Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
41Circuits électriques et sécurité
Trois années de boucles, de lampes et de branches ont fait de toi un bâtisseur de circuits. Cette année, tu deviens quelque chose de plus rare : un rédacteur de circuits. Les électriciens de tous les pays lisent et dessinent la même langue sans mots — et sa grammaire, plus un chapitre de sagesse durement acquise sur la sécurité, est ce qui sépare un câblage astucieux de doigts brûlés.
41.1 La langue sans mots
Définition 41.1 (Schéma électrique)
Un schéma électrique est le dessin normalisé d’un circuit : chaque appareil y est représenté par son symbole convenu, et les fils par des traits droits aux angles bien carrés. Un schéma montre comment le circuit est relié — qui alimente qui, où la route se sépare — et ignore volontairement la façon dont les vrais fils serpentent sur la table.
Méthode 41.2 (De la table au papier, et retour)
Pour dessiner un circuit déjà monté :
- énumérer les appareils, et choisir le symbole de chacun ;
- suivre du doigt la boucle réelle à partir du de la pile, en notant l’ordre des appareils et chaque embranchement ;
- redessiner sous forme de rectangle bien net : symboles espacés, fils droits, angles carrés — les mêmes liaisons, sans serpents.
Pour monter un circuit à partir d’un schéma, il suffit de faire la traduction à l’envers — puis de vérifier, comme toujours : toute boucle partie du doit atteindre le en traversant au moins un appareil.
Exemple 41.3 (Un même circuit, deux portraits)
Sur la table : une pile, un enchevêtrement de fils à pinces crocodiles qui passent par-dessus une trousse, une lampe appuyée sur un livre, un interrupteur qui pendouille. Sur le papier : un rectangle bien calme — la pile à gauche, l’interrupteur en haut, la lampe à droite. L’enchevêtrement et le rectangle sont le même circuit : toutes les liaisons y sont identiques. Pour décider si deux circuits sont les mêmes, une seule question : qui est relié à qui ?
Exemple 41.4 (Moteurs et vibreurs entrent dans le jeu)
Deux nouveaux venus dans ta boîte se comportent exactement comme des lampes sur un schéma : le moteur (symbole : un M dans un cercle) tourne dès qu’un courant le traverse — ventilateurs, voitures miniatures, perceuses ; le vibreur (un cercle barré) sonne dès qu’il est alimenté — sonnettes, alarmes. Les règles des circuits en série et en dérivation s’appliquent à eux sans changement : un interrupteur en série les commande ; des branches en dérivation les rendent indépendants.
41.2 De vieilles règles dans la nouvelle langue
Exemple 41.5 (Lire un schéma en professionnel)
Devant un schéma, interroge-le avec la promenade du doigt du chapitre sur les circuits en dérivation : depuis le , parcours toutes les routes jusqu’au . Tous les appareils sur une même route : en série — une seule coupure les arrête tous, l’ordre est libre, l’éclat se partage. Des routes qui se séparent aux points des nœuds : en dérivation — branches indépendantes, plein éclat pour chacune, et le placement de l’interrupteur devient une vraie décision. La langue a changé ; les lois, non.
41.3 Le chapitre des cicatrices
Les règles de sécurité de l’électricité ont été payées en incendies, et pire encore. Les voici, avec leurs raisons — un professionnel connaît les deux.
Définition 41.6 (Court-circuit)
Un court-circuit se produit quand une route conductrice nue relie directement les deux côtés d’une pile (ou d’une prise), en sautant tous les appareils. N’ayant plus rien d’utile sur son chemin, le courant se rue — les fils chauffent, l’isolant fond, les piles sont fichues, et l’installation du secteur peut prendre feu. Le chapitre sur les circuits de l’an prochain étudiera le coupable de près ; cette année, apprends à reconnaître son visage et tiens-le hors de tes montages.
Remarque 41.7 (Les gardes du corps de la maison)
Regarde à l’intérieur du tableau électrique de la maison : des rangées de petits interrupteurs — les disjoncteurs — un par branche du grand circuit en dérivation de la maison. Chacun monte la garde sur sa branche : si un défaut laisse le courant se ruer — un court-circuit, une prise surchargée — le garde se coupe lui-même en un clin d’œil, isolant la branche avant que les fils ne surchauffent. Quand un disjoncteur « saute », il ne se comporte pas mal : il vient de faire son unique métier. Trouve le défaut avant de le réarmer.
