Physique du primaire et du collège · Grades 1–9

55L’intensité du courant et l’ampèremètre

« Courant fort, courant faible » — nous parlons ainsi depuis des années, en dosant l’éclat et la prise au jugé. Le jugé prend sa retraite aujourd’hui. L’intensité du courant reçoit un nom, une unité et un instrument ; et la première chose que l’instrument démontre est une loi que tu soupçonnais depuis longtemps sans l’avoir jamais mesurée.

55.1 L’intensité et son unité

Définition 55.1 (Intensité)

L’intensité $I$ d’un courant électrique mesure la vigueur de la marche : quelle quantité de charge électrique défile par seconde devant un point du circuit — le débit du courant, comme celui d’une rivière est une quantité d’eau par seconde. Son unité est l’ampère ( $\mathrm{A}$ ), en l’honneur d’un grand pionnier des lois de l’électricité ; les circuits de tous les jours parlent souvent en milliampères : $1\,\mathrm{mA} = 0.001\,\mathrm{A}$ , un millième.

Exemple 55.2 (Des ampères à reconnaître d’un coup d’œil)

Un petit voyant lumineux sirote environ $0.02\,\mathrm{A}$ — $20\,\mathrm{mA}$ ; une ampoule de lampe de poche, autour de $0.3\,\mathrm{A}$ ; le gros phare d’une voiture, $5\,\mathrm{A}$ ; une bouilloire à plein régime, $10\,\mathrm{A}$ ; un moteur de voiture qui démarre avale $100\,\mathrm{A}$ à sa batterie ; un éclair, le temps de sa milliseconde, enfonce des dizaines de milliers d’ampères dans son canal. Et l’échelle du danger donne à réfléchir : des courants de quelques centièmes d’ampère à travers un corps humain peuvent déjà être mortels — le respect commence bien au-dessous d’un ampère.

Remarque 55.3 (La personne et l’unité)

Écrite en toutes lettres, l’unité prend une minuscule — « un courant de deux ampères » — tandis que le mot avec majuscule nomme la personne, comme pour toute unité qui honore un savant. Le symbole $\mathrm{A}$ , lui, reste en capitale. Tu retrouveras bientôt cette convention, deux fois.

55.2 L’ampèremètre

Définition 55.4 (Ampèremètre)

Un ampèremètre mesure l’intensité. Il compte la marche qui passe à travers lui — il doit donc être inséré en série, dans la boucle même qu’il mesure, comme un péage sur la route. Construit pour déranger la marche aussi peu que possible, il ne s’oppose presque pas au courant — et c’est aussi pourquoi un ampèremètre branché par erreur directement en travers d’une pile est un court-circuit muni d’un cadran : la façon classique d’en casser un.

Méthode 55.5 (Mesurer une intensité)

couper le circuit ; ouvrir la boucle à l’endroit où le courant doit être compté ;
insérer l’ampèremètre dans la coupure : le courant entre par sa borne $\mathrm{A}$ et ressort par sa borne commune, de sorte que le sens conventionnel entre par la porte d’entrée de l’appareil ;
sur un appareil à plusieurs calibres, commencer par le plus grand calibre, puis descendre jusqu’à ce que la lecture s’installe confortablement sur le cadran — ce qui protège l’appareil des surprises ;
fermer l’interrupteur, lire — et écrire l’unité.

Un branchement à l’envers sur un appareil à aiguille projette celle-ci contre sa butée ; les appareils numériques se contentent d’afficher un signe moins, et pardonnent aux élèves tous les jours.

L’ampèremètre prend sa place dans la boucle : un péage en série, qui compte la marche allumant la lampe.

La réalité de l’établi : un appareil, deux pointes de touche, et le courant du circuit devient un nombre sur l’afficheur.

55.3 La première loi mesurée

Proposition 55.6 (Une boucle, une intensité)

Dans un circuit en série, l’intensité est la même en tout point de la boucle. Déplace l’ampèremètre où tu veux — avant la lampe, après elle, à côté de la pile : la lecture ne change pas. Ce que cinq années de lampes d’éclat égal suggéraient, l’appareil l’énonce maintenant en nombres : rien n’est consommé en route ; une route, une marche, un seul $I$ .

Trois péages sur une seule boucle : avant, entre et après les lampes, chaque ampèremètre annonce les mêmes 0.30\, A. — Trois péages sur une seule boucle : avant, entre et après les lampes, chaque ampèremètre annonce les mêmes $0.30\,\mathrm{A}$ .

