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Chapitre n°3 : Les différents composants et leurs comportements

1. Les différents composants: généralités

Les composants que nous allons voir sont appelés dipôles car ils ont deux pôles: d’un côté on branche le fil rouge et de l’autre le fil noir. Ne vous inquiétez pas, ce sont tous des dipôles bien gentils, on les dit linéaires et tout ce qui est linéaire en physique est facilement modélisable. Après, pour être plus rigoureux, il est vrai que ce sont des modèles « idéaux » et que pour les plus pragmatiques d’entre vous de tels modèles sont faux car il faut y ajouter des corrections qui sont dues à la nature du matériaux. Ces modèles restent tout de même d’une très bonne approximation et constituent pour nos études une manière très efficace d’aborder l’électricité.

On peut séparer les dipôles en deux catégories.

1.1 Les dipôles générateurs:

Définition: un générateur électrique est un dispositif permettant de produire de l’énergie électrique à partir d’une autre forme d’énergie. L’exemple le plus courant est celui de la dynamo. Quand vous la tournez, vous mettez des électrons en mouvement dans le circuit. Vous transformez ainsi l’énergie mécanique en énergie électrique dans le circuit.

Les générateurs sont les dipôles du circuit qui fournissent l’énergie électrique (l’électricité).

Il existe deux types de générateurs:

  • Le générateur de tension : il délivre une tension constante et l’intensité du courant fourni est infinie.

  • Le générateur de courant : il produit un courant constant, quelque soit la tension demandée (celui-ci n’est pas obligatoirement à retenir, c’est hors-programme Bac).

1.2 Les dipôles récepteurs :

Définition : en opposition aux dipôles générateurs,les dipôles récepteurs sont des éléments du système qui vont recevoir une énergie électrique.

En terminale, nous verrons trois dipôles récepteurs différents. Pour chacun d’eux, il existe une loi mathématique qui décrit leur comportement, ces formules ont été déterminées expérimentalement et sont à retenir.

  • La résistance:

    • Loi d’Ohm : U_{R} = R \times I

  • Le condensateur:

    • I = \frac{dQ}{dt} Comme on sait que Q=U \times C on obtient, I = C \times \frac{dU_{C}}{dt}

  • La bobine:

    • U_{L}=L \times \frac{di}{dt} \,\,\,

Attention au sens de la flèche du courant. Pour ne pas se tromper, il faut suivre la méthode suivante.

1- On détermine le sens du courant en fonction des pôles du générateur, i va du + vers le – ;) .

2- On place la flèche de la tension du générateur, elle va dans le même sens que i.

3- Ensuite, on place les flèches des tensions des dipôles récepteurs, elles seront opposées à la flèche du générateur et au sens du courant i.

2.Comportement énergétique

Vous avez déjà appris en mécanique l’énergie cinétique et potentielle d’un système mécanique. En électricité, il existe une énergie électrique associée à chacun des trois dipôles récepteurs vus ci-dessus.

Pour une résistance:

E_{R} = R \times I^{2}

ER représente l’énergie (perdue dans ce cas) de la résistance

Quand vous branchez une pile aux bornes d’une résistance, un courant la traverse et la résistance commence à chauffer. Cette énergie représente la perte de chaleur. C’est ce que l’on appelle l’effet Joule!

La température est liée aux mouvements des atomes. Dans les solides, les atomes vibrent autour d’une position d’équilibre. Dans les gaz, les atomes s’entrechoquent entre eux. Dans chacun des cas, les atomes ne sont pas immobiles, ils se déplacent. La température varie en fonction du mouvement, plus le mouvement est grand, plus la température sera élevée. Quand il n’y a plus de mouvement, la température est égale à -273,15° Celsius ou 0 Kelvin, cette température est impossible à atteindre. On ne peut que s’en approcher, le record est détenu par une équipe co-dirigée par le prix Nobel de physique Wolfgang Ketterle en 2003 au MIT, ils sont arrivés à descendre à 0,00000000045 K c’est-à-dire -273,14999999955°C,… il ne faut pas oublier le bonnet !:)

Comme nous avons vu dans le chapitre 1, les électrons se déplacent et doivent contourner les atomes dans la résistance. Parfois, il arrive que ces électrons tapent ces mêmes atomes. Quand les électrons tapent les noyaux de la résistance, les atomes commencent à vibrer autour de leur position d’équilibre, cela crée de la chaleur ( la température de la résistance monte ).

