dans un circuit en série, les composants électriques (comme des ampoules ou des résistances) sont branchés les uns à la suite des autres, formant un seul chemin pour le courant. La tension fournie par la pile se répartit entre ces composants, tandis que l'intensité du courant reste la même partout. Comprendre ces lois est essentiel pour analyser et concevoir des circuits. Dans cet exercice, nous allons explorer comment la tension se partage dans une guirlande de Noël simplifiée. 💡🎄
La Guirlande Lumineuse d'Amélie
Schéma du Circuit de la Guirlande
Schéma du circuit électrique de la guirlande d'Amélie.
Questions à traiter
- Définis la tension électrique (\(U\)) et son unité. Définis l'intensité du courant électrique (\(I\)) et son unité.
- Lois du circuit série :
- Quelle est l'intensité du courant qui traverse la lampe L2 ? Et celle qui traverse la lampe L3 ? Justifie ta réponse en énonçant la loi correspondante.
- Énonce la loi d'additivité des tensions dans un circuit en série.
- Calcul des tensions :
- Sachant que les trois ampoules L1, L2 et L3 sont identiques et que \(U_1 = 3 \text{ V}\), quelles sont les valeurs des tensions \(U_2\) (aux bornes de L2) et \(U_3\) (aux bornes de L3) ? Justifie.
- Vérifie que la somme des tensions \(U_1 + U_2 + U_3\) est bien égale à la tension de la pile \(U_{\text{pile}}\).
- Utilisation de la Loi d'Ohm (\(U = R \times I\)) :
- Calcule la résistance \(R_1\) de l'ampoule L1.
- Quelle est la résistance de l'ampoule L2 (\(R_2\)) et de l'ampoule L3 (\(R_3\)) ?
- Calcule la résistance équivalente \(R_{\text{eq}}\) de l'ensemble des trois ampoules en série.
- En utilisant la tension totale de la pile et l'intensité totale du circuit, calcule à nouveau la résistance équivalente du circuit. Ce résultat confirme-t-il celui de la question 4c ?
- Si l'ampoule L2 grille (son filament se coupe) :
- Que se passe-t-il pour les autres ampoules L1 et L3 ? Pourquoi ?
- Quelle serait alors l'intensité du courant dans le circuit ?
Correction : Le Circuit Série sous Tension !
Question 1 : Tension et Intensité
Réponse :
La tension électrique (\(U\)) est une mesure de la différence de "niveau électrique" ou de "pression électrique" entre deux points d'un circuit. C'est elle qui met en mouvement les charges électriques. Son unité dans le Système International est le Volt (V).
L'intensité du courant électrique (\(I\)) est une mesure du débit des charges électriques, c'est-à-dire la quantité de charges qui traversent une section du circuit par unité de temps. Son unité dans le Système International est l'Ampère (A).
Question 2 : Lois du circuit série
Réponse a) Intensité dans L2 et L3 :
Dans un circuit en série, l'intensité du courant est la même en tout point du circuit. C'est la loi d'unicité de l'intensité.
Puisque l'intensité mesurée dans le circuit est \(I = 0,1 \text{ A}\), alors :
- L'intensité qui traverse la lampe L2 est \(I_2 = 0,1 \text{ A}\).
- L'intensité qui traverse la lampe L3 est \(I_3 = 0,1 \text{ A}\).
Réponse b) Loi d'additivité des tensions :
Dans un circuit en série, la tension aux bornes du générateur (la pile) est égale à la somme des tensions aux bornes des récepteurs (les ampoules ici) du circuit :
Question 3 : Calcul des tensions
Réponse a) Tensions \(U_2\) et \(U_3\) :
Les trois ampoules L1, L2 et L3 sont identiques et sont traversées par le même courant (car elles sont en série). Par conséquent, la tension à leurs bornes sera la même pour chacune.
Puisque \(U_1 = 3 \text{ V}\), et que les lampes sont identiques :
La tension aux bornes de la lampe L2 est \(U_2 = 3 \text{ V}\) et la tension aux bornes de la lampe L3 est \(U_3 = 3 \text{ V}\).
Réponse b) Vérification de la loi d'additivité :
On vérifie si \(U_1 + U_2 + U_3 = U_{\text{pile}}\) :
La somme des tensions aux bornes des ampoules (\(9 \text{ V}\)) est bien égale à la tension de la pile (\(9 \text{ V}\)). La loi d'additivité des tensions est vérifiée.
