École › Électricité › 15–16 ans
Intensité, tension, résistance et puissance
Le courant comme débit de charge, la loi d'Ohm, les résistances en série et en dérivation, la puissance électrique et l'énergie en kWh. Avec une investigation sur la résistance d'un fil.
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L'intensité du courant est le débit de charge : I = ΔQ / Δt, mesurée en ampères (1 A = 1 C/s). Par convention, le courant circule du + vers le −, le sens dans lequel se déplacerait une charge positive ; dans les fils métalliques, les porteurs de charge sont des électrons, qui dérivent dans l'autre sens. Un courant constant exige un apport continu d'énergie, comme une pile.[1]
La loi d'Ohm : le courant dans un conducteur est proportionnel à la tension à ses bornes, U = R·I, où R est la résistance en ohms (1 Ω = 1 V/A). Des matériaux comme le cuivre et l'aluminium sont ohmiques : leur résistance ne dépend pas du courant, du moins à température constante.[2]
Les conducteurs comme les métaux ont des électrons libres qui laissent les charges se déplacer facilement ; les isolants comme le verre, le caoutchouc et le plastique, non. C'est pourquoi les câbles sont en cuivre isolé.[5]
Pour des résistances en série, Rs = R₁ + R₂ + …, et le même courant les traverse toutes. En dérivation, 1/Rp = 1/R₁ + 1/R₂ + … : le total est inférieur à la plus petite résistance, et chaque branche a toute la tension de la source. Les appareils domestiques sont branchés en dérivation pour fonctionner indépendamment.[3]
La puissance est le débit de transfert d'énergie : P = U·I, ce qui, avec la loi d'Ohm, donne aussi P = R·I² et P = U²/R. L'énergie consommée vaut E = P·t. Les factures d'électricité utilisent le kilowattheure : 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J.[4]
Essaie: Comment la longueur d'un fil influence-t-elle sa résistance ?
Il te faut
- Environ 1,2 m de fil résistant fin en constantan ou en nichrome, fixé le long d'une règle d'un mètre
- Une alimentation continue basse tension ou un bloc de piles (3 V max.) et un interrupteur
- Un ampèremètre et un voltmètre (ou deux multimètres)
- Des cordons à pinces crocodiles
- En option : une résistance fixe pour protéger le circuit
Sécurité
Basse tension uniquement (3 V max.). Le fil résistant peut chauffer pour les petites longueurs : coupez le courant entre les mesures et ne touchez pas le fil pendant que le courant passe. Ne branchez jamais le fil directement sur l'alimentation sans l'ampèremètre et l'interrupteur.
Ce qu'il faut faire
- Branche en série l'alimentation, l'interrupteur, l'ampèremètre et le fil ; branche le voltmètre aux bornes de la longueur de fil testée (entre les deux pinces crocodiles sur le fil).
- Écarte les pinces de 20 cm. Ferme l'interrupteur, lis rapidement U et I, puis ouvre l'interrupteur.
- Recommence pour 40, 60, 80 et 100 cm. Fais chaque mesure deux fois.
- Calcule R = U / I pour chaque longueur.
- Trace R (axe des ordonnées) en fonction de la longueur L (axe des abscisses) et la droite de meilleur ajustement.
- Décris la relation et explique-la.
Que se passe-t-il, et pourquoi ?
R augmente proportionnellement à L : le graphique est une droite qui passe par l'origine (ou tout près), car dans un fil plus long les électrons qui dérivent doivent traverser plus de matière. On lit vite parce qu'un fil chaud a une résistance un peu plus grande. Un petit décalage à L = 0 peut venir de la résistance de contact aux pinces.[2][1]
Joue: Calculatrice de circuits
Calcule chaque réponse, puis choisis la bonne case. Utilise U = R·I, P = U·I et les règles pour la série et la dérivation.
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