Exemple 55.7 (Lire les petites lignes de la loi)

La loi dit le long d’une même boucle, non quoi que tu fasses à la boucle. Ajoute une seconde lampe en série et la marche faiblit partout à la fois — peut-être les $0.30\,\mathrm{A}$ tombent-ils à $0.17\,\mathrm{A}$ — mais elle faiblit également partout : les trois péages s’accordent aussi sur le nouveau nombre. Une boucle, une intensité — quelle que soit cette intensité du moment.

Exemple 55.8 (Un coup d’œil au nœud)

Installe plutôt des péages sur une paire en dérivation : route principale $0.50\,\mathrm{A}$ ; branche numéro un $0.30\,\mathrm{A}$ ; branche numéro deux $0.20\,\mathrm{A}$ . La somme suggestive n’est pas un hasard — les marches qui entrent dans un nœud et celles qui en sortent doivent s’équilibrer, puisque la charge n’est ni créée ni détruite à un embranchement. La loi complète, avec sa partenaire pour la tension, tiendra séance dans deux chapitres ; tes appareils l’ont déjà rencontrée.

Remarque 55.9 (Le multimètre)

La brique jaune de l’atelier — le multimètre — replie l’ampèremètre et plusieurs autres instruments dans un seul boîtier muni d’un sélecteur. Sélecteur sur $\mathrm{A}$ ou $\mathrm{mA}$ , cordons dans les prises marquées, et c’est ton ampèremètre, règles de la série comprises. Deux chapitres de ce livre habitent déjà à l’intérieur ; un troisième y emménage au chapitre suivant — avec, attention, des règles de branchement opposées.

55.4 Exercices

Exercice 55.1 ★

Que mesure l’intensité, en langage de rivière ? Donne son unité et son symbole, et convertis $250\,\mathrm{mA}$ en ampères.

Solution

Solution de Exercice 55.1.

Le débit du courant — la charge qui passe par seconde, comme une rivière compte son eau par seconde. Unité : l’ampère, $\mathrm{A}$ ; $250\,\mathrm{mA} = 0.25\,\mathrm{A}$ .

Exercice 55.2 ★

Associe l’intensité à sa scène : $0.02\,\mathrm{A}$ ; $0.3\,\mathrm{A}$ ; $10\,\mathrm{A}$ ; $100\,\mathrm{A}$ — bouilloire, voyant lumineux, moteur qui démarre, ampoule de lampe de poche.

Solution

Solution de Exercice 55.2.

$0.02\,\mathrm{A}$ : voyant lumineux. $0.3\,\mathrm{A}$ : ampoule de lampe de poche. $10\,\mathrm{A}$ : bouilloire. $100\,\mathrm{A}$ : moteur qui démarre.

Exercice 55.3 ★

Pourquoi un ampèremètre doit-il être inséré en série ? À quoi est-il construit pour ne presque pas s’opposer, et quel accident cela rend-il possible ?

Solution

Solution de Exercice 55.3.

Il ne compte que la marche qui passe à travers lui : il doit donc se tenir sur la route — en série. Il ne s’oppose presque pas au courant ; branché directement en travers d’une pile, il devient donc un court-circuit muni d’un cadran.

Exercice 55.4 ★

Énumère les quatre étapes d’une mesure d’intensité bien faite. Pourquoi commencer par le plus grand calibre ?

Solution

Solution de Exercice 55.4.

Couper et ouvrir la boucle ; insérer l’appareil, le courant entrant par la borne $\mathrm{A}$ et sortant par la commune ; commencer par le plus grand calibre et descendre ; fermer, lire, écrire l’unité. Le plus grand calibre d’abord, pour qu’un courant plus fort que prévu rencontre le réglage le plus robuste au lieu d’en abîmer un délicat.

Exercice 55.5 ★

Énonce la loi « une boucle, une intensité ». Quelle vieille observation d’éclats égaux a-t-elle transformée en nombres ?

Solution

Solution de Exercice 55.5.

Dans un circuit en série, l’intensité est la même en tout point de la boucle. Elle a transformé en nombres la vieille observation que deux lampes identiques en série brillent exactement autant, où qu’elles soient placées.

Exercice 55.6 ★

Un ampèremètre placé avant un moteur en série indique $0.45\,\mathrm{A}$ . Qu’indiquera-t-il après le moteur ? Et à côté de la pile ?

