Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
16Un premier circuit électrique
Clic — la lampe de poche jette son faisceau à travers la pièce sombre. Dans ce tube de plastique vivent une pile, une petite lampe et deux bandes de métal, qui jouent à un jeu aux règles strictes. Aujourd’hui, nous démontons le jeu : avec une pile, une lampe et deux fils, nous allons faire de la lumière de nos propres mains.
16.1 Une lampe, une pile, deux fils
Définition 16.1 (La pile)
Une pile est une petite réserve d’électricité. Elle a deux extrémités différentes, appelées ses bornes : l’une marquée (plus), l’autre marquée (moins). Les deux comptent — l’électricité ne joue que lorsque toutes les deux entrent dans la partie.
Définition 16.2 (La lampe)
Une lampe est une petite ampoule dont le mince filament, à l’intérieur du verre, devient blanc de chaleur quand l’électricité le traverse. Regarde de près son culot de métal : la lampe a elle aussi deux endroits de contact — le plot tout en bas, et le côté métallique du culot. Deux bornes sur la pile, deux contacts sur la lampe : ce n’est pas un hasard.
Méthode 16.3 (Allumer la lampe)
Avec une pile, une lampe et deux fils :
- relier un fil de la borne de la pile au plot du culot de la lampe ;
- relier l’autre fil de la borne de la pile au côté métallique du culot ;
- la lampe s’allume — tu viens de construire un circuit !
Si elle reste éteinte, cherche les suspects habituels : un fil qui touche le verre au lieu du contact métallique, une connexion mal serrée, ou une pile usée.
16.2 Le circuit doit être fermé
Définition 16.4 (Circuit électrique)
Un circuit électrique est une boucle complète pour l’électricité : on sort d’une borne de la pile, on traverse les fils et la lampe, et on revient par l’autre borne. Quand la boucle est complète, on dit que le circuit est fermé ; s’il présente une coupure quelque part, il est ouvert.
Proposition 16.5 (La loi de la boucle)
La lampe ne s’allume que si le circuit est fermé — une boucle ininterrompue partant d’une borne, traversant la lampe, et revenant à l’autre borne. Une seule coupure, n’importe où dans la boucle, et la lampe s’éteint : l’électricité ne saute pas les coupures, et elle ne s’engage pas dans les impasses.
Exemple 16.6 (Pourquoi les deux extrémités ?)
Relie deux fils de la borne de la pile aux deux contacts de la lampe, en laissant le de côté : rien. Un fil depuis le et un depuis le , mais tous les deux au plot de la lampe : rien encore. La lampe ne s’allume que si la boucle passe par les deux bornes différentes de la pile et par les deux contacts différents de la lampe — un aller-retour complet.
Exemple 16.7 (L’interrupteur)
Un interrupteur est une porte dans le circuit : un petit pont de métal que le clic pose (fermé — la boucle est complète, de la lumière !) ou soulève (une coupure — l’obscurité). Le bouton de la lampe de poche, l’interrupteur du mur, le bouton d’une sonnette : tous sont des portes dans une boucle. Tu peux en fabriquer un avec une pince à linge et une bande de papier d’aluminium repliée sur ses mâchoires.
Remarque 16.8 (Des dessins bien propres)
Plutôt que de dessiner chaque bosse de la pile et chaque pas de vis de la lampe, les électriciens utilisent des symboles : deux barres inégales pour la pile (la longue est le ), un cercle barré d’une croix pour la lampe, un petit pont-levis pour l’interrupteur, et des traits droits pour les fils. Un schéma en symboles se dessine plus vite, et n’importe qui dans le monde peut le lire — nous utiliserons ces schémas pendant de nombreuses années.
Remarque 16.9 (La pile oui, la prise jamais)
Tout ce chapitre se joue avec de petites piles rondes ou plates : leur poussée est minuscule et sans danger pour les expériences. La prise de courant est un autre monde — sa poussée est des centaines de fois plus puissante, assez pour blesser ou tuer. N’introduis jamais de fils, de doigts ni quoi que ce soit dans une prise, et ne démonte jamais un appareil qui s’y branche. Les jeux avec une pile : oui. La prise : jamais.
