Définition
L'intensité $I$ du courant électrique est le débit de charges électriques : elle indique la quantité de charges qui traverse une section du circuit chaque seconde.
Analogie
L'intensité est l'équivalent du débit d'une rivière : la quantité d'eau qui passe sous un pont chaque seconde.
Pour mesurer une intensité, il faut « casser » le circuit : on retire un fil et on met l'ampèremètre à sa place. Le courant y entre par la borne A et en sort par la borne COM.
Attention aux bornes et aux calibres
Question
On lit 0,25 A sur le calibre 10 A. Le calibre suivant indique « 200m ». Peut-on changer de borne et de calibre ?
0,25 A = 250 mA, et 250 mA > 200 mA : la valeur dépasserait le calibre. Non, on reste sur le calibre 10 A.
Définition
La tension $U$ entre deux points d'un circuit traduit une différence d'état électrique entre ces deux points. C'est elle qui met les charges en mouvement.
Analogie
La tension est l'équivalent du dénivelé d'une rivière : c'est la différence d'altitude entre deux points qui fait couler l'eau. Sans dénivelé, pas de courant ; mais un dénivelé peut exister sans que l'eau coule (un barrage fermé).
À retenir
On représente une tension par une flèche. Par convention, la flèche pointe vers la borne V du voltmètre.
Attention
Pour mesurer la tension aux bornes d'un générateur, vérifiez toujours que le fil est branché sur la borne V du multimètre. Branché sur la borne A, l'appareil se comporte comme un simple fil : le générateur est en court-circuit !
Définition
La résistance $R$ d'un dipôle relie la tension à ses bornes et l'intensité qui le traverse : c'est leur rapport, $R = \dfrac{U}{I}$.
Attention
Pour mesurer la résistance d'un dipôle, il faut le sortir du circuit et brancher l'ohmmètre à ses bornes. Un ohmmètre ne s'utilise jamais dans un circuit alimenté.
Question
Peut-on avoir une tension sans intensité ? Où ?
Question
Peut-on avoir une intensité sans tension ? Où ?
En toute rigueur, la résistance n'est strictement nulle que pour un fil parfaitement conducteur, ce qui n'existe qu'avec les supraconducteurs.
Quiz
Les branchements du multimètre
Animation interactive
Le multimètre virtuel : à vous de brancher !
Le circuit : un générateur de 6,0 V, un conducteur ohmique et une lampe. Mesurez l'intensité dans la lampe, la tension à ses bornes, puis sa résistance. Testez aussi les mauvais branchements, pour voir ce qu'ils provoquent.
Loi des nœuds
La somme des intensités des courants qui arrivent à un nœud est égale à la somme des intensités des courants qui en repartent.
Au collège, on l'appelait « loi d'additivité des intensités ».
Ici, la loi des nœuds s'écrit : $I_\text{G} = I_\text{L} + I_\text{R}$. Comme l'eau d'une rivière qui se partage en deux bras, le courant se partage entre les branches.
À retenir
Dans une même branche, les dipôles sont en série : ils sont tous traversés par la même intensité.
Entraînement
Appliquer la loi des nœuds
Loi des mailles
Dans une maille comportant un générateur, la tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions aux bornes des récepteurs.
Une maille est une boucle fermée du circuit. Au collège, on parlait de « loi d'additivité des tensions ».
Ici, la loi des mailles s'écrit : $U_\text{G} = U_\text{L} + U_\text{R}$. Comme pour une rivière, le dénivelé total se partage entre les différents tronçons.
À retenir
Des dipôles branchés en dérivation entre les deux mêmes points ont la même tension à leurs bornes.
Entraînement
Appliquer la loi des mailles
Applet GeoGebra : loi des nœuds · Applet GeoGebra : loi des mailles
Exercice 1
Déterminer les intensités $I_2$, $I_4$ et $I_5$.
Loi des nœuds au nœud du haut : $I_1 = I_2 + I_3$. Attention aux unités : $I_1 = 0{,}120$ A = 120 mA, donc $I_2 = 120 - 80 = 40$ mA.
$I_5$ est dans la même branche que $I_3$ (en série avec le conducteur ohmique) : $I_5 = I_3 = 80$ mA.
$I_4$ traverse le générateur, comme $I_1$ : $I_4 = I_1 = 0{,}120$ A. On le retrouve par la loi des nœuds au nœud du bas : $I_4 = I_2 + I_5 = 40 + 80 = 120$ mA.
Exercice 2
Déterminer les tensions $U_2$, $U_5$ et $U_6$.
Maille de gauche (générateur, conducteur ohmique, lampe) : $U_1 = U_2 + U_3$, donc $U_2 = 6{,}0 - 4{,}2 = 1{,}8$ V.
Maille de droite (lampe, DEL, conducteur ohmique) : la lampe est en dérivation avec la branche de droite, donc $U_3 = U_4 + U_5$, d'où $U_5 = 4{,}2 - 3{,}0 = 1{,}2$ V.
