Physique-Chimie 3ème — Brevet

Électricité : circuits, tension et intensité

Cours complet : circuits série et dérivation, tension (U), intensité (I), résistance et loi d’Ohm (U = R×I), puissance (P = U×I), énergie électrique (E = P×t), alternateur, tension alternative et sécurité électrique. Formules et FAQ pour le brevet.

L’électricité est un thème incontournable du brevet en physique-chimie. Les sujets portent souvent sur les lois des circuits, la loi d’Ohm, le calcul de puissance et d’énergie, et l’alternateur. Ce cours couvre l’ensemble du programme.

I. Le circuit électrique

📖 Définition

Un circuit électrique est un ensemble de dipôles reliés entre eux par des fils conducteurs, formant une boucle fermée dans laquelle peut circuler un courant électrique.

Les dipôles à connaître

Dipôle Rôle Symbole normalisé
Générateur (pile) Fournit l’énergie électrique au circuit Trait long (+) / trait court (−)
Lampe Convertit l’énergie électrique en lumière et chaleur Cercle avec croix
Moteur Convertit l’énergie électrique en énergie mécanique Cercle avec M
Résistance (conducteur ohmique) Limite le courant. Convertit l’énergie électrique en chaleur Rectangle
Interrupteur Ouvre ou ferme le circuit Segment ouvert/fermé
DEL (diode électroluminescente) Émet de la lumière. Ne laisse passer le courant que dans un sens Triangle + trait + flèches
Ampèremètre Mesure l’intensité (branché en série) Cercle avec A
Voltmètre Mesure la tension (branché en dérivation) Cercle avec V

II. Circuits en série et en dérivation

​ Circuit en série Circuit en dérivation (parallèle)
Branchement Les dipôles sont à la suite les uns des autres, sur une seule boucle Les dipôles sont sur des branches différentes (plusieurs boucles)
Intensité (I) Identique en tout point du circuit L’intensité se partage entre les branches : I_total = I₁ + I₂ + …
Tension (U) La tension du générateur se partage : U_gén = U₁ + U₂ + … Identique aux bornes de chaque branche
Si un dipôle grille Le circuit est coupé → tout s’éteint Les autres branches continuent de fonctionner
Exemple quotidien Guirlande de Noël ancienne Prises de la maison, guirlande LED moderne
🔑 Lois fondamentales

Loi d’unicité de l’intensité (série) : l’intensité est la même en tout point d’un circuit en série.
Loi d’additivité des tensions (série) : U_gén = U₁ + U₂ + …

Loi d’unicité de la tension (dérivation) : la tension est la même aux bornes de chaque branche.
Loi d’additivité des intensités (dérivation) : I_total = I₁ + I₂ + …

III. La tension électrique (U)

📖 Définition

La tension électrique (U) est la différence de potentiel entre deux points d’un circuit. C’est elle qui « pousse » le courant à circuler. Elle se mesure en volts (V) avec un voltmètre branché en dérivation (en parallèle du dipôle).

Source de tension Valeur typique
Pile plate 4,5 V
Pile ronde AA/AAA 1,5 V
Batterie de voiture 12 V
Prise secteur (France) 230 V (tension efficace)
Ligne haute tension 225 000 V à 400 000 V

IV. L’intensité du courant (I)

📖 Définition

L’intensité (I) mesure le débit de charges électriques qui traversent un point du circuit. C’est la « quantité de courant » qui passe. Elle se mesure en ampères (A) avec un ampèremètre branché en série.

Appareil Intensité typique
LED ~20 mA (0,02 A)
Chargeur de téléphone ~1 à 2 A
Lampe classique ~0,5 A
Radiateur électrique ~8 à 10 A
Plaque de cuisson ~30 A
💡 Conversions d’unités

1 A = 1 000 mA (milliampères)
1 V = 1 000 mV (millivolts)
1 kV = 1 000 V (kilovolts)

V. La résistance et la loi d’Ohm

📖 Définition

La résistance (R) d’un conducteur ohmique mesure sa capacité à s’opposer au passage du courant. Elle s’exprime en ohms (Ω). Plus la résistance est grande, moins le courant passe (à tension constante).

📐 Loi d’Ohm

U = R × I

Avec :
• U = tension aux bornes de la résistance (en V)
• R = résistance (en Ω)
• I = intensité du courant (en A)

Variantes : R = U / I   et   I = U / R

Caractéristique d’un conducteur ohmique

Si on trace le graphique U en fonction de I pour un conducteur ohmique, on obtient une droite passant par l’origine. La pente de cette droite est la résistance R.