16.3 Exercices
Exercice 16.1 ★
Nomme les deux bornes d’une pile et les deux endroits de contact d’une lampe.
Exercice 16.2 ★
Qu’est-ce qu’un circuit fermé ? Qu’est-ce qu’un circuit ouvert ? Dans lequel la lampe s’allume-t-elle ?
Solution
Solution de Exercice 16.2.
Fermé : une boucle ininterrompue d’une borne à l’autre. Ouvert : une boucle avec une coupure quelque part. La lampe ne s’allume que dans le circuit fermé.
Exercice 16.3 ★
Léa relie la borne de la pile au plot de la lampe avec un fil, et s’arrête là. La lampe reste éteinte. Que manque-t-il, dans les mots de la loi de la boucle ?
Exercice 16.4 ★
Quel métier fait un interrupteur dans la boucle ? Qu’y a-t-il à l’intérieur d’un interrupteur quand il est fermé ?
Solution
Solution de Exercice 16.4.
L’interrupteur est une porte dans la boucle : fermé, il complète le circuit ; ouvert, il crée une coupure. À l’intérieur d’un interrupteur fermé, un petit pont de métal relie les deux fils.
Exercice 16.5 ★
Dessine, avec les symboles bien propres de Remarque 16.8, un circuit comportant une pile, un interrupteur fermé et une lampe. Quel symbole correspond à quoi ?
Solution
Solution de Exercice 16.5.
Une boucle de traits droits reliant : deux barres inégales (la pile, la barre longue étant le ), le symbole du pont-levis posé à plat (l’interrupteur), et un cercle barré d’une croix (la lampe).
Exercice 16.6 ★
La lampe de poche s’éteint au milieu d’un camping. Donne trois coupures ou pannes possibles à vérifier, d’après Méthode 16.3.
Exercice 16.7 ★
Dans le circuit d’une sonnette, où se trouve l’« interrupteur » ? Pourquoi la sonnerie ne retentit-elle que tant qu’on appuie sur le bouton ?
Solution
Solution de Exercice 16.7.
Le bouton est l’interrupteur. En appuyant, on pose le pont de métal et on ferme la boucle : la sonnerie retentit ; en relâchant, on soulève le pont, la coupure s’ouvre et la sonnerie s’arrête.
Exercice 16.8 ★
Pourquoi ne faut-il jamais enfoncer quoi que ce soit dans une prise de courant, alors que jouer avec une pile ne pose pas de problème ? (Voir Remarque 16.9.)
Solution
Solution de Exercice 16.8.
La poussée de la pile est minuscule et sans danger ; celle de la prise est des centaines de fois plus puissante et peut blesser ou tuer. Les prises ne sont pas faites pour les expériences — jamais.
Exercice 16.9 ★
Une lampe tenue par son plot sur la borne de la pile, et un fil partant de la borne pressé contre le côté métallique du culot : s’allumera-t-elle ? Suis la boucle du doigt pour décider.
Exercice 16.10 ★★
Sam construit une boucle : pile, fil, lampe, fil, retour à la pile — mais il branche les deux fils sur la même borne, le , « parce qu’elle était plus près ». La lampe reste éteinte alors que la boucle paraît complète. Explique ce qui manque à sa boucle, à l’aide de Exemple 16.6.
Exercice 16.11 ★★
Dans une guirlande de fête, il manque une lampe, et la guirlande entière est éteinte, alors que toutes les autres lampes sont en bon état. Que t’apprend cela sur la façon dont les lampes sont disposées dans la boucle ? (Le chapitre sur les circuits de l’an prochain donnera un nom à cette disposition.)
Solution
Solution de Exercice 16.11.
Les lampes sont forcément toutes sur une seule et même boucle, les unes après les autres : la lampe manquante laisse une coupure, et une seule coupure éteint toute la guirlande — c’est la loi de la boucle. (L’an prochain, cette disposition les unes après les autres recevra son nom : un circuit en série.)