Exercices: Le circuit électrique

Associer chaque élément du circuit à son rôle : a) pile, b) fil, c) lampe, d) interrupteur. Rôles : 1. conduit le courant d'un élément à l'autre ; 2. apporte l'énergie au circuit ; 3. ouvre ou ferme le chemin du courant ; 4. transforme l'électricité en lumière.

Le courant électrique est un flux de charges qui parcourt les fils, semblable à l'eau qui circule dans un tuyau. Expliquer l'analogie complète : ce que serait la pile (la pompe qui pousse), ce que seraient les fils (les tuyaux) et ce que serait la lampe (une petite roue que l'eau fait tourner).

La figure montre le schéma d'un circuit avec ses symboles normalisés, mais l'un des éléments est caché par un point d'interrogation, comme le montre le schéma.

Quel élément manque dans le circuit et que se passerait-il s'il n'était pas là ? Nommer les autres éléments du schéma et décrire ce qui se passe quand l'interrupteur est fermé.

Vrai ou faux ? Justifier chaque réponse : a) sans pile ou autre générateur, il n'y a pas de courant ; b) avec l'interrupteur ouvert, la lampe brille de la même façon ; c) la lampe est un récepteur parce qu'elle transforme l'électricité en lumière ; d) les fils doivent former un chemin fermé pour qu'il y ait du courant.

Un interrupteur et un bouton-poussoir ne font pas la même chose : l'un reste fixe dans sa position et l'autre n'agit que tant qu'on appuie dessus. Associer chaque élément à son usage : a) la lumière d'une pièce ; b) la sonnette de la porte. Expliquer ce qui se passerait si on les échangeait.

Classer ces éléments en générateur, conducteur, récepteur, élément de commande ou élément de protection : pile, fil, moteur, fusible, commutateur, buzzer. Expliquer en une phrase le rôle de chacun des cinq groupes.

La figure montre les symboles normalisés de huit éléments d'un circuit, mais le nom de l'un d'eux est caché, comme le montre le schéma.

De quel élément est le symbole dont le nom est caché ? Écrire les huit couples symbole-élément et expliquer pourquoi les schémas électriques utilisent des symboles plutôt que des dessins réalistes des composants.

Qu'est-ce qu'un court-circuit ? L'expliquer avec vos mots (le courant trouve un chemin direct sans passer par aucun récepteur) et expliquer pourquoi il est dangereux : ce qui arrive aux fils et à la pile quand le courant circule sans aucun « obstacle » qui l'utilise.

Dessiner dans votre cahier le schéma d'un circuit avec une pile, un interrupteur et une lampe en utilisant les symboles normalisés. Décrire ensuite quel chemin parcourt le courant quand on ferme l'interrupteur et ce qui se passe quand on l'ouvre.

Vous pouvez le faire sur papier et envoyer une photo de votre réponse.

La figure montre deux circuits, chacun avec une pile et deux lampes branchées de façon différente, comme le montre le schéma.

Dans le circuit de gauche, les lampes sont en série (un seul chemin pour le courant) et dans celui de droite, en dérivation (un chemin pour chaque lampe). Que se passe-t-il dans chaque circuit si l'une des lampes grille ? Expliquer pourquoi il convient de monter les lumières d'une maquette de l'une de ces deux façons.

Une sonnette est un circuit comportant une pile, un bouton-poussoir et un buzzer. Décrire son fonctionnement complet (que se passe-t-il lorsqu'on appuie sur le bouton et lorsqu'on le relâche ?) et expliquer pourquoi le bouton-poussoir est l'élément de commande adapté à une sonnette, et non un interrupteur.

La lumière d'un couloir s'allume et s'éteint depuis deux endroits différents grâce à deux commutateurs. Expliquer avec vos propres mots comment c'est possible (chaque commutateur fait passer le courant d'un chemin à l'autre) et pourquoi on ne pourrait pas y parvenir avec deux interrupteurs ordinaires.

Le fusible est l'élément de protection : si le courant est trop intense, il fond et ouvre le circuit. Expliquer pourquoi un élément qui « se détruit » protège tous les autres et ce qu'il faudrait vérifier si un fusible fond deux fois de suite.

Un ventilateur à piles comporte une pile, un interrupteur et un moteur. Identifier le rôle de chaque élément (générateur, commande, récepteur), expliquer quelle transformation d'énergie a lieu lorsqu'il fonctionne et quel inconvénient il y aurait à brancher le moteur directement, sans interrupteur.

« Le circuit doit être fermé pour qu'il y ait du courant. » Expliquer ce que signifie cette phrase en utilisant la comparaison avec l'eau et les tuyaux et donner deux exemples de « circuit ouvert » chez vous (un interrupteur éteint, une lampe grillée), en expliquant à quel endroit le chemin est interrompu dans chacun.

Votre lampe de poche ne s'allume pas. Classer ces vérifications de la plus simple à la plus complexe et expliquer quel élément chacune permet de contrôler : interrupteur défectueux, piles usées ou mal placées, lampe grillée, mauvais contact d'un fil détaché.

En classe de technologie, vous branchez une lampe sur une pile de 4,5 V et elle brille normalement. Ensuite, vous branchez deux lampes identiques en série sur cette même pile et vous observez qu'elles brillent beaucoup moins. Votre camarade affirme : « La première lampe garde presque tout le courant et la seconde ne reçoit que ce qui reste ; c'est pour cela qu'elles brillent moins. » Réfuter avec des arguments techniques l'erreur de votre camarade en expliquant ce qui se passe réellement pour l'intensité et le partage de l'énergie de la pile, puis prévoir en justifiant ce qui arrivera à l'éclat de chacune si l'on ajoute en série une troisième lampe identique.

