Physique

Gratuit

Électrocinétique

Si l'électrostatique étudie les charges au repos, l'électrocinétique étudie les charges en mouvement : c'est la physique des circuits. Une pile, des fils, une ampoule, et soudain la lumière. Trois outils suffisent pour presque tout : la loi d'Ohm, les règles d'association des résistances, et les deux lois de Kirchhoff. Garde en tête une image : un circuit, c'est de l'eau dans des tuyaux.

1Courant, tension, résistance

L'analogie qui débloque tout : l'eau dans les tuyaux

Imagine un circuit d'eau. La tension (U) est la pression qui pousse l'eau ; le courant (I) est le débit (combien d'eau passe par seconde) ; la résistance (R) est un rétrécissement du tuyau qui freine le débit. Cette image te sauvera dans 90 % des exercices.

Intensité du courant

I = \frac{Δ Q}{Δ t}

I

intensité du courantampère (A)

Δ Q

charge qui traverse une sectionC

Δ t

durées

Quand l'utiliser

Pour relier le courant au débit de charges (1 A = 1 C qui passe chaque seconde).

Quand l'éviter

Pour relier courant et tension dans une résistance : c'est la loi d'Ohm.

Interprétation

Le courant est un DÉBIT de charges. Un grand courant = beaucoup de charges qui passent par seconde.

Piège au concours

Le sens conventionnel du courant (des + vers les −) est l'OPPOSÉ du déplacement réel des électrons.

Astuce mémo

« Ampère = Coulomb par seconde ». Comme un débit en litres/seconde.

Grandeur	Rôle (analogie eau)	Unité	Mesuré par
Tension U	pression qui pousse	volt (V)	voltmètre (en parallèle)
Courant I	débit de charges	ampère (A)	ampèremètre (en série)
Résistance R	rétrécissement du tuyau	ohm (Ω)	ohmmètre

Pour le futur médecin

Le corps humain est un conducteur (grâce à l'eau salée de ses tissus). Ce qui est dangereux dans une électrocution, ce n'est pas tant la tension que le courant qui traverse le cœur : dès ~30 mA en courant alternatif, il y a risque de fibrillation ventriculaire. C'est pourquoi on raisonne toujours en intensité, pas seulement en volts.

Dans un fil, les électrons se déplacent du − vers le +. Pourquoi dit-on que le courant va du + vers le − ?Réfléchis puis ouvre ▾

Pure convention historique. Avant de connaître l'électron, on a choisi (arbitrairement) que le courant allait du + vers le −. On a découvert plus tard que les porteurs réels (électrons) vont dans l'autre sens. On a gardé la convention : le sens conventionnel du courant est opposé au déplacement réel des électrons. Sans conséquence sur les calculs.

2La loi d'Ohm

La relation reine

Pour une résistance, plus tu pousses fort (tension), plus il passe de courant ; plus le tuyau est étroit (résistance), moins il en passe. La loi d'Ohm met ça en équation, c'est la formule la plus utilisée de tout le chapitre.

Loi d'Ohm

U = R I

U

tension aux bornes de la résistanceV

R

résistanceohm (Ω)

I

courant qui la traverseA

Quand l'utiliser

Pour toute résistance (conducteur ohmique) : relie tension et courant.

Quand l'éviter

Pour des composants non-ohmiques (diode, ampoule chaude) dont R varie avec le courant.

Interprétation

À tension fixée, R grand ⇒ I petit. C'est une droite passant par l'origine sur le graphe U(I) : la pente est R.

Piège au concours

Appliquer U = RI avec la mauvaise tension : U est la tension AUX BORNES de CETTE résistance, pas celle du générateur.

Astuce mémo

« U Rit » : U = R·I. Triangle : cache la grandeur cherchée pour retrouver la formule (I = U/R, R = U/I).

Courant I = U/R = 3.00 A

Puissance P = U·I = 36.0 W

tension U12 V

résistance R4 Ω

Loi d'Ohm : U = R·I. Augmente la résistance et le courant chute ; augmente la tension et il monte. La puissance dissipée est P = U·I = R·I².

Joue avec la tension U et la résistance R : le courant I = U/R et la puissance P = U·I se recalculent en direct. Augmente R ⇒ I chute.

