Physique-chimie, Cinquième • Exercices corrigés à Montréal

Fiche de révision : les circuits électriques et la sécurité (Cinquième)

Un schéma électrique n'est pas un dessin, c'est une phrase : il dit combien il y a de boucles et ce qui se trouve dans chacune. Tant que l'on regarde la forme du tracé plutôt que le nombre de boucles, la moitié des questions du contrôle restent hors de portée.

Vous trouverez ici les huit erreurs qui reviennent en évaluation, avec la phrase exacte à écrire pour chacune, l'arbre qui reconnaît une série d'une dérivation sur n'importe quel schéma, celui qui prédit ce qui se passe quand on dévisse une lampe, et le câblage d'une maquette de maison décortiqué étape par étape.

Le fil du chapitre

Le courant n'existe que dans une BOUCLE FERMÉE, et ce qui distingue une série d'une dérivation, c'est le nombre de boucles indépendantes, jamais la forme du dessin.

Ce chapitre fait partie de Physique-chimie en Cinquième

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

L'énergie au quotidienSixième Fiche

L'essentiel

Le courant n'existe que dans une boucle fermée

• Un DIPÔLE possède deux bornes. La pile est un générateur, la lampe et le moteur sont des récepteurs, l'interrupteur est un organe de commande.
• Le courant ne circule que si le circuit forme une BOUCLE COMPLÈTE de conducteurs contenant un générateur. Une seule coupure suffit à tout arrêter.
• Sens CONVENTIONNEL du courant : de la borne $+$ vers la borne $-$ à l'extérieur du générateur. C'est celui que l'on flèche sur les schémas.
• Les électrons, eux, se déplacent en sens INVERSE. Les deux affirmations sont vraies en même temps et ne se contredisent pas.
• Un schéma se trace à la règle, avec les symboles normalisés et des angles droits : c'est noté.

À gauche l'interrupteur ferme la boucle et la lampe brille. À droite la même boucle est coupée en un seul point, et cela suffit : plus aucun courant ne circule, nulle part.

Un circuit ouvert n'est pas un circuit où il ne passe « presque rien » : il ne passe RIEN du tout. C'est un tout ou rien, et la phrase attendue est « le circuit est ouvert, donc aucun courant ne circule ».

Série ou dérivation : compter les boucles, pas regarder la forme

• EN SÉRIE : une seule boucle, tous les dipôles à la suite. L'ordre des dipôles est sans importance.
• Une coupure quelque part en série éteint TOUT le circuit, et chaque lampe ajoutée fait faiblir toutes les autres.
• EN DÉRIVATION : plusieurs branches entre deux mêmes points, appelés noeuds. Chaque branche est indépendante.
• En dérivation, chaque lampe brille normalement quel que soit le nombre de branches, mais le générateur s'épuise plus vite.
• Le test qui ne trompe jamais : partir d'une borne de la pile et suivre le fil. S'il n'existe qu'un seul chemin pour revenir, c'est une série; s'il en existe plusieurs, c'est une dérivation.

À gauche, un seul chemin relie les deux bornes de la pile : c'est une série. À droite, deux chemins partent du même point et s'y rejoignent : chaque lampe a sa branche, donc c'est une dérivation.

Un circuit dessiné en rond, en carré ou en escalier n'a rien à voir avec le montage. Deux schémas très différents à l'oeil peuvent décrire exactement le même circuit.

Conducteurs, isolants et sécurité

• Tous les MÉTAUX sont conducteurs, mais tous les conducteurs ne sont pas des métaux : le graphite d'un crayon et l'eau salée conduisent aussi.
• L'eau du robinet conduit à cause des IONS qu'elle contient. L'eau distillée, qui n'en contient presque pas, conduit très mal.
• Un COURT-CIRCUIT relie directement les deux bornes du générateur par un conducteur sans résistance : le courant devient très intense et les fils chauffent.
• Le FUSIBLE et le DISJONCTEUR coupent le courant en cas de surintensité. Ils protègent l'INSTALLATION, pas les appareils branchés dessus.
• L'eau rend le corps conducteur : jamais d'appareil électrique avec les mains mouillées, jamais de sèche-cheveux au-dessus d'une baignoire.