Concevoir le circuit d'une maquette dans laquelle, en appuyant sur un bouton-poussoir, un buzzer sonne et une lampe s'allume en même temps. Dessiner le schéma avec les symboles dans votre cahier, décider si les deux récepteurs sont en série ou en dérivation et justifier votre choix en réfléchissant à ce qui se passe si l'un des deux tombe en panne.

Vous pouvez le faire sur papier et envoyer une photo avec votre réponse.

Lorsque vous fermez l'interrupteur de votre maquette, la lampe ne s'allume pas, mais au bout de quelques secondes vous remarquez que la pile chauffe rapidement et dégage une odeur de plastique chaud. Diagnostiquer quel type de panne se produit dans le circuit et expliquer, sur le plan électrique, pourquoi la lampe reste éteinte alors que la pile surchauffe. Décrire la démarche, étape par étape, que vous suivriez pour inspecter le montage, localiser visuellement ou par des tests le tronçon responsable et le réparer en toute sécurité.

Pour éclairer une maquette de Noël, vous disposez d'une pile de 4,5 V et de plusieurs lampes identiques conçues pour fonctionner sous 4,5 V. Un camarade insiste pour brancher dix lampes en série « pour économiser du fil et que la pile dure plus longtemps », tandis que vous proposez de les brancher en dérivation. Comparer ce qui arriverait à l'éclat des lampes dans chacun des montages, ce qui se passerait dans le circuit si l'une d'elles grillait pendant l'exposition et comment cela influencerait la recherche de la lampe défectueuse. Conclure sur la seule option viable et défendre votre position en réfutant les arguments de votre camarade.

La figure montre le schéma d'un circuit comportant une pile, un commutateur et deux récepteurs (une lampe et un buzzer) :

Un camarade soutient que si la lampe grille, le buzzer ne pourra pas fonctionner non plus parce que les deux récepteurs partagent la même pile, et qu'en laissant le levier du commutateur à mi-chemin, le buzzer sonnera et la lampe brillera en même temps. Analyser le circuit et réfuter techniquement ces deux affirmations en suivant les chemins du courant. Enfin, proposer une utilisation pratique et justifiée de ce montage dans une maquette.

Le fusible de protection d'un circuit de l'atelier a fondu deux fois de suite cette semaine, dès qu'on l'a branché. Un camarade propose : « Pour ne plus perdre de temps à changer de fusible, mettons-en un avec un fil plus gros ou enroulons-lui un morceau de papier d'aluminium ; comme ça, le courant ne sera sûrement plus coupé. » Réfuter la proposition de votre camarade en expliquant quelle est exactement la fonction de sécurité du fusible, prévoir quelles conséquences physiques et matérielles aurait le fait de le court-circuiter avec ce conducteur improvisé si la panne persiste, et détailler la démarche correcte que vous devez suivre avant de le remplacer.

Vous avez monté un circuit avec une pile neuve de 4,5 V, des fils à pinces crocodile, un interrupteur fermé et une lampe montée sur sa douille, mais la lampe ne s'allume pas. Concevoir un guide ordonné de vérifications techniques, étape par étape, pour localiser la panne en toute sécurité, en identifiant au moins quatre causes possibles différentes. Justifier également pourquoi, dans la méthode technique de dépannage, il est indispensable de ne modifier ou de ne vérifier qu'un seul élément à la fois lors de chaque test.

Le compartiment d'une télécommande contient deux piles de 1,5 V branchées en série au moyen d'une lame métallique au fond. Le fabricant indique de placer une pile avec la borne positive vers le haut et l'autre vers le bas. Expliquer quelle fonction remplit la lame métallique et quelle tension totale les piles fournissent au circuit dans cette position. Ensuite, prévoir quelle tension résultante parviendra au circuit si l'on place l'une des deux piles à l'envers et justifier pourquoi l'appareil ne fonctionnera pas. Enfin, différencier techniquement cette panne de celle qui se produirait si un fil était coupé.

Défi du thème. Comment fonctionne l'éclairage que vous utilisez au quotidien et quel impact a-t-il sur la consommation d'énergie ? Devenez auditeur électrique de votre foyer en suivant ces étapes :

1. Identifier : Choisir une lampe de poche ou une lampe portable de la maison. Identifier ses quatre composants de base (générateur, conducteurs, récepteur et élément de commande). Noter la tension nominale de ses piles (par exemple, $1,5\text{ V}$ ou $4,5\text{ V}$).

2. Simuler : Aller sur Tinkercad Circuits (outil web gratuit) et reproduire ce circuit électrique en utilisant les symboles de base : pile, interrupteur et lampe ou DEL. Vérifier que le circuit fonctionne en ouvrant et en fermant le passage du courant.

3. Analyser et proposer : Consulter sur le site de RTE (application éCO2mix) le graphique de la consommation d'électricité en France en temps réel. Rédiger un compte rendu bref (une page) comprenant une capture d'écran de votre circuit dans Tinkercad, l'explication de la façon dont le courant circule et deux propositions argumentées pour réduire la consommation électrique chez vous en remplaçant des récepteurs.

Seront évalués :

• L'identification correcte des quatre éléments du circuit et de leurs grandeurs électriques ($V$).

• Une simulation fonctionnelle et un branchement correct des composants dans Tinkercad.

• L'analyse des données réelles de RTE (éCO2mix) et la cohérence technique de la proposition d'économie.