Électricité/Les circuits série et parallèles

Dans les applications pratiques et industrielles, le courant parcourt divers récepteurs, qui sont reliés entre eux par des fils conducteurs (souvent métalliques). Les appareils électriques en question peuvent être des lampes, des interrupteurs, des résistances, des condensateurs, des capteurs, des bobines, des amplificateurs, et bien d'autres choses encore. En reliant des récepteurs à un générateur, avec des fils électriques conducteurs (souvent métalliques), on obtient un circuit électrique. Les circuits électriques sont représentés/dessinés en suivant quelques règles assez strictes, qui servent de standards. Chaque composant est représenté par un symbole standardisé, les plus courants étant illustrés dans le schéma à droite. Les fils sont représentés par des traits droits.

Électricité

La physique de l’électricité

Les circuits électriques

Le régime continu et les circuits résistifs/linéaires

Le régime transitoire : bobines et condensateurs

Le régime alternatif

Annexes

Notions de sécurité électrique

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Les dipôles : générateurs et récepteurs

Les lois des circuits électriques

Le minimum pour obtenir un circuit électrique

Source et charge d'un circuit électrique.

Tout circuit comprend au moins un générateur pour produire le courant électrique, pour l'alimenter en énergie. Il est possible d'utiliser plusieurs générateurs dans un circuit, mais les circuits les plus simples sont construits avec d'un côté un générateur et des récepteurs de l'autre. On distingue ainsi la source de tension ou de courant d'un côté et la charge de l’autre. La source peut être une pile, une batterie, un générateur de tension ou un générateur de courant. La charge peut très bien être une lampe, un moteur, ou tout autre circuit bien plus complexe. Dans la quasi-totalité des cas, la charge est composée de plusieurs récepteurs reliées entre eux par des fils électriques. Seuls les exemples pédagogiques utilisent un seul récepteur, et encore : seulement au tout début du cours.

Circuit électrique simple.

Prenons l'exemple de la figure à votre droite. On y voit un circuit très simple, composé d'une pile et d'une lampe, reliés par des conducteurs. Le schéma électrique de ce circuit est donné ci-dessous. La pile est ce qu'on appelle une source de tension, ce qui signifie qu'elle crée une tension dans le circuit entre ses deux extrémités (celle notée plus et celle notée moins). Cette tension met en mouvement les charges, qui vont se déplacer d'une extrémité à l’autre, à l'extérieur de la pile, dans les fils métalliques. Il va ainsi naitre un courant dans le circuit complet qui va alimenter la lampe et l'allumer. Si on remplace un morceau de fil par un autre milieu conducteur, comme un électrolyte, le circuit continue de marcher. La pile est donc le générateur du circuit, alors que la lampe est le récepteur.

Lampe alimentée par une pile.

Les court-circuits

Illustration d'un court-circuit.

Il faut absolument qu'un récepteur soit placé entre les bornes du générateur. Mais dans des circuits défectueux, il se peut que les bornes du générateur soient connectées directement, sans composant entre les deux. C'est une forme particulière de court-circuit. Dans le langage courant, un court-circuit est un mauvais signe, une source de dysfonctionnement, un problème assez grave. Eh bien l'intuition n'est pas mise en défaut dans ce cas précis. Tout le problème est que le courant a tendance à passer dans le chemin de plus faible résistance. Si les deux bornes sont reliées par un fil, tout le courant va passer dans le fil en court-circuit et pas du tout dans les autres chemins. En conséquence, le courant qui circule dans le fil va être très important, à cause de la faible résistance des fils. Cela peut faire chauffer le fil plus que raison, voire le faire fondre et causer un incendie.

Les conventions générateur et récepteur

Pour rappel, on suppose arbitrairement que le courant se déplace dans son sens conventionnel : de la borne + du générateur vers sa borne -. Les charges + quittent la borne positive, qui se vide de son excès. Pour que le générateur fournisse une tension ou un courant constant, il faut que l'excès de charges + soit régénéré. Pour cela, les charges + qui arrivent sur la borne - sont renvoyées sur la borne +. Évidemment, cela demande que de l'énergie leur soit fournies afin de se déplacer vers le potentiel haut. Cette énergie sert à vaincre la répulsion de la borne + sur les charges +, condition sine qua non pour déplacer les charges vers un potentiel plus haut. Si le courant se déplace dans l'autre sens, le sens de déplacement des charges est juste inversé, mais l'explication reste valide après ce petit changement.

