Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

    

Comprendre l'électricité (d'après http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/)

 

 

Un circuit électrique, qu'est-ce que c'est?

Tout d'abord, lorsque tu veux te payer une descente excitante en planche à neige, tu dois avoir au minimum une piste, un remonte-pente et certains obstacles dans la piste pour rendre ta descente plus électrisante! Ainsi, tu as un trajet de planche à neige qui te permet de faire autant de descentes que tu le veux. De la même façon, un circuit électrique est un trajet constitué d'au moins un fil conducteur, une source de courant (une pile par exemple) et d'éléments qu'on peut y brancher (comme une ampoule). Un circuit est en quelque sorte une piste de planche à neige où des électrons libres, les utilisateurs du circuit, circulent selon des règles précises.

Circuit électrique avec pile et ampoule

Que se passe-t-il dans un circuit électrique?

Le courant électrique du circuit et le débit de planchistes sur la piste

Par une belle journée de février, pendant que tu te relèves d'une chute au milieu de ta piste préférée, tu observes un phénomène étonnant. Pendant environ cinq secondes, une dizaine de planchistes passent à côté de toi à toute vitesse. Tu réalises alors que si tu voulais connaître le débit de planchistes de cette piste, tu n'aurais qu'à compter le nombre de gens qui passent devant toi à chaque seconde. Tu constates alors que si la piste était un fil conducteur et que les planchistes étaient des électrons libres, tu pourrais refaire la même expérience et calculer le nombre d'électrons qui passent en un point précis du fil à chaque seconde. Le débit d'électrons dans un fil conducteur est ce qu'on appelle courant électrique. L'unité conventionnelle du courant électrique est l'ampère.

Maintenant, tu commences à être capable de mieux te représenter ce qu'est un circuit électrique et le courant circulant dans celui-ci. Ta découverte du courant électrique t'amène cependant à te poser d'autres questions. Sur une piste, pourquoi un planchiste avance-t-il sans fournir d'effort? En se laissant aller, pourrait-il avancer s'il se trouvait sur un parcours parfaitement horizontal? Dans une piste, comment pourrais-tu savoir si le débit de planchistes est élevé ou faible ?

La différence de potentiel dans le circuit et la différence de hauteur entre deux points de la piste

Toujours par cette journée ensoleillée de février, tu t'arrêtes au bas de la pente pour te reposer un peu et tu regardes l'allure de deux pistes distinctes. Avec cette vue d'ensemble, tu constates que, bien que les deux pistes se rejoignent en bas de la montagne au même endroit, le départ de la piste de droite est beaucoup plus haut que celui de la piste de gauche. Selon ton estimation, une vingtaine de mètres de hauteur sépare le départ de chaque piste. Tu te demandes alors si la différence de hauteur entre le point de départ et le point d'arrivée d'une piste aura une influence sur le débit des planchistes dans cette piste.

Partons de la situation où tu te trouves au sommet d'une montagne, debout sur ta planche et au bout d'une piste de ski parfaitement horizontale. Pourrais-tu te rendre à l'autre bout si tu te laisses aller? Non et sais-tu pourquoi? Parce qu'il n'y a pas de différence de hauteur entre le point où tu te trouves et l'autre bout de la piste. Imaginons maintenant que tu sois au point le plus élevé d'une piste qui est assez inclinée. En ne fournissant aucun effort, pourrais-tu te rendre à l'autre bout qui se trouve plus bas? Bien sûr que oui! Or, tu commences à douter qu'il doit bien y avoir, dans un circuit électrique, une équivalence à la différence de hauteur sur une piste de ski. Tu as parfaitement raison et c'est ce qu'on appelle la différence de potentiel.

La différence de potentiel dans un circuit électrique est ce qui engendre le courant. Par exemple, en laboratoire, si on mesure une différence de potentiel non nulle entre deux points d'un circuit électrique, alors on peut affirmer qu'il y a présence d'un courant électrique dans le circuit. C'est un indice que les électrons se déplacent. Parallèlement, on pourrait affirmer qu'un planchiste qui se trouve sur une piste inclinée sera inévitablement attiré vers le bas de la montagne s'il se trouve au sommet de celle-ci. On appelle habituellement tension électrique, la différence de potentiel dans un circuit électrique. L'unité utilisée pour exprimer la tension électrique est le volt.