Le mot conducteur ne décrit pas une matière noble, il décrit un comportement : ce qui laisse passer le courant. Le corps humain, l'eau salée et la terre humide sont conducteurs, et c'est exactement pour cela qu'ils sont dangereux.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Faire partir le courant des deux bornes à la fois

2 points, et toutes les questions sur le sens du courant

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le courant sort des deux bornes de la pile et se rencontre dans la lampe, ce qui l'allume. »

Ce qu'il faut écrire

« Le courant circule dans un seul sens tout le long de la boucle : il sort de la borne $+$ , traverse la lampe, et rentre par la borne $-$ . »

Pourquoi : Cette image vient de la vie courante, où deux choses se rencontrent pour produire un effet. En électricité, le courant est une circulation en boucle, comme l'eau dans un circuit de chauffage.

2. Croire que le courant s'use en traversant les dipôles

2 points, et une réponse fausse à la question « laquelle brille le plus »

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le courant arrive fort dans la première lampe, en ressort affaibli, donc la deuxième lampe brille moins que la première. »

Ce qu'il faut écrire

« En série, l'intensité est la MÊME en tout point du circuit. Deux lampes identiques en série brillent donc autant l'une que l'autre, faiblement toutes les deux. »

Pourquoi : Ce qui se partage en série, c'est la tension, pas le courant. Cette confusion est exactement celle qui rendra la loi des noeuds incompréhensible en Quatrième.

3. Confondre le sens conventionnel et le déplacement des électrons

1 point, et la flèche mal orientée sur tout le schéma

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le courant va de la borne $-$ vers la borne $+$ , puisque ce sont les électrons qui circulent. »

Ce qu'il faut écrire

« Le SENS CONVENTIONNEL du courant va du $+$ vers le $-$ à l'extérieur du générateur. Les électrons, eux, se déplacent en sens inverse : les deux phrases sont vraies. »

Pourquoi : La convention a été choisie avant qu'on découvre l'électron. On ne l'a pas changée pour ne pas réécrire toute la physique : c'est une convention, pas une erreur.

4. Reconnaître le montage à la forme du dessin

toute la question, souvent 3 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le schéma est dessiné en rectangle avec les lampes côte à côte, c'est donc une dérivation. »

Ce qu'il faut écrire

« On compte les chemins : en partant du $+$ , s'il n'existe qu'un seul trajet pour revenir au $-$ , c'est une SÉRIE, quelle que soit la forme du dessin. »

Pourquoi : Un schéma est un plan de connexions, pas une photo. Le même circuit peut se dessiner en rond ou en carré : seule la manière dont les fils se rejoignent compte.

5. Croire que l'ordre des dipôles en série change quelque chose

1 point, et une justification entière barrée

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La lampe est placée juste après la pile, elle reçoit donc le courant en premier et brille plus. »

Ce qu'il faut écrire

« En série, l'ordre des dipôles n'a AUCUNE importance : échanger la lampe et le moteur ne change rien au fonctionnement du circuit. »

Pourquoi : Dans une boucle, il n'y a ni début ni fin. Parler de premier et de deuxième n'a de sens que pour décrire le dessin, jamais pour prédire un comportement.

6. Croire que la lampe court-circuitée brille davantage

2 points, et la question de sécurité qui suit

Ce qu'il ne faut pas écrire

« On ajoute un fil directement aux bornes de la lampe, donc elle reçoit encore plus de courant et brille plus fort. »

Ce qu'il faut écrire

« Le fil, qui n'a pratiquement aucune résistance, offre un chemin bien plus facile : presque tout le courant passe par lui et la lampe S'ÉTEINT. »

Le fil ajouté relie directement les deux côtés de la lampe. Le courant le préfère au filament et la lampe reste éteinte, alors que le circuit fonctionne toujours.

Pourquoi : Le courant emprunte massivement le chemin le plus facile. C'est aussi ce qui rend un court-circuit dangereux : plus rien ne limite l'intensité, et les fils chauffent jusqu'à provoquer un incendie.

7. Décréter que seul un métal conduit

1 point, et la question sur l'eau du robinet

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le graphite n'est pas un métal, donc c'est un isolant. »

Ce qu'il faut écrire

« Tous les métaux sont conducteurs, mais l'inverse est faux : le graphite et l'eau salée conduisent le courant sans être des métaux. »

Pourquoi : La phrase du cours est une implication à sens unique. La retourner est la même faute de logique que de dire qu'un animal à quatre pattes est forcément un chien.

