Les circuits électriques simples

Prends une lampe de poche. À l'intérieur, il y a une pile, une petite ampoule, un interrupteur et des fils. Quand tu appuies sur le bouton, la lampe s'allume. Quand tu relâches, elle s'éteint. Cette leçon explique pourquoi.

Chacun de ces objets s'appelle un dipôle : un composant électrique qui possède exactement deux bornes, c'est-à-dire deux endroits où l'on peut brancher un fil. La pile est un dipôle, la lampe est un dipôle, l'interrupteur aussi.

Un circuit électrique est un ensemble de dipôles reliés par des fils. Pour que la lampe brille, il faut que les fils forment une boucle complète, qui part d'une borne de la pile et revient à l'autre borne de la pile.

La règle la plus importante de la leçon. Le courant électrique ne passe que dans un circuit fermé, c'est-à-dire une boucle sans aucune coupure. Dès qu'il y a une coupure quelque part, le circuit est ouvert et le courant ne passe plus nulle part : la lampe s'éteint aussitôt.

Une coupure peut venir de trois choses, et il faut savoir les reconnaître toutes les trois :

1. un interrupteur ouvert ;
2. un fil débranché ou cassé ;
3. une lampe dévissée, ou dont le filament est grillé.

Dans les trois cas, c'est la même histoire : la boucle n'est plus complète.

Deux rôles différents dans un circuit. La pile est un générateur : c'est le dipôle qui fournit l'énergie électrique au circuit. La lampe et le moteur sont des récepteurs : ce sont les dipôles qui reçoivent cette énergie et la transforment en autre chose, en lumière pour la lampe, en mouvement pour le moteur. Un circuit a besoin d'au moins un générateur ; sans lui, rien ne se passe.

Dans quel sens circule le courant ? Les scientifiques se sont mis d'accord sur une convention : à l'extérieur du générateur, le sens conventionnel du courant va de la borne plus (+) vers la borne moins (−). C'est un choix ancien, fait avant que l'on sache ce qui circule réellement dans les fils. Il est le même pour tout le monde, partout, et c'est ce qui compte.

Une idée fausse à écarter tout de suite. Le courant ne s'use pas en traversant une lampe. Il ne part pas de la pile pour être « consommé » par la lampe. Ce qui se transforme dans la lampe, c'est l'énergie, pas le courant. En 4e, tu le mesureras : le courant est exactement le même juste avant et juste après la lampe.

Ce qui laisse passer le courant, et ce qui l'arrête. Un conducteur est un matériau qui laisse passer le courant électrique : tous les métaux le sont, comme le cuivre, le fer ou l'aluminium. Un isolant est un matériau qui ne le laisse pas passer : le plastique, le verre, le bois sec, le caoutchouc. C'est pour cela qu'un fil électrique est fait de cuivre à l'intérieur et de plastique à l'extérieur.

Il existe deux façons de brancher plusieurs dipôles dans un même circuit. Elles ne se ressemblent pas du tout, et savoir les distinguer est le cœur du chapitre.

Le montage en série : une seule boucle. Les dipôles sont placés les uns à la suite des autres, sur une boucle unique. Le courant n'a qu'un seul chemin possible : il traverse tous les dipôles, l'un après l'autre.

Trois conséquences se déduisent de cette phrase, sans rien apprendre par cœur :

1. Si l'on dévisse une lampe, toutes les autres s'éteignent : la boucle unique est coupée, et il n'existe aucun autre chemin.
2. Plus on ajoute de lampes en série, moins chacune brille. Les lampes se partagent ce que le générateur fournit.
3. L'ordre des dipôles sur la boucle n'a aucune importance : mettre l'interrupteur avant ou après la lampe donne exactement le même comportement.

Le montage en dérivation : plusieurs branches. Les dipôles sont placés chacun sur sa propre branche, entre les deux mêmes bornes du générateur. Le courant a alors plusieurs chemins possibles, et il se partage entre eux. Les points où les branches se séparent, puis se rejoignent, s'appellent des nœuds.

Les conséquences sont, cette fois, presque à l'opposé :

1. Si l'on dévisse une lampe, les autres continuent de briller : leur branche à elles n'a pas été coupée.
2. Ajouter une lampe sur une nouvelle branche ne change presque rien à l'éclat des autres.
3. Chaque branche peut être commandée séparément.

Où placer l'interrupteur ? La question qui change tout. En série, elle ne se pose pas : l'interrupteur est sur la boucle unique, donc il coupe le circuit entier. En dérivation, tout dépend de l'endroit :

• sur la branche principale, juste à la sortie du générateur, il coupe toutes les branches à la fois ;
• sur une seule branche, il ne coupe que la lampe de cette branche, et les autres restent allumées.