Image 1 : Explication résistance

Pour un condensateur:

E_{C} = \frac{1}{2} \times C \times U^{2}

Pour comprendre où l’energie est stockée, regardons le fonctionnement d’un condensateur.


I = \frac{dQ}{dt} Ou encore I = C \times \frac{dU_{C}}{dt}

( U indicé « C » est la tension aux bornes du condensateur)

Ce composant a la particularité de stocker les électrons qui vont s’accumuler sur l’une des deux armatures (l’anode). Sur la branche où est placé le condensateur, le mouvement des électrons n’est permis que lors de la charge de ce composant. L’énergie est une sorte d’énergie potentielle électrique car ces électrons pourront par la suite être restitués au système. EC représente l’énergie stockée à l’intérieur du condensateur. Pour bien comprendre, imaginez un seau rempli d’électrons, le niveau dans le seau représente le potentiel électrique. Quand on charge le condensateur, on remplit le seau d’électrons, le niveau monte, le potentiel monte.

Pour une bobine:

E_{L} = \frac{1}{2} \times L \times i^{2}

3. Analogie hydraulique

Il est parfois difficile de savoir à quoi servent tous ces composants et comment ils peuvent agir entre eux quand on les branche dans un circuit électrique. Dans cette partie, nous allons proposer un modèle pour essayer de mieux comprendre l’électricité.

On peut comparer le circuit électrique à un circuit hydraulique fermé, contenant un liquide (de l’eau par exemple).. Aucune fuite n’est possible. Tout le circuit est complètement rempli de particules, on ne peut ni en ajouter, ni en retirer, ni en détruire, leur nombre total est constant. Les particules d’eau jouent le même rôle que les électrons du circuit électrique, elles sont présentes dans le circuit, ce n’est pas la pompe qui les apporte. On peut assimiler chacun des composants électriques à un composant hydraulique comme dans le tableau suivant.


4. Techniques de mesure :

On ne peut mesurer directement que deux grandeurs physiques dans un circuit électrique, la tension et l’intensité

4.1 Tension

A refaire …Une tension se mesure entre deux points du circuit,

Sur le circuit hydraulique, la pompe pousse l’eau ce qui crée une différence de pression de part et d’autre de ce composant. Du côté où l’eau part on a une surpression (on pousse l’eau) et de l’autre une dépression (on aspire de l’eau). On mesure la différence de pression entre l’entrée et la sortie pour connaître la force qui pousse l’eau dans le circuit.

Dans le circuit électrique c’est pareil avec la pile. D’un côté la pile pousse les électron, de l’autre elle les aspirent, la tension mesure la différence entre la force de poussé et la force d’aspiration. De maniére plus génerale, on mesure la tension On appel cette différence de force, la tension.

Il faut que l’on branche le tensiomètre à chacune des bornes du dipôle pour savoir lequel a le plus d’électrons : on le branchera donc en parallèle à ce dipôle.

4.2 Intensité

Imaginons un tuyau dans lequel circule de l’eau. Si nous voulons en mesurer le débit nous devons insérer un dispositif qui mesure le volume d’eau qui traverse à un point donné et en une seconde notre tuyau. Ce dispositif s’appelle le débimètre. Il en est de même pour le courant, nous allons comptabiliser les charges électriques qui circulent dans un endroit du circuit et ce en une seconde. On utilisera dans ce cas un ampèremètre.

On effectuera cette mesure en un seul point du circuit, c’est pourquoi il faudra brancher l’ampèremètre en série au point où l’on effectuera la mesure.