Électricité : circuits, lois et puissance en 3ème
Cours complet, points clés à retenir et exercices d'entraînement de électricité : circuits, lois et puissance pour les élèves de 3ème. Conforme au programme officiel.
Réviser notion par notion
Ce que tu vas réviser
- Circuit électrique : générateur, récepteur, conducteur
- Tension (V), intensité (A) — mesures
- Circuits série et dérivation
- Loi des mailles, loi des nœuds
- Loi d'Ohm : U = R × I
- Puissance électrique P = U × I
- Énergie électrique E = P × t (kWh)
- Sécurité électrique (surintensité, court-circuit, fusible, disjoncteur, prise de terre)
Circuit électrique, tension et intensité
Un circuit électrique simple comprend un générateur, des récepteurs (lampe, moteur, résistance...) et des fils conducteurs, formant une boucle fermée. L'intensité $I$ du courant, en ampères (A), se mesure avec un ampèremètre branché en série. La tension $U$, en volts (V), se mesure avec un voltmètre branché en dérivation, aux bornes du dipôle.
Exemple
Pour mesurer la tension aux bornes d'une lampe, on branche le voltmètre en parallèle sur la lampe. Pour mesurer l'intensité qui la traverse, on place l'ampèremètre dans la boucle du circuit, en série avec elle.
À retenir : L'ampèremètre se branche en série et mesure l'intensité en ampères ; le voltmètre se branche en dérivation et mesure la tension en volts.
Loi d'Ohm
Pour un conducteur ohmique de résistance $R$ (en ohms, $\Omega$), la tension $U$ à ses bornes est proportionnelle à l'intensité $I$ du courant qui le traverse : $U = R \times I$.
Exemple
Un conducteur ohmique de résistance $100\ \Omega$ soumis à une tension de 5 V est traversé par un courant d'intensité $I = \frac{U}{R} = \frac{5}{100} = 0{,}05$ A.
À retenir : La formule $U = R \times I$ permet de calculer la tension, la résistance ou l'intensité si on connaît les deux autres.
Séries, dérivations : loi des mailles et loi des nœuds
Dans un circuit en série, l'intensité est la même en tout point et la tension aux bornes de l'ensemble est la somme des tensions aux bornes de chaque dipôle. Plus généralement, la loi des mailles dit que, dans une maille (boucle) du circuit, la somme algébrique des tensions est nulle. Dans un circuit en dérivation, la tension est la même aux bornes de chaque branche, et la loi des nœuds dit que l'intensité dans la branche principale est égale à la somme des intensités dans les branches dérivées.
Exemple
Deux lampes en dérivation sont alimentées par un générateur de 6 V : chaque lampe est soumise à 6 V. Si l'intensité dans la branche principale est de 0,5 A et celle dans la première lampe de 0,2 A, l'intensité dans la seconde est de $0{,}5 - 0{,}2 = 0{,}3$ A.
À retenir : En série : même intensité, les tensions s'ajoutent. En dérivation : même tension, les intensités s'ajoutent (loi des nœuds).
Résistances en série et dérivation
Pour des résistances en série, la résistance équivalente est la somme des résistances : $R_{total} = R_1 + R_2$. Pour des résistances en dérivation, le courant dispose de plusieurs chemins : la résistance de l'ensemble est plus petite que celle de chacune des branches.
Exemple
Les guirlandes de Noël : si tu mets les ampoules en série et qu'une casse, toutes s'éteignent. En dérivation, chaque ampoule fonctionne indépendamment.
À retenir : En série, la résistance totale augmente. En dérivation, elle diminue.
Puissance et énergie électrique
La puissance est l'énergie transférée ou consommée par seconde : $P = U \times I$ (en watts). L'énergie consommée est $E = P \times t$ : en joules si $P$ est en watts et $t$ en secondes, en kilowattheures (kWh) si $P$ est en kilowatts et $t$ en heures.
Exemple
Un four électrique de 3 000 W consomme 3 000 J chaque seconde, une ampoule de 10 W en consomme 10. Pendant une heure, le four consomme $3 \times 1 = 3$ kWh et l'ampoule $0{,}01 \times 1 = 0{,}01$ kWh. C'est pour ça que ta facture d'électricité augmente quand tu utilises le four.
À retenir : Plus la puissance est grande, plus l'appareil consomme d'énergie rapidement : $P = U \times I$ et $E = P \times t$.