💡 Lire un graphique (type brevet)

On te donne un graphique U = f(I). Pour trouver R, choisis un point de la droite et calcule R = U / I. Exemple : si U = 6 V pour I = 0,3 A, alors R = 6 / 0,3 = 20 Ω.

Exemple de calcul

Une résistance de 47 Ω est traversée par un courant de 0,2 A. Quelle est la tension à ses bornes ?

Étape Calcul
1. Formule U = R × I
2. Application numérique U = 47 × 0,2
3. Résultat U = 9,4 V

VI. Puissance et énergie électrique

A. La puissance électrique

📐 Formule de la puissance

P = U × I

Avec :
• P = puissance (en watts, W)
• U = tension (en V)
• I = intensité (en A)

La puissance indiquée sur un appareil (ex : « 2 000 W ») est sa puissance nominale : elle fonctionne dans les conditions normales d’utilisation.

Appareil Puissance typique
Chargeur de téléphone 5 à 20 W
Ampoule LED 5 à 15 W
Téléviseur 50 à 150 W
Aspirateur 800 à 2 000 W
Radiateur électrique 1 000 à 2 500 W
Plaque de cuisson 2 000 à 7 000 W

B. L’énergie électrique

📐 Formule de l’énergie

E = P × t

Avec :
• E = énergie consommée (en J si t en secondes, ou en Wh si t en heures)
• P = puissance (en W)
• t = durée d’utilisation (en s ou h)

Conversion : 1 kWh = 1 000 Wh = 3 600 000 J

Exemple de calcul (type brevet)

Un radiateur de 1 500 W fonctionne pendant 4 heures. Quelle énergie consomme-t-il ?

Étape Calcul
1. Formule E = P × t
2. En Wh E = 1 500 × 4 = 6 000 Wh = 6 kWh
3. En joules E = 1 500 × (4 × 3 600) = 1 500 × 14 400 = 21 600 000 J
🔑 À retenir

Le kWh (kilowattheure) est l’unité utilisée sur les factures d’électricité. C’est une unité d’énergie, pas de puissance. 1 kWh = l’énergie consommée par un appareil de 1 000 W pendant 1 heure.

VII. L’alternateur et la tension alternative

A. L’alternateur

📖 Définition

Un alternateur est un appareil qui convertit l’énergie mécanique (rotation) en énergie électrique. Il produit une tension alternative.

Composant Rôle
Aimant (rotor) Partie mobile qui tourne. Crée un champ magnétique
Bobine (stator) Partie fixe. Le mouvement de l’aimant à proximité crée une tension alternative à ses bornes

C’est le même principe dans toutes les centrales électriques : une source d’énergie (vapeur, vent, eau) fait tourner une turbine, qui entraîne un alternateur, qui produit de l’électricité.

B. Tension continue vs tension alternative

​ Tension continue Tension alternative
Valeur Constante dans le temps Varie périodiquement (oscille entre + et −)
Allure sur oscilloscope Ligne horizontale Courbe sinusoïdale
Source Pile, batterie Alternateur, prise secteur
Symbole — (trait droit) ~ (sinusoïde)

C. Caractéristiques d’une tension alternative

Grandeur Définition Formule / Valeur
Période (T) Durée d’un motif qui se répète (un cycle complet) En secondes (s). Se mesure sur l’oscilloscope entre 2 points identiques
Fréquence (f) Nombre de périodes par seconde f = 1 / T. En hertz (Hz)
Tension maximale (Umax) Valeur la plus haute atteinte par la tension Se lit sur l’oscilloscope (amplitude)
Tension efficace (Ueff) Équivalent en continu. Valeur affichée par un voltmètre en mode AC Ueff = Umax / √2 ≈ Umax × 0,707
📐 Formules tension alternative

f = 1 / T   et   T = 1 / f

Ueff = Umax / √2   (soit Umax ≈ Ueff × 1,414)

En France : Ueff = 230 V, f = 50 Hz, donc T = 1/50 = 0,02 s et Umax ≈ 325 V.