$U_6$ est la tension aux bornes d'un simple fil : $U_6 = 0$ V.
Définition
La caractéristique d'un dipôle électrique est la relation entre l'intensité $I$ du courant qui le traverse et la tension $U$ à ses bornes. Elle est généralement fournie sous la forme d'un graphique représentant :
À retenir
Pour tracer une caractéristique, on mesure en même temps l'intensité qui traverse le dipôle (ampèremètre en série) et la tension à ses bornes (voltmètre en dérivation), pour plusieurs réglages du circuit. Deux montages sont possibles :
Le fonctionnement d'un rhéostat en vidéo
Animation interactive
Tracer la caractéristique d'un dipôle
Avec le générateur réglable, la DEL est protégée par un conducteur ohmique de 100 Ω : branchée seule, elle serait détruite. Pour la thermistance, l'échauffement dû au courant est pris en compte.
Définition
Si la tension $U_R$ aux bornes d'un dipôle est proportionnelle à l'intensité $I_R$ du courant qui le traverse, alors ce dipôle est un conducteur ohmique : sa caractéristique est une droite qui passe par l'origine, modélisée par une fonction linéaire.
Loi d'Ohm
$$U_R = R\times I_R$$
Attention aux unités
Dans la loi d'Ohm, l'intensité doit être en ampères : avec $I$ = 2,0 mA = 0,0020 A et $R$ = 1 500 Ω, on trouve $U = 1\,500 \times 0{,}0020 = 3{,}0$ V.
Remarque
Un dipôle peut se comporter comme un conducteur ohmique sur une plage restreinte d'intensité, puis s'en éloigner quand l'intensité sort de cette plage : sa résistance varie alors. C'est le cas de la thermistance, qui chauffe quand l'intensité devient trop grande (voir l'animation ci-dessus).
Définition
En superposant sur un même graphique la caractéristique d'un générateur et celle d'un récepteur, on peut prévoir l'intensité du courant délivré par le générateur et la tension aux bornes du récepteur : ce sont les coordonnées du point d'intersection des deux courbes, appelé point de fonctionnement du circuit.
Animation interactive
Une lampe branchée sur un générateur
Le générateur est idéal : la tension à ses bornes ne dépend pas de l'intensité qu'il débite. Sa caractéristique est donc une droite horizontale. Le point de fonctionnement donne la tension aux bornes de la lampe et l'intensité qui la traverse.
Définition
Un capteur résistif est un dipôle dont la résistance varie avec une grandeur physique : température, éclairement, pression… La thermistance est un capteur de température :
À retenir
Pour utiliser un capteur, il faut d'abord l'étalonner : tracer la courbe d'étalonnage qui relie sa résistance à la grandeur d'intérêt, mesurée par ailleurs avec un instrument de référence (ici, un thermomètre). On peut ensuite lire la grandeur à partir de la résistance.
Animation interactive
Étalonner la thermistance
Eau glacée à 5 °C. Allumez la plaque et relevez des points.
La thermistance n'est qu'un exemple parmi de très nombreux capteurs. Beaucoup sont, comme elle, des capteurs résistifs :
D'autres capteurs ne sont pas résistifs, mais transforment eux aussi une grandeur physique en signal électrique :
Un smartphone contient plus d'une dizaine de capteurs différents !
Pour comprendre les océans, les océanographes mesurent la température de l'eau, en surface comme en profondeur, avec un bathythermographe. Cet appareil contient un capteur électrique de température : une thermistance, dont la résistance varie avec la température.
Tout l'intérêt du dispositif est là : seule la thermistance est plongée dans l'eau, parfois à des centaines de mètres de profondeur. Le reste du circuit reste à bord, au sec. On y mesure simplement une tension, aux bornes d'un conducteur ohmique, et on en déduit, grâce aux lois de l'électricité, la température de l'eau autour de la thermistance, bien loin de là.
Comment passe-t-on de cette tension à une température ?
Le montage du bathythermographe est représenté ci-dessous. La DEL, associée à un conducteur ohmique de protection $R_P$, joue le rôle d'afficheur : plus l'eau est chaude, plus elle brille. Armés de la caractéristique de l'association DEL + $R_P$ et de la courbe d'étalonnage de la thermistance, on va remonter étape par étape de la tension $U_{R_0}$ mesurée par le voltmètre à la température de l'eau dans laquelle baigne la thermistance.
Animation interactive
De la tension mesurée à la température de l'eau
Valeurs de l'exemple : générateur de 10,0 V, $R_0$ = 1 500 Ω, $R_P$ = 1 kΩ, thermistance CTN de 1 500 Ω à 25 °C. On néglige ici l'échauffement de la thermistance par le courant : plongée dans l'eau, elle est bien refroidie. En TP, ce léger échauffement explique que la résistance calculée soit un peu plus faible que celle mesurée à l'ohmmètre.