Illustration des deux conventions possibles : convention générateur à gauche et au milieu (avec une notation européenne pour la première et américaine pour la seconde) et convention récepteurs à droite.

L'étude des circuits électriques demande le plus souvent de trouver la tension et l'intensité en chaque point d'un circuit. Pour cela, il faut non seulement en trouver les valeurs numériques, mais aussi en déterminer le sens. On a vu dans le chapitre sur la résistance que le sens donné au courant est un sens arbitraire, qui va de la borne + du générateur vers sa borne -, le fameux sens conventionnel du courant. Pour le sens de la tension, il y a deux possibilités : soit la tension va de la borne + vers la borne -, soit elle va dans l'autre sens. Ces deux solutions correspondent à un potentiel qui va du potentiel haut vers le potentiel bas, ou inversement du bas vers le haut. Le choix du sens de la tension est purement arbitraire, les deux choix ne changeant en rien la physique du circuit.

Le choix que nous allons utiliser dans ce cours est que la tension va du potentiel le plus bas vers le potentiel le plus haut. Ce choix porte le nom de convention récepteur. Dans les récepteurs, le courant se déplace du + vers le -, alors que la tension va dans l'autre sens. Donc, courant et tension vont dans des sens opposés dans le récepteur. Pour le générateur c'est l'inverse : les charges vont de la borne - vers la borne +, donc dans le sens de la tension : tension et courant vont dans le même sens dans un générateur. Pour résumer, courant et tension vont dans des sens opposés dans le récepteur, alors qu'ils vont dans le même pour un générateur. Il est aussi possible d'utiliser la convention inverse, appelée convention générateur. Dans celle-ci, courant et tension vont dans le même sens dans les récepteurs, et dans des sens inverses dans les générateurs.

Les circuits fermés et ouverts

Après avoir vu la distinction entre générateur et récepteurs, on peut voir comment ceux-ci sont connectés entre eux pour former un circuit électrique. Pour simplifier, on peut distinguer les circuits ouverts et fermés, ainsi que les circuits séries et parallèles. Ces concepts sont très importants et nous allons les aborder ici, pour simplifier les explications ultérieures.

Le circuit précédent est un circuit fermé : le courant peut le traverser pour passer d'une borne à l'autre du générateur. Il existe au moins un chemin qui permettre d'atteindre la borne positive et partant de la borne négative (et inversement). Un circuit qui n'est pas fermé est appelé un circuit ouvert. Dans de tels circuits, le courant ne peut pas passer et il n'existe pas de chemin entre les deux bornes positives et négatives du générateur. On peut voir ces derniers comme des circuits où se trouve une résistance infinie à l'endroit où le circuit est ouvert.

Les interrupteurs

Les circuits ouverts impliquent généralement des interrupteurs, dont le but est d'ouvrir ou de fermer un circuit selon les besoins. Plus précisément, un interrupteur peut se trouver dans deux états : fermé et ouvert. En état fermé, les deux extrémités de l’interrupteur sont connectées et le courant circule dans le circuit. Dans le cas contraire, les deux extrémités sont déconnectées et le courant ne passe plus.

Interrupteur ouvert.

Interrupteur fermé.

Schéma électrique du circuit étudié.

Circuit simple, avec un interrupteur

Un bon moyen de s'en rendre compte est d'ajouter un interrupteur au circuit précédent. Il va de soi que l'interrupteur permet d'éteindre la lampe ou de l'allumer, selon son état. Si on ferme l'interrupteur, le circuit est fermé et le courant circule dans le circuit : la lampe s'allume. Si on ouvre l'interrupteur, le circuit est ouvert et le courant ne passe pas : la lampe ne s'allume pas quelle que soit sa position dans le circuit. Et je ne fais pas cette précision par hasard : la lampe est éteinte peu importe qu'elle soit placée avant ou après l'interrupteur. Le circuit sera bien ouvert dans les deux cas.

Circuit ouvert - répartition des charges et des tensions

Je le répète, mais la lampe ne s'annule pas peu importe sa position dans un circuit ouvert. Ce comportement peut paraître contre-intuitif, mais il a en fait une explication très simple. Le fait est que les charges de la borne + ou - vont se répartir dans le morceau de fil conducteur, jusqu'à bloquer au niveau de l'interrupteur ouvert, d'où elles ne pourront plus progresser. La répartition des charges dans le fil sera homogène, ce qui fait que la charge du fil en tout point sera constante et égale à celle de la borne + : il n'y a pas de tension dans le fil qui relie la borne à l'interrupteur. Mettons qu'on ouvre le circuit en deux points A et B, un fil reliant le point A à la borne + et un autre la borne - au point B. Dans ce cas, il n'y a pas de tension entre le point A et la borne +, pas plus qu'il n'y en a entre le point B et la borne -.