Sécurité électrique
Une surintensité (intensité trop élevée) échauffe les fils et peut provoquer un incendie. Elle apparaît lors d'un court-circuit (liaison directe entre les bornes du générateur, par un fil sans résistance) ou d'une surcharge (trop d'appareils branchés). Le fusible (qui fond) et le disjoncteur (qui s'ouvre) coupent alors le circuit. La prise de terre relie la carcasse métallique des appareils à la terre : en cas de défaut, le courant s'écoule vers la terre et protège des chocs électriques.
Exemple
Un appareil de 3 000 W branché sur 230 V est traversé par un courant d'intensité $I = \frac{P}{U} = \frac{3\,000}{230} \approx 13$ A. Sur un circuit protégé par un disjoncteur de 16 A, il peut fonctionner ; en ajoutant un second gros appareil, l'intensité dépasse 16 A et le disjoncteur coupe le circuit.
À retenir : Fusible et disjoncteur protègent des surintensités (court-circuit, surcharge) ; la prise de terre protège des chocs électriques.
Tension alternative et courant alternatif
Le courant alternatif change régulièrement de sens, et la tension alternative varie de façon périodique, en prenant des valeurs positives puis négatives. En France, la tension du secteur a une fréquence de 50 Hz : elle se répète 50 fois par seconde (50 périodes par seconde), donc le sens du courant s'inverse 100 fois par seconde. La tension d'une pile est au contraire continue : elle reste constante.
Exemple
La prise de courant de ta maison fournit une tension alternative de 230 V (valeur efficace) et de fréquence 50 Hz. Une pile fournit une tension continue, par exemple 4,5 V. Sur l'écran d'un oscilloscope, la tension du secteur apparaît comme une courbe qui se répète.
À retenir : En France, la tension du secteur est alternative, de fréquence 50 Hz (50 périodes par seconde) ; une pile fournit une tension continue.
Électromagnétisme et aimants
Un aimant crée un champ magnétique autour de lui. Un courant électrique qui passe dans un fil crée aussi un champ magnétique. Une bobine (solénoïde) parcourue par un courant se comporte comme un aimant, un électroaimant, dont le champ disparaît quand le courant est coupé. Inversement, un champ magnétique qui varie peut faire naître un courant dans un circuit : c'est l'induction électromagnétique.
Exemple
Une grue à électroaimant dans une casse automobile soulève des carcasses en fer, puis les relâche quand on coupe le courant. Les appareils d'IRM de l'hôpital utilisent des électroaimants géants.
À retenir : Un courant électrique crée un champ magnétique, et un champ magnétique variable peut créer un courant (induction).
Moteur électrique et alternateur
Un moteur transforme l'énergie électrique en mouvement mécanique. Un alternateur (ou une dynamo) fait l'inverse : il transforme le mouvement mécanique en électricité. Les deux fonctionnent grâce à l'électromagnétisme.
Exemple
Le moteur de ton vélo électrique transforme l'électricité en rotation. Une dynamo de vélo classique génère de l'électricité quand tu pédales pour éclairer la lampe.
À retenir : Un moteur utilise l'électricité pour créer du mouvement, un alternateur utilise le mouvement pour créer de l'électricité.
Les points clés
- L'ampèremètre se branche en série (intensité en A), le voltmètre en dérivation (tension en V)
- La loi d'Ohm $U = R \times I$ relie tension, résistance et intensité d'un conducteur ohmique
- En série, les tensions s'ajoutent et l'intensité est la même ; en dérivation, la tension est la même et les intensités s'ajoutent
- La puissance $P = U \times I$ indique la vitesse de consommation d'énergie ; $E = P \times t$
- Fusible, disjoncteur et prise de terre protègent des surintensités et des chocs électriques
- La tension du secteur en France est alternative, de fréquence 50 Hz
- Un courant électrique crée un champ magnétique (électromagnétisme)
- Un moteur transforme l'électricité en mouvement, un alternateur fait l'inverse
L'essentiel
L'électricité, le magnétisme et le mouvement sont liés : un courant crée un champ magnétique, qui permet de créer du mouvement (moteur) ; inversement, un mouvement peut faire varier un champ magnétique et produire de l'électricité (alternateur).
Exercices d'entraînement
Entraîne-toi sur ces exercices, puis fais-toi corriger pas à pas par le tuteur.
Exercice 1
Un radiateur électrique a une résistance de 24 Ω et fonctionne sous une tension de 230 V. Calcule l'intensité du courant qui le traverse et la puissance consommée.
Corrige cet exercice avec le tuteur →Exercice 2
Deux résistances de 10 Ω et 15 Ω sont branchées en série sur une batterie de 12 V. Calcule la résistance totale, l'intensité du courant et la tension aux bornes de chaque résistance.
Corrige cet exercice avec le tuteur →