Solution

Solution de Exercice 55.6.

$0.45\,\mathrm{A}$ , et $0.45\,\mathrm{A}$ : une boucle, une intensité.

Exercice 55.7 ★

Une seconde lampe rejoint une boucle en série et les $0.30\,\mathrm{A}$ de l’ampèremètre deviennent $0.17\,\mathrm{A}$ . La loi est-elle en défaut ? Explique les petites lignes.

Solution

Solution de Exercice 55.7.

Non. La loi promet une seule valeur le long de la boucle à un instant donné, non la même valeur après reconstruction de la boucle. La seconde lampe a affaibli la marche — également partout : tous les péages s’accordent maintenant sur $0.17\,\mathrm{A}$ .

Exercice 55.8 ★

Un ampèremètre numérique indique $-0.25$ $\mathrm{A}$ . Qu’a fait l’élève, et quelle est la gravité ?

Solution

Solution de Exercice 55.8.

Il a branché l’appareil à l’envers — le courant entrant par la borne commune. Sur un appareil numérique, c’est sans gravité : le signe moins est toute la peine (une aiguille, elle, se serait projetée contre sa butée).

Exercice 55.9 ★★

Route principale $0.60\,\mathrm{A}$ ; branche numéro un $0.35\,\mathrm{A}$ . Que porte la branche numéro deux, et par quel raisonnement ? Qu’indique le péage du second nœud ?

Solution

Solution de Exercice 55.9.

$0.60 - 0.35 = 0.25\,\mathrm{A}$ — le nœud doit s’équilibrer : ce qui entre ressort. Le péage du second nœud indique les $0.60\,\mathrm{A}$ réunis.

Exercice 55.10 ★★

Un élève branche l’ampèremètre en dérivation avec la lampe « pour les comparer ». Prédis les deux conséquences — pour la lampe et pour l’appareil — et nomme le coupable que l’élève vient de construire par accident.

Solution

Solution de Exercice 55.10.

En dérivation, l’appareil presque sans effort devient une déviation : la lampe, désertée, s’éteint, tandis que l’appareil porte un courant emballé que presque rien ne limite — un court-circuit à travers l’instrument, qui fait fondre son fusible interne si la fortune sourit. L’élève vient de construire le coupable du chapitre sur la sécurité.

Exercice 55.11 ★★

Deux lampes identiques en dérivation portent chacune $0.30\,\mathrm{A}$ . Combien la route principale de la pile porte-t-elle ? Une troisième lampe identique rejoint la dérivation : prédis la nouvelle charge de la route principale, et nomme ce qui se vide plus vite.

Solution

Solution de Exercice 55.11.

La route principale porte la somme : $0.60\,\mathrm{A}$ . Une troisième branche identique la porte à $0.90\,\mathrm{A}$ — et la pile, servant trois marches entières, se vide le plus vite.

Exercice 55.12 ★★★

Conçois le plan de mesure complet d’un circuit en dérivation à deux branches (une lampe et un moteur) : combien de positions d’ampèremètre faut-il pour connaître tous les courants du circuit ; le nombre minimal de mesures qui suffit (l’une peut se déduire — par quel équilibre ?) ; et l’ordre des opérations qui ne laisse jamais un appareil branché dangereusement.

Solution

Solution de Exercice 55.12.

Courants à connaître : le $I$ de la route principale et celui de chaque branche ( $I_1$ , $I_2$ ) — trois en tout (les tronçons de boucle au-delà des nœuds ne font que les répéter). Deux mesures suffisent : en mesurer deux quelconques, et l’équilibre du nœud $I = I_1 + I_2$ livre le troisième. Ordre sûr : circuit coupé ; insérer l’appareil sur la route choisie ; plus grand calibre ; fermer ; lire ; couper avant de déplacer l’appareil — et jamais, à aucune étape, l’appareil ne relie deux points de routes différentes.

55.5 Problème : le banc de métrologie

Problème 55.1

Problème du week-end — jour de qualification à l’atelier d’électronique ; quatre postes, un ampèremètre chacun ; le permis de l’apprenti

Pour obtenir les droits d’accès à l’atelier, chaque apprenti fait le tour de quatre postes de mesure. Emporte le chapitre.

Partie I — poste numéro un : la boucle simple. Une pile, un interrupteur, une lampe.