8. Croire que le fusible protège les appareils

1,5 point sur la question de sécurité, qui vaut souvent gros

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le fusible a fondu, il a donc sauvé le grille-pain. »

Ce qu'il faut écrire

« Le fusible et le disjoncteur protègent l'INSTALLATION contre l'échauffement des fils. Ils ne protègent pas les appareils branchés, qui peuvent être détruits avant que le fusible ne fonde. »

Pourquoi : La grandeur surveillée est l'intensité dans les fils du logement, pas l'état de l'appareil. Le rôle d'un fusible est d'éviter l'incendie, ce qui est un enjeu bien plus important qu'un grille-pain.

Quelle méthode choisir

Série ou dérivation : trancher sur n'importe quel schéma

On pose le doigt sur la borne $+$ de la pile et on suit le fil jusqu'à la borne $-$ , en comptant les chemins possibles.

Si il n'existe qu'un seul chemin pour revenir à la pile → c'est une SÉRIE, quelle que soit la forme du dessin

Exemple : pile, lampe, moteur, interrupteur alignés sur une seule boucle
Si le fil se sépare en deux à un point puis se rejoint plus loin → c'est une DÉRIVATION, et le point de séparation s'appelle un noeud

Chaque branche est un chemin possible; il y a autant de branches que de chemins distincts.
Si certains dipôles sont sur la branche principale et d'autres dans des branches séparées → c'est un montage MIXTE : on traite d'abord la branche principale, puis chaque branche

Exemple : un interrupteur général sur la branche principale, deux lampes chacune dans sa branche
Si un fil relie directement les deux bornes de la pile sans dipôle → c'est un COURT-CIRCUIT : à signaler immédiatement, la question porte sur la sécurité

Si aucune branche ne s'applique, c'est presque toujours que le schéma est mal lu : redessinez-le proprement, à la règle, en plaçant la pile en bas. La plupart des schémas d'énoncé sont volontairement dessinés de travers.

Que se passe-t-il si on dévisse une lampe

On regarde d'abord dans quel type de montage se trouve la lampe retirée.

Si la lampe dévissée est EN SÉRIE avec les autres → la boucle est coupée : TOUT s'éteint, y compris les autres lampes

Exemple : une vieille guirlande où une seule ampoule grillée éteint la guirlande entière
Si la lampe dévissée est dans une BRANCHE d'un montage en dérivation → seule cette branche s'éteint, les autres continuent de fonctionner normalement

Exemple : une ampoule grillée dans un salon n'éteint pas la cuisine
Si on retire un dipôle de la BRANCHE PRINCIPALE d'un montage mixte → tout s'éteint, car toutes les branches sont alimentées par ce chemin

C'est exactement le rôle d'un interrupteur général : il est toujours placé sur la branche principale.
Si on AJOUTE une lampe en série → toutes les lampes brillent moins, et la pile dure plus longtemps
Si on AJOUTE une lampe en dérivation → toutes les lampes brillent pareil, mais la pile s'épuise plus vite

Les deux dernières branches sont symétriques et c'est ce qui les rend faciles à retenir : la série économise la pile et affaiblit les lampes, la dérivation garde l'éclat et vide la pile.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Justifier le choix d'un montage

Quand l'utiliser : L'énoncé décrit un besoin, un vélo, une maquette, une pièce à éclairer, et demande quel montage adopter et pourquoi.

1 Reformuler la contrainte en une phrase : « chaque lampe doit pouvoir s'allumer indépendamment de l'autre ».
2 Nommer le montage choisi et le justifier par la propriété du cours : « on branche les lampes en DÉRIVATION, car chaque branche est indépendante ».
3 Dire explicitement pourquoi l'autre montage ne convient pas : « en série, dévisser une lampe éteindrait toute l'installation ».
4 Placer les organes de commande : un interrupteur par branche pour commander chaque lampe, plus un interrupteur général sur la branche principale.
5 Signaler l'inconvénient du montage retenu, ce que le barème attend souvent : « en dérivation, la pile s'épuise plus vite ».

Phrase de conclusion

Les deux lampes sont branchées en dérivation, chacune dans sa propre branche et commandée par son interrupteur, car ce montage est le seul qui permette d'allumer une lampe sans l'autre; un interrupteur général placé sur la branche principale éteint l'ensemble, et le seul inconvénient est que la pile s'épuise plus vite.

Le piège : Répondre « en dérivation » sans justifier. Le nom du montage vaut rarement plus d'un demi-point : ce sont la propriété citée et la comparaison avec l'autre montage qui rapportent les points.