Remarque 41.8 (Les règles, avec leurs raisons)
- Des expériences avec des piles seulement ; la prise, jamais. Le secteur pousse des centaines de fois plus fort — à travers une peau humide, il peut arrêter un cœur.
- Jamais de fil nu directement en travers d’une pile. C’est un court-circuit : piles fichues, fil brûlant, doigts brûlés.
- L’eau et le courant du secteur ne partagent jamais le même coin de pièce : pas d’appareil près de la baignoire, pas de mains mouillées sur une prise — la peau humide est un conducteur.
- N’enfonce jamais quoi que ce soit dans une prise. Le garde du tableau électrique est rapide, mais il ne faut jamais parier sur lui.
- Les cordons abîmés vont à la poubelle, et non dans le tiroir : un isolant fendu est une clôture avec un trou.
41.4 Exercices
Exercice 41.1 ★
Que montre fidèlement un schéma électrique, et qu’ignore-t-il volontairement ?
Solution
Solution de Exercice 41.1.
Fidèlement : les liaisons — quel appareil rejoint quel autre, où les routes se séparent. Ignorés : la longueur, la couleur et les serpentements réels des fils sur la table.
Exercice 41.2 ★
Dessine de mémoire les symboles : pile ; lampe ; interrupteur ouvert ; interrupteur fermé ; moteur ; vibreur. Quel signe indique le côté de la pile ?
Solution
Solution de Exercice 41.2.
La pile : deux barres parallèles inégales ; la lampe : un cercle barré d’une croix ; l’interrupteur ouvert : un pont-levis relevé ; l’interrupteur fermé : le pont posé à plat ; le moteur : un M dans un cercle ; le vibreur : un cercle barré. C’est la barre longue qui marque le de la pile.
Exercice 41.3 ★
Dessine le schéma d’une sonnette : pile, bouton-poussoir et vibreur sur une seule boucle. Pourquoi la sonnerie s’arrête-t-elle quand le doigt se retire ?
Solution
Solution de Exercice 41.3.
Un seul rectangle : pile, bouton-poussoir et vibreur sur une unique boucle. Retirer le doigt ouvre l’interrupteur — une coupure sur l’unique route — et la loi de la boucle fait taire le vibreur instantanément.
Exercice 41.4 ★
Deux circuits sont montés avec la même boîte de pièces : sont-ils « le même circuit » ? Quelle question unique tranche ?
Solution
Solution de Exercice 41.4.
Pas nécessairement. La question qui tranche : qui est relié à qui ? Les mêmes appareils avec les mêmes liaisons — le même circuit, aussi différents que paraissent les enchevêtrements.
Exercice 41.5 ★
Sur le schéma lampe-et-moteur du chapitre, qu’arrive-t-il au ventilateur si la lampe grille ? Et aux deux si l’interrupteur s’ouvre ? Quelles vieilles règles répondent ?
Solution
Solution de Exercice 41.5.
Le ventilateur continue de tourner : la mort de la lampe n’éteint que sa propre branche — l’indépendance de la dérivation. L’interrupteur ouvert se trouve sur la route commune, avant l’embranchement : il les arrête donc tous les deux — la règle des postes de commande.
Exercice 41.6 ★
Qu’est-ce qu’un court-circuit, et pourquoi fait-il chauffer les fils ? Cite deux de ses victimes.
Solution
Solution de Exercice 41.6.
Une route conductrice nue qui relie directement les deux côtés de la source, en sautant tous les appareils : rien ne gêne plus le courant, il se rue et les fils chauffent. Victimes : la pile (vidée et fichue), l’isolant du fil — et, sur le secteur, parfois la maison entière.
Exercice 41.7 ★
Un disjoncteur du tableau électrique a sauté. Que vient-il de faire pour la maison ? Que faut-il faire avant de le réarmer ?
Solution
Solution de Exercice 41.7.
Il a coupé sa branche en un clin d’œil parce que le courant s’est mis à se ruer — un défaut, non un caprice. Il faut trouver et réparer le défaut (débrancher le suspect, inspecter la branche) avant de réarmer le garde.
Exercice 41.8 ★
Donne la raison derrière chaque règle : pas d’appareil près de la baignoire ; les cordons abîmés à la poubelle ; les jeux avec une pile oui, la prise jamais.
Solution
Solution de Exercice 41.8.
La baignoire : la peau humide conduit, et la poussée du secteur à travers un corps mouillé peut être mortelle. Les cordons abîmés : un isolant fendu est une clôture avec un trou — des doigts peuvent rencontrer le cuivre. La pile oui, la prise jamais : la poussée de la pile est minuscule ; celle de la prise est des centaines de fois plus puissante.
