TP physique N° 08, Grandeurs électriques, correction,

TP Physique. N° 08

Grandeurs électriques.

Correction

Enoncé

Matériel :

2 multimètres (un jaune et un noir), un générateur,

2 conducteurs ohmiques,

Une lampe (12 V), un interrupteur,

Un conducteur ohmique de résistance R₁ = 18 Ω

Un conducteur ohmique de résistance R₂ = 47 Ω.

I - But.

II - Rappels et compléments : intensité du courant et tension électrique.

1)- Intensité du courant électrique.

2)- Tension électrique.

3)- Représentation tension-courant.

III - Le multimètre.

IV - Utilisation du multimètre.

V - Montage série.

1)- Dispositif expérimental.

2)- Mesures et exploitation des mesures.

VI - Montage dérivation.

1)- Dispositif expérimental.

2)- Mesures et exploitation des mesures.

VII - Utilisation d'un ohmmètre.

I- But.

- Apprendre à utiliser un voltmètre, un ampèremètre et un ohmmètre.

- établir les lois sur les tensions et sur les intensités.

II- Rappels et compléments : intensité du courant et tension électrique.

1)- Intensité du courant électrique.

Le courant électrique :

Un courant électrique est un déplacement de porteurs de charge électrique,

c’est un débit de porteur de charge.

Dans un métal, le courant électrique est dû

à un mouvement d’ensemble et ordonné des électrons libres.

Dans un électrolyte le courant électrique est dû

à la double migration des ions positifs et négatifs qui se déplacent en sens inverses.

- Par convention, le courant électrique sort de la borne positive du générateur.

Définition de l’intensité d’un courant électrique :

- L’intensité d’un courant électrique est le rapport

- de la quantité d’électricité Q ayant traversé une section s du circuit

- par la durée Δt.

- On écrit :

I =	Q

	Δt

I intensité en ampère A

Q = n.e charge électrique en coulomb C

Δt durée en seconde s

- L’intensité du courant électrique se mesure à l’aide d’un ampèremètre placé en série dans la branche de circuit.

- L’intensité, notée I s’exprime en ampère de symbole A.

2)- Tension électrique.

- Il existe une tension électrique entre deux points A et B d’un circuit électrique, si ces deux points ne sont pas dans le même état électrique.

- On dit qu’il existe une différence de potentiel entre ces deux points.

- La tension électrique entre les deux points A et B d’un circuit électrique se note : U_AB.

- La tension électrique entre deux points d’un circuit se mesure à l’aide d’un voltmètre.

- Le voltmètre se branche en dérivation entre ces deux points.

- La tension U_AB s’exprime en volt de symbole V.

- Remarque :

- L’état électrique du point A d’un circuit se note V_A.

- Il s’exprime en volt (V).

- On écrit : U_AB = V_A – V_B.

- Représentation schématique de la tension U_AB.

- Sur un schéma, on représente la tension U_AB par un segment fléché dont la pointe est du côté du point A.

dipôle

- Remarque :

- La tension est une grandeur algébrique :

- U_AB = – U_BA.

- Avec : U_AB = V_A – V_B et U_BA = V_B – V_A

3)- Représentation tension-courant.

- On considère le circuit constitué d’une pile, d’une lampe, d’un interrupteur et de fils conducteurs.

- Schéma normalisé du circuit électrique :

circuit électrique

- On ferme l’interrupteur K.

- Un courant I circule dans le circuit.

- Il sort par la borne positive du générateur.

circuit électrique

- Pour le générateur (la pile),

- Le courant sort de la borne positive P et la tension U_PN > 0.

- La flèche représentant la tension et la flèche indiquant le sens du courant sont de même sens.

- Pour le récepteur (la lampe) :

- Le courant circule de A vers B et la tension U_AB > 0.

- La flèche représentant la tension et la flèche indiquant le sens du courant sont de sens contraires.

- Remarque :

- La flèche représentant la tension est à côté du circuit et la flèche indiquant le sens du courant est sur le circuit.

- Un dipôle peut être étudié en convention récepteur ou en convention générateur.

- Convention générateur :

- La flèche représentant la tension et la flèche indiquant le sens du courant sont de même sens.

Convention générateur

- Convention récepteur :

- La flèche représentant la tension et la flèche indiquant le sens du courant sont de sens contraires.

Convention récepteur

III- Le Multimètre

- Il joue le rôle d’ampèremètre, de voltmètre et d’ohmmètre.

- Un ampèremètre sert à mesurer l’intensité I d’un courant électrique (en A ou en mA).

- Un voltmètre sert à mesurer la tension U_AB entre deux points A et B d’un circuit électrique (en V ou en mV).

- Un ohmmètre sert à mesurer la résistance d’un conducteur ohmique (en ohm : Ω).

IV- Utilisation du multimètre

- Nature du courant.

- Calibre :

- Le calibre est la valeur maximale que le multimètre peut mesurer.

- Remarque :

- Lorsque le multimètre est utilisé en ampèremètre, on risque de détériorer le fusible si on dépasse la valeur du calibre.

- C’est l’intensité ou la tension maximale que peut supporter l’appareil sans être détérioré.

- Branchement :

- En série pour l’ampèremètre et en dérivation pour le voltmètre.

- Schémas :

- Sens du branchement

- Schémas :

V- Le montage en série.

1)- Dispositif expérimental.

Réaliser le montage suivant :

circuit électrique

Régler au préalable la tension du générateur : U _PN = 12 V.

2)- Mesures et exploitation des mesures.

Représenter U_PN, U_PA, U_AB, U_BC, U_CD, U_DE, U_EN et U_AE.

- On ferme l’interrupteur.

Mesurer U_PN, U_PA, U_AB, U_BC, U_CD, U_DE, U_EN et U_AE.