On double la tension aux bornes d'une résistance fixe. Que devient le courant ?Réfléchis puis ouvre ▾

Il double aussi. Pour une résistance constante,

I = U / R

: courant et tension sont proportionnels. C'est ce qui définit un conducteur « ohmique ». (Attention : une ampoule chauffe quand le courant augmente, sa R grimpe, et la proportionnalité se casse, ce n'est plus ohmique.)

Quel courant traverse une résistance de 4 Ω sous une tension de 12 V ?Facile

Solution détaillée

I = \frac{U}{R} = \frac{12}{4} = 3

3Associer des résistances : série et parallèle

Pourquoi ça compte ?

Les circuits réels combinent plusieurs résistances. Pour les analyser, on les remplace par une seule résistance équivalente. Deux montages de base : en série (à la queue leu leu) ou en parallèle (côte à côte). La logique est opposée, et c'est un piège fréquent.

Résistances en série

R_{e q} = R_{1} + R_{2} + \dots

R_{e q}

résistance équivalenteΩ

R_{1}, R_{2}

résistances en sérieΩ

Quand l'utiliser

Composants traversés par le MÊME courant, à la suite (une seule boucle).

Quand l'éviter

S'ils sont sur des branches séparées partageant la même tension : c'est du parallèle.

Interprétation

En série, les résistances s'additionnent : R_eq est PLUS GRANDE que chacune. Le courant est le même partout ; les tensions se partagent.

Piège au concours

Croire que le courant se « partage » en série. NON : en série, le courant est identique dans tous les composants.

Astuce mémo

Série = file d'attente : un seul chemin, tout le monde passe au même débit, les obstacles s'additionnent.

Résistances en parallèle

\frac{1}{R _{e q}} = \frac{1}{R _{1}} + \frac{1}{R _{2}} + \dots

R_{e q}

résistance équivalenteΩ

R_{1}, R_{2}

résistances en parallèleΩ

Quand l'utiliser

Composants branchés sur les MÊMES deux nœuds (même tension à leurs bornes).

Quand l'éviter

S'ils sont à la suite dans une seule boucle : c'est du série.

Interprétation

Ce sont les INVERSES qui s'ajoutent. R_eq est PLUS PETITE que la plus petite des résistances (on ouvre des chemins en plus).

Piège au concours

Oublier d'inverser à la fin : 1/R_eq donne l'inverse, il faut retourner pour avoir R_eq.

Astuce mémo

Parallèle = plusieurs guichets ouverts : plus de chemins ⇒ ça passe mieux ⇒ R diminue. Deux R égales ⇒ R/2.

R_eq = R₁ + R₂

R_eq = 9.00 Ω

plus grande que chaque résistance

R₁6 Ω

R₂3 Ω

Série : même courant partout, les résistances s'additionnent. Parallèle : même tension aux bornes, les inverses s'additionnent (R_eq diminue).

Bascule entre Série et Parallèle et fais varier R₁, R₂. En série R_eq grimpe ; en parallèle elle tombe sous la plus petite des deux. Le courant total I = U/R_eq suit.

En série

Même courant partout ; les tensions se partagent (pont diviseur de tension).

En parallèle

Même tension aux bornes ; les courants se partagent (la branche la moins résistante prend le plus).

Deux résistances identiques de 10 Ω. Quelle est R_eq en série ? En parallèle ?Réfléchis puis ouvre ▾

Série :

R_{e q} = 10 + 10 = 20

Ω (ça double). Parallèle :

\frac{1}{R _{e q}} = \frac{1}{10} + \frac{1}{10} = \frac{2}{10}

, donc

R_{e q} = 5

Ω (la moitié). Règle express : deux résistances égales en parallèle donnent toujours la moitié.

Trois résistances de 6 Ω chacune sont montées en parallèle. Quelle est R_eq ?Intermédiaire

Solution détaillée

\frac{1}{R _{e q}} = \frac{1}{6} + \frac{1}{6} + \frac{1}{6} = \frac{3}{6} = \frac{1}{2}

, donc

R_{e q} = 2

Ω. Pour

n

résistances égales en parallèle :

R_{e q} = R / n

4Les lois de Kirchhoff

Deux principes de conservation déguisés

Quand le circuit se complique (plusieurs boucles), on revient à deux lois infaillibles. Elles ne sont que la conservation de la charge (rien ne s'accumule à un nœud) et la conservation de l'énergie (on revient à la même « altitude » après une boucle fermée).