💡 Lire un oscilloscope (type brevet)

L’oscilloscope affiche la tension en fonction du temps. Pour trouver :
• Umax : lire l’amplitude verticale maximale (nombre de divisions × sensibilité en V/div)
• T : mesurer la durée d’un motif complet (nombre de divisions × base de temps en s/div)
• Puis calculer f = 1/T et Ueff = Umax/√2

VIII. Sécurité électrique

Dispositif Rôle
Disjoncteur Coupe le courant si l’intensité dépasse une valeur maximale (surcharge ou court-circuit). Protège l’installation
Fusible Même rôle que le disjoncteur mais fond (à usage unique). Protège l’appareil
Prise de terre Évacue le courant de fuite vers le sol en cas de défaut d’isolement. Protège les personnes
Disjoncteur différentiel Détecte une fuite de courant (différence entre intensité entrante et sortante) et coupe immédiatement. Protège les personnes
⚠️ Danger de l’électricité

Le courant du secteur (230 V) est mortel. L’électrocution survient quand le courant traverse le corps humain. Le danger dépend de l’intensité du courant traversant le corps :
• 0,5 mA : seuil de perception (picotement)
• 10 mA : contraction musculaire (impossible de lâcher)
• 30 mA : risque de fibrillation cardiaque → mort
C’est pourquoi le disjoncteur différentiel se déclenche à 30 mA.

IX. Récapitulatif des formules

Grandeur Formule Unités
Loi d’Ohm U = R × I V, Ω, A
Puissance P = U × I W, V, A
Énergie E = P × t J (t en s) ou Wh (t en h)
Fréquence f = 1 / T Hz, s
Tension efficace Ueff = Umax / √2 V
Additivité tensions (série) Ugén = U₁ + U₂ + … V
Additivité intensités (dérivation) Itotal = I₁ + I₂ + … A

X. Glossaire des définitions

DipôleComposant électrique avec deux bornes (pile, lampe, résistance, moteur, interrupteur).
Circuit en sérieCircuit à une seule boucle. Même intensité partout. Les tensions s’additionnent.
Circuit en dérivationCircuit à plusieurs boucles (branches). Même tension aux bornes de chaque branche. Les intensités s’additionnent.
Tension (U)Différence de potentiel entre deux points. Se mesure en volts (V) avec un voltmètre en dérivation.
Intensité (I)Débit de charges électriques. Se mesure en ampères (A) avec un ampèremètre en série.
Résistance (R)Capacité d’un conducteur à s’opposer au courant. En ohms (Ω). Loi d’Ohm : U = R × I.
Conducteur ohmiqueDipôle dont la caractéristique U = f(I) est une droite passant par l’origine. Suit la loi d’Ohm.
Puissance (P)Énergie transférée par unité de temps. P = U × I. En watts (W).
Énergie électrique (E)Énergie consommée par un appareil. E = P × t. En joules (J) ou kilowattheures (kWh).
AlternateurConvertisseur d’énergie mécanique en énergie électrique (tension alternative). Composé d’un aimant (rotor) et d’une bobine (stator).
Tension alternativeTension qui varie périodiquement et change de signe. Forme sinusoïdale. Produite par un alternateur.
Période (T)Durée d’un motif complet d’une tension alternative. En secondes (s). T = 1/f.
Fréquence (f)Nombre de périodes par seconde. En hertz (Hz). f = 1/T. Secteur français : 50 Hz.
Tension efficaceValeur équivalente en continu d’une tension alternative. U_eff = U_max / √2. C’est la valeur du voltmètre.
Court-circuitConnexion directe entre les deux bornes du générateur sans résistance. Provoque un courant très intense → danger.

XI. Questions fréquentes (FAQ)

Série : une seule boucle, même intensité partout, les tensions s’ajoutent. Si un dipôle grille, tout s’éteint. Dérivation : plusieurs branches, même tension partout, les intensités s’ajoutent. Si un dipôle grille, les autres marchent.

U = R × I. Pour un conducteur ohmique, la tension est proportionnelle à l’intensité. Sur un graphique U = f(I), c’est une droite passant par l’origine dont la pente = R.

P = U × I (puissance en watts). E = P × t (énergie en joules ou Wh). Sur une facture : 1 kWh = 1 000 W pendant 1 h = 3 600 000 J.

C’est une tension qui oscille entre + et − périodiquement (sinusoïde). Caractérisée par sa période T, sa fréquence f = 1/T et sa tension max. En France : 230 V efficace, 50 Hz.

Un aimant (rotor) tourne à proximité d’une bobine (stator). Ce mouvement crée une tension alternative. C’est le même principe dans toutes les centrales : turbine → alternateur → électricité.

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