C'est exactement ce que fait l'installation électrique de ta maison. Toutes les lampes y sont montées en dérivation, chacune avec son propre interrupteur : c'est pourquoi tu peux éteindre la cuisine sans éteindre ta chambre. En série, il faudrait tout éteindre à la fois, et chaque lampe supplémentaire affaiblirait toutes les autres.

Le court-circuit. On appelle court-circuit le fait de relier les deux bornes d'un dipôle par un simple fil, c'est-à-dire d'offrir au courant un chemin sans aucun récepteur. Le courant passe alors presque entièrement par ce fil, parce que c'est le chemin le plus facile.

Court-circuiter une lampe montée en série avec d'autres : cette lampe s'éteint, puisque le courant passe désormais par le fil au lieu de la traverser. Les autres lampes de la boucle, elles, brillent plus fort qu'avant.

Court-circuiter le générateur est tout autre chose, et c'est dangereux. Un fil relié directement d'une borne à l'autre de la pile ne contient aucun récepteur : le courant devient très intense, les fils et la pile chauffent fortement, et un incendie devient possible. Une pile ainsi court-circuitée se vide en quelques minutes. Cela ne se fait jamais volontairement.

Attention, un piège vient précisément d'ici. En dérivation, chaque lampe est déjà branchée entre les deux bornes du générateur. Relier les deux bornes de cette lampe par un fil revient donc à relier les deux bornes du générateur : ce n'est pas le court-circuit d'une lampe, c'est le court-circuit de la pile. Le résultat n'est pas « cette lampe s'éteint et les autres continuent » : toutes les lampes s'éteignent, et la pile chauffe. La conclusion du montage en série ne se transporte donc pas telle quelle en dérivation, et c'est l'erreur la plus coûteuse du chapitre.

On réalise un montage comprenant deux lampes montées chacune sur sa propre branche, entre les deux bornes de la pile, et un interrupteur placé sur la branche de la première lampe. L'interrupteur est fermé : les deux lampes brillent.

1. Ce montage est-il en série ou en dérivation ?

Il est en dérivation. La description le dit en toutes lettres : chaque lampe est sur sa propre branche. Le courant a donc deux chemins possibles entre les deux bornes de la pile, et il se partage entre eux. En série, il n'y aurait qu'une seule boucle, et la description parlerait de dipôles placés les uns à la suite des autres.

2. On ouvre l'interrupteur. Que se passe-t-il ?

L'interrupteur est sur la branche de la première lampe seulement. L'ouvrir coupe donc cette branche-là, et elle seule : la première lampe s'éteint. La branche de la seconde lampe n'a pas été touchée, sa boucle vers la pile reste complète, et la seconde lampe reste allumée.

Ce qu'il faut remarquer. Si le même interrupteur avait été placé sur la branche principale, juste à la sortie de la pile, la réponse aurait été l'inverse : les deux lampes se seraient éteintes. La place de l'interrupteur fait toute la réponse.

3. On referme l'interrupteur, puis on dévisse la seconde lampe. Que devient la première ?

Dévisser une lampe ouvre le circuit à l'endroit où elle se trouvait. Mais cet endroit est sur la seconde branche. La première branche, elle, forme toujours une boucle complète depuis la borne + de la pile jusqu'à la borne −. La première lampe continue donc de briller normalement.

Comparaison utile. Si les deux lampes avaient été montées en série, sur une seule boucle, dévisser l'une aurait éteint l'autre. C'est la différence la plus visible entre les deux montages, et le meilleur moyen de les reconnaître expérimentalement.

4. On revisse la lampe, puis on relie par un fil de cuivre les deux bornes de la seconde lampe. Que se passe-t-il ?

Attention : cette lampe est branchée entre les deux bornes de la pile. Relier ses deux bornes par un fil revient donc à relier les deux bornes de la pile. C'est un court-circuit du générateur : les deux lampes s'éteignent, le fil et la pile chauffent, et il faut débrancher immédiatement.

La leçon de cette question. En série, court-circuiter une lampe l'éteint et laisse les autres briller plus fort. En dérivation, la même manipulation court-circuite la pile. Avant de conclure, on regarde toujours où le fil est posé, et pas seulement ce qu'il relie.

Figure (fig.physics.circuit-series-parallel, SVG programmatique à produire) : la même pile et les deux mêmes lampes, montées de deux façons, dans la teinte physique de la charte. Tous les schémas sont tracés avec les symboles normalisés du collège.