Les circuits série et parallèle

On pourrait aussi rajouter une seconde lampe au circuit, ou un second interrupteur. Partons du principe que l'on souhaite ajouter un autre interrupteur. On peut alors procéder de deux manières différentes. Soit on place le second interrupteur à la suite de celui déjà présent, soit on le place en parallèle. Les deux circuits obtenus sont illustrés ci-dessous. Pour mieux appréhender la différence entre ces deux circuits, on peut regarder ce qui se passe quand on ferme un seul interrupteur et qu'on laisse l'autre ouvert. Dans le premier circuit, le courant ne pourra pas aller d'une borne à l'autre et le circuit sera donc ouvert : la lampe ne s'allume pas. Dans le second parallèle, le courant pourra passer par l'autre branche, par l'autre interrupteur : le circuit est fermé et la lampe s'allume. La raison à cela est simple et tient dans le nombre de chemins qui relient les bornes du générateur. Dans le premier cas, il n'y a qu'un seul chemin qui permet d'aller de la borne positive du générateur à la borne négative. Dans l'autre cas, il y a deux chemins pour passer de la borne positive vers la borne négative.

Répartition du courant dans des mailles séparées, dans un circuit parallèle.

On voit bien qu'un circuit contient des chemins qui relient les deux bornes du générateur. Chaque chemin sera parcouru par un courant, du moins s'il n'y a pas de court-circuit. Il existe d'autres chemins du même genre, qui reviennent au point de départ sans repasser deux fois par le même fil ou le même composant. Ces chemins partent d'un point du circuit et y reviennent sans repasser deux fois par le même fil ou le même composant. Chaque chemin de ce type est appelé une maille.

Les circuits les plus simples n'ont qu'une seule maille, mais les circuits plus compliqués en ont plusieurs pour aller d'une borne à l'autre. Le premier cas est ce qu'on appelle un circuit série, alors que le second est un circuit parallèle. Un circuit série ne contient qu'une seule maille, alors qu'un circuit parallèle en a plusieurs. La différence entre les deux se manifeste surtout en termes de courant électrique. Dans un circuit série, il n'y a qu'un seul chemin par lequel peut passer le courant, ce qui fait que l'intensité est la même dans tout le circuit. On verra plus tard que ce n'est pas le cas dans les circuits parallèles : le courant doit se diviser pour se répartir dans des mailles séparées.

Possibilités avec deux et trois récepteurs

Dans le cas où il n'y a que deux récepteurs, les deux possibilités sont illustrées ci-dessous : soit on place les deux l'un après l'autre (circuit série), soit l'un à côté de l'autre (en parallèle). Il n'y a qu'une seule maille dans ce cas, et deux dans l'autre.

Placements possibles de deux récepteurs : cas série et parallèle.

Pour trois récepteurs, il y a en tout quatre possibilités.

Soit les trois récepteurs sont placés en série, l'un à la suite de l'autre.
Soit ils sont placés en parallèles, chacun dans sa branche séparée.
Soit deux récepteurs sont placés en série et le troisième en placé en parallèle des deux autres.
Soit deux récepteurs sont mis en parallèle et le troisième est placé en série des deux autres.

Placements possibles de trois récepteurs : cas série et parallèle, cas série-parallèle et parallèle-série.

Ampèremètres et voltmètres

On a vu dans le premier chapitre que la tension et l'intensité se mesurent avec des appareils appelés respectivement voltmètres et ampèremètres. Il faut noter que certains appareils permettent à la fois de faire ampèremètre et voltmètre : on les appelle des multimètres.

Symbole d'un ampèremètre.

Symbole d'un voltmètre.

Comment mesurer un courant et une tension avec un multimètre.

La différence entre ampèremètre et voltmètre est que les deux se placent différemment : là où l’ampèremètre se place en série, juste avant ou après le composant à étudier, le voltmètre se place en parallèle des bornes du récepteur. Même chose pour les multimètres, qui doivent se mettre soit en parallèle, soit en série, selon la grandeur à mesurer.