Barème : 0,5 point pour le montage nommé, 1 point pour la propriété d'indépendance, 1 point pour la comparaison avec la série, 1 point pour le schéma normalisé.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

Suivre la boucle avec le doigt

Partez de la borne $+$ et suivez le fil sans lever le doigt. Vous devez pouvoir revenir à la borne $-$ en passant par chaque dipôle prévu. Si le doigt s'arrête, le circuit est ouvert et rien ne fonctionnera.

Un schéma où un fil s'arrête dans le vide : la lampe ne peut pas briller, quelle que soit la question posée.
Compter les noeuds

Un montage en dérivation contient toujours au moins deux points où trois fils se rejoignent. Si vous n'en trouvez aucun, votre schéma est en série, même si vous vouliez dessiner une dérivation.

Deux lampes dessinées côte à côte mais reliées bout à bout sont en série : aucun point ne réunit trois fils.
Vérifier qu'aucun fil ne shunte un dipôle

Regardez si un fil relie directement les deux bornes d'un même dipôle, ou les deux bornes de la pile. Ce serait un court-circuit, et le dipôle concerné ne fonctionnerait pas.

Un fil oublié en travers d'une lampe : elle reste éteinte alors que le reste du circuit marche.
Relire les symboles normalisés

La pile a deux barres de longueurs différentes, la longue étant le $+$ . La lampe est un cercle barré d'une croix. L'interrupteur ouvert est un trait oblique. Un symbole inventé coûte des points même si le raisonnement est juste.

Deux barres de même longueur pour la pile : la borne $+$ devient impossible à identifier, donc le sens du courant aussi.

L'exercice type décortiqué

Câbler l'éclairage d'une maquette de maison

Une maquette comporte deux pièces, une chambre et une cuisine, chacune éclairée par une lampe. On dispose d'une pile, de fils et de trois interrupteurs. On veut pouvoir allumer chaque pièce séparément, et couper toute l'installation d'un seul geste en quittant la maison.

1. Quel montage faut-il choisir pour les deux lampes, et pourquoi ? 2. Où placer les trois interrupteurs ? 3. Que se passe-t-il si l'ampoule de la cuisine grille ? 4. Une pile alimente une seule lampe pendant $6$ heures. Combien de temps tiendra-t-elle avec les deux lampes allumées ? 5. Quel inconvénient ce montage présente-t-il ?

Les deux lampes sont dans deux branches séparées, chacune avec son interrupteur, et l'interrupteur général est seul sur la branche qui contient la pile : c'est lui qui commande tout.

Étape 1

Les deux lampes doivent fonctionner indépendamment, donc elles sont montées EN DÉRIVATION, chacune dans sa propre branche.

Pourquoi

La contrainte de l'énoncé décide du montage, et c'est la première phrase à écrire. En série, allumer la cuisine allumerait forcément la chambre : le cahier des charges serait violé.

Étape 2

Un interrupteur est placé DANS chaque branche, en série avec sa lampe. Le troisième, l'interrupteur général, est placé sur la branche principale, entre la pile et le noeud.

Pourquoi

La position d'un interrupteur dit ce qu'il commande : dans une branche il ne coupe que cette branche, sur la branche principale il coupe tout. C'est le point que le barème vérifie.

Étape 3

Si l'ampoule de la cuisine grille, seule sa branche est coupée. La lampe de la chambre continue de briller normalement.

Pourquoi

C'est la propriété d'indépendance, énoncée en situation. Répondre « rien ne change » est trop vague : il faut nommer la branche coupée et celle qui reste alimentée.

Étape 4

Deux lampes en dérivation demandent deux fois plus à la pile : $\dfrac{6}{2}=3$ heures environ.

Pourquoi

L'énoncé glisse un calcul dans une question de raisonnement. Le lien est celui du cours : en dérivation chaque lampe brille normalement, donc chacune prélève sa part, et la pile s'épuise d'autant plus vite.

Étape 5

L'inconvénient est justement là : la pile s'épuise deux fois plus vite qu'avec une seule lampe. Avec trois pièces, elle ne tiendrait plus que $\dfrac{6}{3}=2$ heures.

Pourquoi

Une question qui demande un inconvénient attend un défaut RÉEL du montage choisi, chiffré si possible, pas une objection de principe. C'est le seul prix à payer pour l'indépendance des branches.

Étape 6

Vérification : en suivant le fil depuis la borne $+$ , on trouve deux chemins distincts pour rejoindre la borne $-$ , et tous deux passent par l'interrupteur général. Le schéma respecte donc bien le cahier des charges.