Question 4 : Utilisation de la Loi d'Ohm
Réponse a) Résistance \(R_1\) de la lampe L1 :
On utilise la loi d'Ohm : \(R = U/I\).
Pour L1 : \(U_1 = 3 \text{ V}\), \(I_1 = 0,1 \text{ A}\).
La résistance de la lampe L1 est de \(30 \text{ }\Omega\).
Réponse b) Résistances \(R_2\) et \(R_3\) :
Puisque les lampes L1, L2 et L3 sont identiques, elles ont la même résistance.
Donc, \(R_2 = R_1 = 30 \text{ }\Omega\) et \(R_3 = R_1 = 30 \text{ }\Omega\).
Réponse c) Résistance équivalente \(R_{\text{eq}}\) (par addition) :
Pour des résistances en série, \(R_{\text{eq}} = R_1 + R_2 + R_3\).
La résistance équivalente des trois lampes en série est de \(90 \text{ }\Omega\).
Réponse d) Vérification de \(R_{\text{eq}}\) avec la loi d'Ohm globale :
On utilise la tension totale de la pile \(U_{\text{pile}} = 9 \text{ V}\) et l'intensité totale du circuit \(I = 0,1 \text{ A}\).
Le résultat est bien \(90 \text{ }\Omega\), ce qui confirme le calcul précédent.
Quiz Intermédiaire 1 : Si trois résistances de \(10 \text{ }\Omega\) chacune sont branchées en série, leur résistance équivalente est :
Question 5 : Ampoule L2 grillée
Réponse a) Effet sur les autres ampoules :
Si l'ampoule L2 grille, son filament se coupe. Dans un circuit en série, cela signifie que le circuit devient ouvert. Il n'y a plus de chemin continu pour le passage du courant.
Par conséquent, les autres ampoules L1 et L3 s'éteindront également.
Réponse b) Intensité du courant :
Si le circuit est ouvert, le courant ne peut plus circuler.
L'intensité du courant dans le circuit serait alors de \(0 \text{ A}\).
Quiz Intermédiaire 2 : L'unité de la tension électrique est :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. Dans un circuit en série, si on ajoute une ampoule identique aux autres :
2. Une pile de \(6 \text{ V}\) alimente deux résistances \(R_1\) et \(R_2\) en série. Si \(U_1 = 2,5 \text{ V}\), alors \(U_2\) est :
3. L'intensité du courant dans un circuit série est de \(0,5 \text{ A}\). La résistance totale est de \(12 \text{ }\Omega\). La tension du générateur est :
Glossaire du Circuit Série
- Circuit en Série
- Montage électrique où les dipôles sont connectés les uns à la suite des autres, formant une seule boucle pour le courant.
- Dipôle
- Composant électrique possédant deux bornes (ex: pile, lampe, résistance, interrupteur).
- Tension Électrique (\(U\))
- Différence de potentiel électrique entre deux points d'un circuit. Elle est la cause du déplacement du courant. Unité : Volt (\(\text{V}\)).
- Intensité du Courant (\(I\))
- Débit de charges électriques qui traversent une section du circuit par unité de temps. Unité : Ampère (\(\text{A}\)).
- Loi d'Unicité de l'Intensité (en série)
- Dans un circuit en série, l'intensité du courant est la même en tout point.
- Loi d'Additivité des Tensions (en série)
- Dans un circuit en série, la tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions aux bornes des récepteurs.
- Résistance Électrique (\(R\))
- Capacité d'un dipôle à s'opposer au passage du courant électrique. Unité : Ohm (\(\Omega\)).
- Loi d'Ohm
- Pour un conducteur ohmique (comme une résistance ou une lampe sous certaines conditions), la tension \(U\) à ses bornes est proportionnelle à l'intensité \(I\) du courant qui le traverse : \(U = R \times I\).
- Résistance Équivalente (\(R_{\text{eq}}\))
- Résistance unique qui aurait le même effet sur le circuit que l'ensemble des résistances présentes. En série, \(R_{\text{eq}} = R_1 + R_2 + ...\)
- Volt (\(\text{V}\))
- Unité de mesure de la tension électrique.
- Ampère (\(\text{A}\))
- Unité de mesure de l'intensité du courant électrique.
- Ohm (\(\Omega\))
- Unité de mesure de la résistance électrique.
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