Maintenant, tu connais ce que sont le courant électrique et la tension électrique d'un circuit. Cela dit, serais-tu capable de me dire à quoi sert une pile dans un circuit électrique?

La pile du circuit électrique et le remonte-pente de la piste

Lorsque tu arrives à la station de ski le matin, quelle est l'action essentielle que tu dois poser pour descendre dans une piste? Il faut absolument que tu prennes le remonte-pente sans quoi, tu ne pourras jamais t'éclater à dévaler une pente! Tu me diras que cela est bien évident, car tout le monde sait que pour descendre dans une piste, il faut d'abord monter au sommet de celle-ci. En effet, tu as raison. Le rôle du remonte-pente est de t'amener, sans que tu ne fasses d'effort, dans une situation où il te sera possible de descendre dans une piste. Mais après ta première descente, que dois-tu faire lorsque tu es revenu au point le plus bas de la piste et que tu veux continuer à faire de la planche? Reprendre le remonte-pente, évidemment!

Dans un circuit électrique, la pile joue le même rôle pour les électrons que le remonte-pente pour toi. Celle-ci amène les électrons dans un état où ils peuvent ensuite engendrer un courant électrique, c'est-à-dire «dévaler» dans le circuit à cause d'une différence de potentiel. Pour te donner un exemple, une pile de 9 volts signifie que cette pile peut prendre un électron qui a un potentiel de zéro volt et l'amener ensuite dans un état où il aura un potentiel de 9 volts.

Une fois ce potentiel élevé atteint, l'électron peut ensuite «descendre» dans le circuit. Exactement comme toi lorsque, à la hâte, tu quittes le siège du remonte-pente pour aller glisser dans une piste poudreuse!

Tu ne pensais pas qu'un circuit électrique était aussi simple! Tant mieux, mais il reste encore d'autres notions. Tu as sûrement remarqué qu'au centre de ski, plusieurs pistes de niveaux différents s'offrent à toi. Pourquoi une piste est-elle plus facile qu'une autre? Serait-ce à cause du nombre d'obstacles dans cette piste? Du nombre de bosses? De l'inclinaison de la piste?

La résistance dans le circuit et un obstacle dans une piste

Puisque tes amis et toi aimez beaucoup les sensations fortes, vous décidez de faire une descente dans la piste qui contient le plus de bosses. Or, pendant que tu la dévales en zigzag, tu remarques que tous les planchistes et skieurs descendent très lentement, tout comme toi d'ailleurs! Une fois en bas, tu comprends la raison pour laquelle les utilisateurs de cette piste ne descendent pas rapidement: il y a trop d'obstacles! En regardant alors l'ensemble des pistes de la montagne, tu constates que le débit de planchistes le plus faible est dans les pistes présentant le plus de bosses. Autrement dit, moins les obstacles dans la piste sont nombreux, plus le débit des planchistes est grand. Est-ce que les électrons peuvent aussi être freinés de la sorte dans un circuit électrique? Mais bien sûr que oui! Cette opposition à la circulation des électrons dans un circuit s'appelle la résistance électrique.

Comme des planchistes qui rencontrent une série d'obstacles dans une piste, les électrons sont ralentis lorsqu'ils rencontrent un élément du circuit qui présente une grande résistance à leur déplacement. Un résistor est un exemple d'élément d'un circuit qui offre une résistance électrique. Par convention, l'unité de résistance électrique est l'ohm.

Tu connais maintenant les points fondamentaux d'un circuit. Un circuit simple peut être constitué d'une pile, d'un résistor et de fils qui relient chaque élément les uns aux autres. Une question te vient alors en tête à ce moment-ci: existe-t-il différents types de circuits?