Décris, étape par étape, l’insertion de l’ampèremètre pour mesurer le courant de la lampe.
La lecture : $280\,\mathrm{mA}$ . Exprime-la en ampères.
L’examinatrice déplace ton appareil de l’autre côté de la pile. Prédis la lecture, en citant la loi.
« Et si j’avais deux ampèremètres à la fois dans cette boucle ? » Où pourraient-ils se placer, et qu’indiqueraient-ils ?

Partie II — poste numéro deux : la paire en série. Deux lampes différentes, A plus brillante que B, en série.

Un apprenti prédit : « La plus brillante, A, porte plus de courant que la terne B. » Éprouve la prédiction avec la loi — et concilie l’égalité des courants avec l’inégalité des éclats (qu’est-ce qui doit différer entre les lampes ?).
L’appareil indique $150\,\mathrm{mA}$ entre A et B. Note tous les autres courants de la boucle.
La lampe B est court-circuitée par un fil à pinces. Prédis la nouvelle lecture et le comportement des deux lampes.
L’examinatrice demande une phrase sur la raison pour laquelle l’atelier interdit les fils à pinces en travers de la pile tout en autorisant la démonstration en travers de B.

Partie III — poste numéro trois : le nœud. Une branche avec une lampe et une branche avec un moteur, en dérivation.

Route principale : $0.52\,\mathrm{A}$ ; branche de la lampe : $0.30\,\mathrm{A}$ . Le courant de la branche du moteur, par équilibre ?
Le moteur se bloque (toujours branché, mais il ne tourne plus) et sa branche grimpe à $0.40\,\mathrm{A}$ . En supposant que la branche de la lampe garde ses $0.30\,\mathrm{A}$ , que porte maintenant la route principale — et quel garde de l’atelier tend l’oreille ?
On dévisse la lampe. Prédis les trois lectures de péage.
Pourquoi la pile se vide-t-elle le plus vite quand les deux branches sont en bon état — où se paie la générosité ?

Partie IV — le permis.

Rédige le serment de l’apprenti : trois lignes — où un ampèremètre a sa place et où il ne l’a jamais ; ce qu’une boucle unique garantit ; ce qu’un nœud équilibre.

Solution

Solution de Problème 55.1.

1. Couper ; ouvrir la boucle entre la lampe et la pile ; insérer l’ampèremètre, courant entrant par $\mathrm{A}$ , sortant par la commune ; plus grand calibre, puis descendre ; fermer ; lire ; écrire l’unité. 2. $0.28\,\mathrm{A}$ . 3. De nouveau $280\,\mathrm{mA}$ — une boucle, une intensité : le péage compte la même marche des deux côtés. 4. N’importe où sur la boucle — tous deux en série, en n’importe quelles positions : les deux indiquent $280\,\mathrm{mA}$ . 5. La loi oppose son veto à la prédiction : des lampes en série portent un courant identique. La différence tient aux lampes elles-mêmes — des constructions inégales transforment la même marche en lumières inégales (les chapitres suivants nommeront ce qui diffère). 6. En tout point de la boucle : $150\,\mathrm{mA}$ — avant A, après B, à côté de la pile. 7. B s’éteint (désertée par la déviation) et la boucle, ayant perdu un opposant, porte une marche plus forte : l’appareil grimpe — et la lampe A brille d’autant plus. 8. « En travers de B, la déviation laisse encore la lampe A garder la boucle ; en travers de la pile, elle ne laisserait plus rien du tout — et une marche sans garde, c’est le chapitre de l’incendie, non une démonstration. » 9. $0.52 - 0.30 = 0.22\,\mathrm{A}$ . 10. $0.40 + 0.30 = 0.70\,\mathrm{A}$ — et le fusible (ou le disjoncteur) de branche qui garde la ligne du moteur tend l’oreille : les moteurs bloqués sont la raison d’être des gardes. 11. Branche de la lampe : $0\,\mathrm{A}$ ; branche du moteur : ses $0.40\,\mathrm{A}$ inchangés (indépendance des branches en dérivation) ; route principale : $0.40\,\mathrm{A}$ . 12. La générosité se paie à la pile : deux branches en bon état boivent deux marches entières, et le courant sommé de la route principale vide la réserve le plus vite. 13. Par exemple : « Un ampèremètre se tient sur la route, jamais en travers. Une boucle garantit une intensité — partout, toujours. Et un nœud tient ses comptes : autant de marches qui entrent que de marches qui sortent, au milliampère près. »

Termes définis dans ce chapitre

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