Exercice 41.9 ★★
Traduis en schéma (en mots ou en dessin) : une pile ; depuis son , un fil vers un interrupteur fermé ; à partir de l’interrupteur, un embranchement — une branche traverse un vibreur, l’autre une lampe ; les branches se rejoignent et reviennent au . Prédis ce que l’on entend et ce que l’on voit, et ce qui change si la seule branche du vibreur reçoit son propre interrupteur supplémentaire, ouvert.
Solution
Solution de Exercice 41.9.
Schéma : pile, interrupteur fermé sur la route commune, puis un embranchement — branche du vibreur et branche de la lampe — qui se rejoignent vers le . Prédiction : la lampe brille et le vibreur sonne, indépendamment. Avec un interrupteur supplémentaire ouvert sur la branche du vibreur : le silence de ce côté, mais la lampe continue de briller — les interrupteurs de branche ne commandent que leur branche.
Exercice 41.10 ★★
Un ventilateur jouet est câblé ainsi : de la pile au moteur, moteur au de la pile, et — « pour la solidité » — un fil nu supplémentaire directement du au . Le ventilateur tourne à peine et le fil supplémentaire chauffe. Diagnostique avec Définition 41.6 : quelle route le courant préfère-t-il, et pourquoi le montage est-il dangereux ?
Solution
Solution de Exercice 41.10.
Le fil supplémentaire est un court-circuit : une route nue et directe du au . Le courant préfère la route vide et facile au moteur qui travaille dur : le ventilateur est donc affamé pendant que le fil de raccourci encaisse la ruée et chauffe — ce qui vide la pile et invite les brûlures. Il faut supprimer le fil « de solidité ».
Exercice 41.11 ★★
L’astuce d’atelier de Papi : avant de toucher un luminaire, il coupe son interrupteur mural et le disjoncteur de toute la branche, au tableau électrique. Avec le raisonnement de la série, explique ce que chaque coupure obtient — et pourquoi l’homme prudent fait les deux.
Solution
Solution de Exercice 41.11.
L’interrupteur mural ouvre la boucle propre au luminaire — la route de la lampe est coupée. Le disjoncteur ouvre toute la branche, bien plus en amont — même si le câblage du luminaire est défectueux ou si l’interrupteur mural est mal repéré, la branche est morte. Deux coupures en série : chacune arrête le courant à elle seule, et les deux ensemble pardonnent une erreur sur l’une comme sur l’autre.
Exercice 41.12 ★★★
Conçois le câblage d’un théâtre de marionnettes : un interrupteur général qui plonge tout dans le noir ; deux lampes de scène qui doivent tomber en panne indépendamment ; un moteur de rideau et un vibreur d’annonce, chacun avec son propre interrupteur de commande. Décris (ou dessine) le schéma — quels appareils sont sur la route commune, lesquels sur des branches, où se place chaque interrupteur — et contrôle ton projet avec toutes les règles de la série et de la dérivation que tu possèdes.
Solution
Solution de Exercice 41.12.
La pile, puis l’interrupteur général sur la route commune, puis quatre branches en dérivation : lampe de scène 1 ; lampe de scène 2 ; moteur de rideau avec son propre interrupteur en série ; vibreur avec son propre interrupteur en série. Contrôles : le général commande tout (route commune) ; les lampes tombent en panne indépendamment (branches séparées) ; le moteur et le vibreur obéissent chacun à son interrupteur (en série au sein de leur branche) et s’ignorent l’un l’autre (en dérivation entre branches).
41.5 Problème : câbler la cabane de jardin
Problème 41.1
Problème du week-end — une famille câble sa cabane de jardin ; les schémas avant les tournevis ; la liste de contrôle de l’inspecteur
La famille dessine d’abord sur le papier le petit réseau à piles de la cabane — comme le font les professionnels.
Partie I — le plan sur le papier. La liste des souhaits : un plafonnier commandé à la porte ; une lampe d’établi avec son propre interrupteur ; un petit ventilateur d’aération (un moteur) avec son propre interrupteur.
- Pourquoi les trois appareils doivent-ils être sur des branches en dérivation plutôt que sur une seule boucle en série ? Donne deux conforts qui disparaîtraient en série.
- Chaque branche porte son propre interrupteur. Que commande chaque interrupteur, et que ne commande aucun d’eux ?
- Où doit se placer un interrupteur général pour éteindre et faire taire toute la cabane d’un coup ?