Pourquoi

Ce contrôle au doigt prend dix secondes et attrape l'erreur la plus fréquente sur ce type de schéma, l'interrupteur général placé par mégarde dans une seule branche.

Conclusion rédigée

Les deux lampes sont montées en dérivation, chacune commandée par son interrupteur, et l'interrupteur général est placé sur la branche principale : une ampoule grillée n'éteint que sa pièce, et la pile, sollicitée par deux lampes, ne tient plus que $3$ heures au lieu de $6$ .

L'erreur classique sur cet exercice : Placer l'interrupteur général dans l'une des deux branches. Il n'éteindrait alors qu'une seule pièce, et le cahier des charges ne serait pas respecté : c'est l'erreur que la vérification au doigt détecte immédiatement.

À savoir par cœur

• Le courant ne circule que dans une boucle FERMÉE contenant un générateur. Une seule coupure arrête tout.
• Sens conventionnel : du $+$ vers le $-$ à l'extérieur du générateur. Les électrons vont en sens inverse.
• EN SÉRIE : une seule boucle, l'ordre est sans importance, une coupure éteint tout, les lampes faiblissent.
• EN DÉRIVATION : plusieurs branches indépendantes, chaque lampe brille normalement, la pile s'épuise plus vite.
• Un court-circuit relie deux bornes par un fil sans résistance : le dipôle court-circuité s'éteint et les fils chauffent.
• Tous les métaux conduisent, mais le graphite et l'eau salée aussi. L'eau distillée conduit très mal.
• Fusible et disjoncteur protègent l'INSTALLATION, jamais les appareils.

Questions fréquentes

Comment savoir si un circuit est en série ou en dérivation ?

On part de la borne plus de la pile et on suit le fil du doigt jusqu'à la borne moins, en comptant les chemins. S'il n'y a qu'un seul chemin possible, le montage est en série. S'il y en a plusieurs, qui se séparent puis se rejoignent, le montage est en dérivation. La forme du dessin, ronde ou carrée, ne compte pas.

Pourquoi les lampes brillent moins quand on en ajoute en série ?

Parce que la tension de la pile se partage entre tous les récepteurs de la boucle. Avec deux lampes, chacune n'en reçoit que la moitié, donc elles brillent toutes les deux faiblement, et de la même façon. En dérivation au contraire, chaque branche reçoit la tension entière et chaque lampe brille normalement.

Dans quel sens circule le courant électrique ?

Par convention, le courant circule de la borne plus vers la borne moins à l'extérieur du générateur. C'est le sens que l'on flèche sur les schémas. Les électrons, eux, se déplacent en sens inverse, du moins vers le plus. Les deux affirmations sont exactes : la convention a été fixée avant la découverte de l'électron.

Qu'est-ce qu'un court-circuit et pourquoi est-ce dangereux ?

C'est un fil qui relie directement deux points d'un circuit sans passer par un récepteur, souvent les deux bornes du générateur. Comme ce fil n'a presque pas de résistance, l'intensité devient très grande, les fils chauffent fortement et peuvent provoquer un incendie. C'est le rôle du fusible ou du disjoncteur de couper avant.

Est-ce que l'eau conduit l'électricité ?

L'eau du robinet conduit, à cause des ions dissous qu'elle contient. L'eau distillée, qui en contient très peu, conduit très mal. C'est pour cela que l'on ne manipule jamais un appareil électrique avec les mains mouillées : l'eau du robinet et la sueur rendent le corps conducteur.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : Circuits électriques et sécurité

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

15 exercices corrigés
150 points
175 minutes

Faire les exercices

Fiche précédente Mélanges, solutions et dissolution

Ce chapitre resservira dans

Les chapitres qui le réclament en amont, plus tard dans l'année ou dans les années suivantes.

Tension, intensité et loi d'OhmQuatrième

Voir aussi

Toutes les fiches Tous les exercices Exercices : tension, intensité et loi d'Ohm (Quatrième)Fiche : tension, intensité et loi d'Ohm (Quatrième)Tuteur Cinquième Cours de physique

Vous cherchez un tuteur de physique-chimie à Montréal ?

Contactez-moi pour une première séance. On reprend les gestes qui coûtent des points en contrôle, du schéma normalisé jusqu'à la lecture d'un montage en dérivation, puis on les met à l'épreuve sur des exercices calibrés sur le niveau réel des évaluations de Cinquième.

Me contacter WhatsApp

Site par Studio Squalli