- Simulation avec crocodile physics :

Tension aux bornes du générateur U_PN ≈ 12,0 V
Tension aux bornes d’un fil	U_PA ≈ 0,4 mV	Tension aux bornes de la lampe	U_CD ≈ 6,99 V
Tension aux bornes de l’interrupteur	U_AB ≈ 0,6 mV	Tension aux bornes d’un C.O (R₂)	U_DE ≈ 3,61 V
Tension aux bornes du C.O (R ₁)	U_BC ≈ 1,38 V	Tension aux bornes d’un fil	U_EN ≈ 0,2 mV
Tension aux bornes de l’association U_AE ≈ 12,0 V

Comparer et U_AE à U_AB + U_BC + U_CD + U_DE. Conclusion 1.

► Conclusion 1 :

La tension aux bornes d’un ensemble d’appareils branchés en série

est égale à la somme des tensions aux bornes de chacun d’eux.

Mesurer l’intensité du courant en trois points du circuit.

Conclusion 2.

- Simulation avec crocodile physics :

circuit

Mesure 1	L’ampèremètre est placé entre les points E et N	I₂ = 75 mA
Mesure 2	L’ampèremètre est placé entre les points B et C	I₃ = 75 mA
Mesure 3	L’ampèremètre est placé entre les points P et A	I₄ = 75 mA

► Conclusion 2 :

L’intensité est la même en tous points d’un circuit série.

VI- Montage en dérivation.

1)- Dispositif expérimental.

Réaliser le montage suivant :

Montage en dérivation

Régler au préalable la tension du générateur : U _PN = 3,0 V.

2)- Mesures et exploitation des mesures.

- Fermer l’interrupteur.

Mesurer U_PN, U_AB, U_CD, U_EF.

Comparer U_PN à U_AB et à U_CD. Conclusion 3.

- Simulation avec crocodile physics :

circuit électrique

Tension aux bornes du générateur U_PN ≈ 3,0 V
Tension aux bornes du C.O (R₁)	U_AB ≈ 3,0 V	Tension aux bornes d’un C.O (R₂)	U_DE ≈ 3,0 V
Tension aux bornes U_AE ≈ 3,0 V

► Conclusion 3 :

La tension est la même aux bornes d’appareils branchés en dérivation.

Mesurer l’intensité du courant dans les branches PE, AB, CD, FN.

Conclusion 4.

Mesure 1	L’ampèremètre est placé dans la branche PE	I ≈ 0,214 A
Mesure 2	L’ampèremètre est placé dans la branche AB	I₁ ≈ 0,158 A
Mesure 3	L’ampèremètre est placé dans la branche CD	I₂ ≈ 0,063 A
Mesure 4	L’ampèremètre est placé dans la branche FN	I ≈ 0,214 A
Calibre utilisé : 400 mA et résistance interne de l’ampèremètre R_i ≈ 1,0 Ω

- On ne vérifie pas bien que I = I₁ + I₂

- Ceci provient du fait qu’un ampèremètre possède une résistance interne.

- Cette résistance interne est faible, d’autant plus petite que le calibre utilisé est grand.

- On peut réaliser la mesure en utilisant 3 ampèremètres sur le même calibre.

- Dans ce cas, on remarque que : I ≈ I₁ + I₂

- Simulation avec crocodile physics :

circuit électrique

► Conclusion 4 :

L’intensité du courant dans la branche principale est égale à la somme des intensités dans les branches dérivées.

VII- Utilisation d’un ohmmètre.

- Mesurer la valeur de la résistance R₁.

- Mesurer la valeur de la résistance R₂.

- Mesurer la valeur de la résistance R₃ constituée par les conducteurs ohmiques R₁ et R₂ associés en série.

- Conclusion 5.

Calibre : 200 Ω
Mesure 1	Valeur de la résistance R₁	R₁ ≈ 18,0 Ω
Mesure 2	Valeur de la résistance R₂	R₂ ≈ 46,8 Ω
Mesure 3	Valeur de la résistance R₃ (association série)	R₃ ≈ 64,8 Ω
► Conclusion 5 : R₃ ≈ R₁ + R₂ ► Remarque 1 : La résistance de l’association série est toujours plus grande que la plus grande des résistances associées. ► Remarque 2 : La résistance de l’association série de plusieurs conducteurs ohmiques est égale à la somme des résistances : R₃ = R₁ + R₂

- Mesurer la valeur de la résistance R₄ constituée par les conducteurs ohmiques R₁ et R ₂ associés en dérivation.

- Conclusion 6.

Mesure 1

Valeur de la résistance R₁

R₁ ≈ 18,0 Ω

Mesure 2

Valeur de la résistance R₂

R₂ ≈ 46,8 Ω

Mesure 3

Valeur de la résistance R₄

(Association parallèle)

R₄ ≈ 13,0 Ω

► Conclusion 6 :

Relation à vérifier :

► Remarque 1 :

La résistance de l’association en dérivation

est toujours plus petite que la plus petite des résistances associées.

► Remarque 2 :

Il faut travailler avec les conductances :

La conductance d’un conducteur ohmique est égale à l’inverse de sa résistance,

on écrit :

G =	1

	R

Unité : siemens S

	Résistance	Conductance
Mesure 1	R₁ ≈ 18,0 Ω	G₁ ≈ 0,056 S
Mesure 2	R₂ ≈ 46,8 Ω	G₂ ≈ 0,021 S
Mesure 3	R₄ ≈ 13,0 Ω	G₄ ≈ 0,077 S

► Conclusion 6 (suite) :

G₄ ≈ G₁ + G₂

► La conductance de l’association en dérivation est égale à la somme des conductances.

G₄ = G₁ + G₂