Un circuit monté en série et une station de ski à piste unique

Imaginons que tu te rends à une station de ski à piste unique. Les planchistes comme toi aiment beaucoup cette station, car même si elle n'offre qu'une piste, celle-ci contient beaucoup de bosses! En fait, elle est très amusante, car au tout début de la descente, de nombreuses bosses s'étalent environ sur une soixantaine de mètres. Ensuite, la piste devient très plane sur une distance d'environ 100 mètres. Un peu plus loin, un second amoncellement de neige s'étale sur environ 100 mètres dans la piste. Finalement, le reste de la piste est très plat jusqu'au bas de la montagne. Si tu veux descendre dans cette piste, tu n'as pas le choix de franchir les deux groupes de bosses, peu importe la façon dont tu descendras dans celle-ci.

 Si tu es capable de t'imaginer cette situation, tu comprendras alors ce qu'est un circuit électrique monté en série. En effet, un tel circuit fait référence à des éléments branchés un à la suite de l'autre. Les électrons qui circulent dans celui-ci passent obligatoirement par chacune des composantes du circuit. Par exemple, notre station de ski à piste unique contenant deux groupes de bosses serait un circuit dans lequel nous comptons deux résistors différents reliés par un fil. Les électrons qui partent de la pile doivent absolument passer par chaque résistor avant de revenir à la pile. Pas mal, hein! Je suis certain que tu dois maintenant te demander s'il existe un type de circuit dans lequel les électrons ont le choix de passer par plusieurs chemins. D'après toi?Circuit en série



Un circuit monté en parallèle et une station de ski à deux pistes adjacentes

Supposons que tu as trouvé un centre de ski où une piste se dédouble en un endroit pour former deux pistes parallèles. Un peu avant le bas de la pente, avant la fin de celle-ci, les deux pistes se rejoignent pour ne former à nouveau qu'une seule piste. Tu vois? D'en bas, avant de prendre le remonte-pente, tu regardes le comportement des planchistes pour observer le débit de ceux-ci dans chaque branche de la double piste. À ton grand étonnement, tu constates que dans la branche de gauche, le débit des planchistes est très lent alors que dans celle de droite, il est beaucoup plus élevé. Aussi, à l'embranchement, tu remarques que le débit des planchistes redevient le même qu'en haut de la piste, avant que celle-ci ne se sépare en deux! Pour comprendre ce qui se passe et en avoir le coeur net, tu décides alors de prendre le remonte-pente et de faire chacun des trajets, un après l'autre.

Une fois les deux trajets parcourus, tu comprends la raison de la différence des débits de chaque branche de la piste. Celle de gauche est remplie de bosses et de trous qui ralentissent les skieurs et les planchistes. Pour ce qui est de la branche de droite, elle ne contient presque pas d'obstacles et les planchistes s'en donnent à coeur joie dans la vitesse! Finalement, tu as bel et bien constaté que le débit des planchistes, lorsque les deux parties parallèles de la piste se rejoignent, est le même qu'au sommet de la piste. En effet, tous les planchistes finissent bien par descendre et doivent absolument passer par là!

Si on transpose maintenant ce type de piste aux circuits électriques, on dit alors qu'on a un circuit monté en parallèle. Par exemple, un tel circuit est constitué d'au minimum une pile reliée à deux résistors qui eux, sont branchés en parallèle. Un électron qui quitte la pile avec un certain potentiel a le choix de passer par l'un ou l'autre des résistors.


Circuit en parallèle

Le débit des électrons dans la branche du circuit où la résistance est la plus élevée sera le plus faible. Les électrons avancent moins vite si la résistance est plus grande, ça a plein de gros bon sens! C'est exactement comme les planchistes qui diminuent de vitesse dans la branche aux nombreuses bosses, contrairement à ceux de l'autre branche qui sont peu ralentis, car les obstacles sont moins nombreux. Voilà donc le comportement des électrons dans un circuit monté en parallèle.

En terminant

Maintenant que tu as lu ce texte, tu peux probablement mieux comprendre les notions reliées aux circuits électriques comme le courant, la tension et la résistance. Aussi, tu connais le comportement des électrons dans les circuits montés en parallèle et en série. Il ne te reste donc plus qu'à aller au laboratoire et faire des expériences dans le but de vérifier ta compréhension des circuits électriques. Autrement, tu peux toujours chausser tes bottes et ta planche et vivre sur une piste de ski l'expérience d'un électron dans un circuit électrique!