- Dessine (ou décris précisément) le schéma complet : pile, interrupteur général, trois branches, quatre interrupteurs en tout.
Partie II — le montage, inspecté.
- Une fois monté et allumé, le plafonnier brille — mais faiblement — et la lampe d’établi ne brille que si l’interrupteur du ventilateur est fermé. La promenade du doigt trouve la lampe d’établi et le ventilateur sur une même branche, l’un derrière l’autre. Nomme leur disposition, et explique les deux symptômes avec les vieilles règles.
- Donne la réparation, en un seul fil, qui rétablit le plan.
- Pendant le rangement, un tournevis se pose un instant en travers des deux bornes nues de la pile et devient chaud. Nomme l’événement, et dis ce que la famille doit vérifier ensuite au sujet de la pile.
- Le parent-inspecteur ajoute une règle : « chaque jonction emballée, aucun cuivre nu nulle part ». Contre quels deux dangers cette seule règle protège-t-elle ?
Partie III — la nuit de tempête.
- Une nuit de pluie : le toit de la cabane fuit sur l’établi. Pourquoi la famille ne doit-elle pas toucher le câblage avec les mains mouillées, même dans une cabane alimentée par des piles — et pourquoi le même geste serait-il bien plus grave dans la maison alimentée par le secteur ?
- Les lumières de la maison vacillent et un disjoncteur saute. Qu’a détecté le disjoncteur, et quel est l’ordre raisonnable des actions ?
- Au matin, la famille débat de l’ajout d’une sonnette — vibreur à la cabane, bouton-poussoir à la maison, un long fil double entre les deux. En série ou en dérivation avec le réseau de la cabane ? D’où vient son courant ? Esquisse la boucle.
- Rédige la charte de sécurité de la famille pour la cabane, en trois lignes : une sur les prises, une sur l’eau, une sur les fils nus.
Solution
Solution de Problème 41.1.
1. En série, un seul appareil grillé ou éteint plongerait tout dans le noir, et les trois appareils se partageraient la poussée, tous faibles et poussifs. La dérivation garde chaque appareil indépendant et à pleine puissance. 2. Chaque interrupteur commande exactement l’appareil de sa propre branche ; aucun d’eux ne commande les autres branches. 3. Sur la route commune, entre la pile et le premier embranchement — en amont de toutes les branches. 4. Pile interrupteur général nœud d’où partent trois branches — (plafonnier son interrupteur), (lampe d’établi son interrupteur), (moteur du ventilateur son interrupteur) — qui se rejoignent et reviennent à la pile. 5. Ils sont en série sur une même branche : ils se partagent la poussée (tous deux poussifs — le plafonnier terne était en réalité le symptôme du couple de l’établi), et l’interrupteur du ventilateur, placé sur leur route commune, les commande tous les deux. 6. Les séparer : tirer un fil neuf pour que la lampe d’établi ait sa propre branche en travers de l’alimentation — chacune est alors à pleine puissance et indépendante. 7. Un court-circuit entre les bornes. Vérifier si la pile délivre encore quelque chose — les courts-circuits la vident et peuvent la détruire (une pile devenue chaude mérite la retraite). 8. Les courts-circuits (des fils nus qui se rencontrent) et les chocs ou brûlures (des doigts qui rencontrent le cuivre nu). 9. La peau humide conduit bien mieux que la peau sèche ; même un montage à pile mérite la discipline des mains sèches — et, dans la maison, le même geste rencontre la poussée du secteur, des centaines de fois plus puissante : possiblement mortelle. Les habitudes doivent s’acquérir sur le circuit sans danger. 10. Le disjoncteur a détecté qu’un courant trop grand se ruait dans sa branche — un défaut, sans doute de la pluie dans un appareillage. Ordre raisonnable : laisser le disjoncteur coupé, débrancher et inspecter la branche, réparer ou sécher le défaut, et seulement ensuite réarmer. 11. Sa propre boucle, distincte du réseau de la cabane (ou comme une branche en dérivation de plus sur la pile de la cabane) : pile, bouton-poussoir à la maison, long fil double, vibreur à la cabane, et retour — une sonnette est une boucle en série à elle seule, quelle que soit la longueur de ses fils. 12. Par exemple : « Prises : nos expériences s’arrêtent à la pile — la prise n’est pas à nous. Eau : aucune main mouillée ne touche un câblage, dedans ou dehors. Fils nus : chaque jonction emballée ; un fil nu est un défaut, pas un raccourci. »