• Panneau de gauche — le montage en série. Une seule boucle rectangulaire. Sur cette boucle, dans l'ordre : la pile (deux traits parallèles de longueurs inégales, le long marqué +, le court marqué −), un interrupteur fermé, la lampe L1 (cercle barré d'une croix), la lampe L2. Une flèche épaisse posée sur le fil indique le sens conventionnel du courant, sortant de la borne + de la pile. La même flèche est répétée en trois endroits de la boucle, toujours de la même épaisseur : un seul chemin, un seul courant.
• Encart sous le panneau de gauche. Le même montage, mais la lampe L1 dévissée, représentée par un cercle en pointillés portant une croix. Les deux lampes sont éteintes (cercles vides, non remplis), et un symbole de coupure barre le fil à l'emplacement de L1. Légende : « une coupure, tout s'éteint ».
• Panneau de droite — le montage en dérivation. La pile, puis un fil qui se sépare en deux branches en un point marqué d'un disque plein (le nœud), chaque branche portant une lampe, et les deux branches qui se rejoignent en un second disque plein avant de revenir à la pile. Un interrupteur est dessiné sur la branche de L1 seulement. Les flèches du courant sont ici d'épaisseurs différentes : épaisse sur la branche principale, plus fine sur chacune des deux branches, pour montrer que le courant se partage.
• Encart sous le panneau de droite. Le même montage, interrupteur ouvert : L1 est éteinte (cercle vide) et L2 est allumée (cercle rempli, avec de courts traits rayonnants). Légende : « une branche coupée, les autres continuent ».
• Bandeau d'avertissement en bas, encadré en trait épais : un fil reliant directement les deux bornes de la pile, marqué d'un pictogramme de danger, avec la mention « court-circuit du générateur : tout s'éteint, la pile chauffe ». Une accolade rappelle qu'en dérivation, une lampe est déjà branchée entre les deux bornes de la pile.

Ce qu'il faut lire. Compte les chemins. À gauche, il n'y en a qu'un, et la flèche du courant est partout la même : couper n'importe où coupe tout. À droite, il y en a deux, et les flèches n'ont pas la même épaisseur : couper une branche laisse l'autre intacte. Toute la différence entre les deux montages tient dans ce comptage, pas dans l'allure du dessin.

La figure en détail : deux schémas de circuit côte à côte, tracés avec les symboles normalisés. À gauche, une pile, un interrupteur et deux lampes forment une boucle unique ; des flèches de même épaisseur, répétées en trois endroits, montrent le sens du courant de la borne plus vers la borne moins. Un encart montre la même boucle avec une lampe dévissée : les deux lampes sont éteintes et un symbole de coupure barre le fil. À droite, la pile alimente deux branches séparées en deux nœuds figurés par des disques pleins ; chaque branche porte une lampe, un interrupteur est placé sur la branche de la première. Les flèches du courant sont épaisses sur la branche principale et plus fines sur chaque branche. Un encart montre l'interrupteur ouvert : la première lampe est éteinte, la seconde reste allumée. Un bandeau en bas, encadré et marqué d'un pictogramme de danger, montre un fil reliant directement les deux bornes de la pile et rappelle qu'un court-circuit du générateur éteint tout et fait chauffer la pile.

En 5e, l'électricité ne se calcule pas encore : elle se raisonne. Il n'y a donc aucune formule à appliquer dans ce chapitre, mais quatre règles qui, elles, permettent de répondre à toutes les questions.

Aucune unité dans cette leçon, et c'est normal. Tu n'as ici ni nombre à calculer, ni appareil de mesure à brancher. Les grandeurs de l'électricité arrivent l'an prochain : l'intensité du courant, qui se mesure en ampères avec un ampèremètre, et la tension, qui se mesure en volts avec un voltmètre. Elles donneront des valeurs chiffrées aux règles que tu apprends aujourd'hui.

Ce que ces règles ne disent pas. Elles ne permettent pas de prévoir de combien une lampe brille moins quand on en ajoute une autre en série : il faut pour cela l'intensité et la tension, donc la 4e. Elles ne permettent pas non plus de traiter un montage mêlant série et dérivation dans le même circuit, qui n'est pas au programme du cycle 4.

Le vocabulaire, en une ligne chacun. Un dipôle est un composant à deux bornes. Un générateur fournit l'énergie électrique. Un récepteur la reçoit et la transforme. Un nœud est un point où des branches se séparent ou se rejoignent. Un conducteur laisse passer le courant, un isolant ne le laisse pas passer. Un court-circuit est un chemin sans récepteur reliant les deux bornes d'un dipôle.

1. Croire que le courant « s'use » en traversant une lampe. C'est l'erreur la plus répandue, et elle conduit à penser qu'en série la première lampe brille plus que la seconde. C'est faux : sur une boucle unique, les deux lampes brillent de la même façon. Ce qui se transforme dans une lampe, c'est l'énergie, pas le courant.
2. Penser qu'un circuit ouvert fonctionne quand même un peu. Un interrupteur ouvert laisse un petit espace d'air entre ses deux contacts, et l'air sec est un isolant : il ne laisse rien passer. Un circuit ouvert ne fonctionne pas faiblement, il ne fonctionne pas du tout.
3. Confondre série et dérivation. Le test est toujours le même : compte les chemins possibles pour le courant entre les deux bornes du générateur. Un seul chemin, c'est une série. Plusieurs chemins, c'est une dérivation. Ne te fie jamais à l'allure du dessin.
4. Oublier de regarder où est placé l'interrupteur. En dérivation, « on ouvre l'interrupteur » n'a pas une réponse unique. Sur la branche principale, il éteint tout ; sur une seule branche, il n'éteint que la lampe de cette branche. La question est incomplète tant qu'on n'a pas lu sa position.
5. Transporter en dérivation la conclusion du court-circuit en série. Court-circuiter une lampe en série l'éteint et laisse les autres briller plus fort. En dérivation, la même manipulation court-circuite la pile : tout s'éteint et la pile chauffe. La conclusion dépend du montage, pas du geste.
6. Croire qu'une pile fabrique du courant à l'avance et le stocke. Une pile stocke de l'énergie sous forme chimique. Le courant, lui, n'existe que lorsque le circuit est fermé, et il s'arrête à l'instant même où on l'ouvre.
7. Penser que l'eau est isolante. L'eau pure conduit très mal le courant, mais l'eau du robinet, l'eau salée et l'eau de mer contiennent des sels dissous qui la rendent conductrice. C'est pour cela qu'on ne touche pas un appareil électrique avec les mains mouillées.
8. Croire que l'ordre des dipôles change quelque chose en série. Sur une boucle unique, placer l'interrupteur avant ou après la lampe donne exactement le même comportement : le courant traverse de toute façon tous les dipôles de la boucle.

Exercice type. L'exercice décrit un montage en toutes lettres, sans schéma : il précise toujours sa topologie (« en une seule boucle » ou « chacune sur sa propre branche ») et la place de l'interrupteur. Il pose ensuite une question à choix multiples : dévisser une lampe, ouvrir l'interrupteur, classer le montage, comparer les éclats, court-circuiter une lampe, ou dire si un matériau est conducteur. Aucune valeur chiffrée n'apparaît, et c'est voulu : rien ne se calcule en 5e.

Énoncé. On réalise un montage comprenant trois lampes montées chacune sur sa propre branche, entre les deux bornes de la pile, et un interrupteur placé sur la branche de la première lampe. L'interrupteur est fermé et les lampes brillent. On dévisse alors l'une des lampes. Que deviennent les autres lampes ?

Correction complète.

Étape 1 — lire la description avant tout. Elle dit : « chacune sur sa propre branche, entre les deux bornes de la pile ». Le montage est donc en dérivation. Cette phrase seule décide de la réponse ; tout le reste en découle.

Étape 2 — traduire le geste. Dévisser une lampe ouvre le circuit exactement là où cette lampe se trouvait. Plus rien ne peut passer par cet endroit précis.

Étape 3 — chercher s'il reste un chemin complet. En dérivation, chaque lampe a sa propre branche entre les deux bornes de la pile. Ouvrir une branche ne touche pas les autres : leurs boucles restent complètes, de la borne + jusqu'à la borne −.

Étape 4 — conclure. Les autres lampes continuent de briller : leur trajet vers la pile reste complet. Leur éclat ne change presque pas.

Étape 5 — vérifier en imaginant l'autre montage. Si les trois lampes avaient été en série, sur une seule boucle, la réponse aurait été l'inverse : toutes les autres se seraient éteintes, car le trajet unique aurait été coupé. Faire ce va-et-vient entre les deux montages est le meilleur contrôle possible, et il ne coûte rien.

Auto-contrôle en deux questions. Combien de chemins le courant a-t-il dans ce montage ? Le geste décrit coupe-t-il tous ces chemins, ou un seul ? Ces deux questions suffisent à répondre à presque toutes les variantes de ce modèle.