Loi des nœuds (charge)

La somme des courants qui entrent dans un nœud égale la somme de ceux qui en sortent :

\sum I_{e n t r an t} = \sum I_{sor t an t}

. (Ce qui arrive doit repartir.)

Loi des mailles (énergie)

La somme algébrique des tensions le long d'une boucle fermée est nulle :

\sum U = 0

. (On repart toujours du même potentiel.)

Générateur réel (f.é.m. et résistance interne)

U = E - r I

U

tension aux bornes du générateurV

E

force électromotrice (f.é.m.)V

r

résistance interne du générateurΩ

I

courant débitéA

Quand l'utiliser

Pour un générateur réel (pile, batterie) qui n'est pas parfait.

Quand l'éviter

Pour un générateur idéal (r = 0), où U = E quel que soit le courant.

Interprétation

Plus le générateur débite de courant, plus sa tension de sortie chute (à cause de r). À vide (I=0), U = E.

Piège au concours

Oublier la chute interne rI : la tension utile est toujours inférieure à la f.é.m. dès qu'un courant circule.

Astuce mémo

« la pile garde un peu d'énergie pour elle » : U = E − rI.

Une pile neuve affiche 1,5 V à vide. En court-circuit, sa tension chute presque à 0. Pourquoi ?Réfléchis puis ouvre ▾

À cause de la résistance interne

r

. En court-circuit, le courant

I

devient énorme, et la chute interne

r I

« mange » presque toute la f.é.m. :

U = E - r I \to 0

. C'est aussi pourquoi une pile chauffe et se vide vite en court-circuit : toute l'énergie est dissipée dans

r

5Puissance et effet Joule

Où va l'énergie ?

Une résistance traversée par un courant chauffe : c'est l'effet Joule(radiateur, ampoule, fusible). La puissance dissipée mesure cette énergie convertie en chaleur par seconde.

Puissance électrique

P = U I = R I^{2} = \frac{U ^{2}}{R}

P

puissancewatt (W)

U

tensionV

I

courantA

R

résistanceΩ

Quand l'utiliser

P = UI toujours ; P = RI² ou U²/R quand on connaît la résistance.

Quand l'éviter

Choisis la forme selon les données : ne calcule pas R inutilement si U et I suffisent.

Interprétation

P = RI² montre que la chaleur dissipée croît avec le CARRÉ du courant : doubler I quadruple les pertes.

Piège au concours

Confondre les trois formes : elles sont équivalentes via U = RI, mais utilise celle dont tu as les données.

Astuce mémo

« P U I » se lit comme un mot. Les deux autres formes viennent de remplacer U ou I via la loi d'Ohm.

Pourquoi transporter l'électricité à très haute tension ?

Les pertes en ligne valent

P_{p er t e} = R I^{2}

. Pour transporter une puissance donnée

P = U I

, on a intérêt à monter la tension (donc baisser le courant) : comme les pertes vont en

I^{2}

, diviser le courant par 10 divise les pertes par 100. D'où les lignes haute tension (400 000 V) et les transformateurs.

Une résistance traversée par 2 A sous 12 V dissipe quelle puissance ?Facile

Solution détaillée

P = U I = 12 \times 2 = 24

Un sèche-cheveux de 1500 W est branché sur le secteur 230 V. Quel courant appelle-t-il, et quelle est sa résistance ?Niveau concours

Solution détaillée

Courant :

I = \frac{P}{U} = \frac{1500}{230} \approx 6, 5

A. Résistance :

R = \frac{U ^{2}}{P} = \frac{23 0 ^{2}}{1500} \approx 35, 3

Ω. (C'est pourquoi un fusible de 10 A suffit, mais pas un de 5 A.)

6Courant continu et courant alternatif

Deux régimes

Une pile fournit un courant continu (DC) : il va toujours dans le même sens. Le secteur fournit un courant alternatif (AC) : la tension oscille (sinusoïde) et le courant change de sens 50 fois par seconde (50 Hz en Europe). Comment chiffrer une tension qui change sans cesse ?

Valeur efficace (RMS)

U_{e f f} = \frac{U _{ma x}}{2}

U_{e f f}

tension efficaceV

U_{ma x}

tension de crête (amplitude)V

Quand l'utiliser

Pour caractériser une tension/un courant alternatif sinusoïdal par une seule valeur.

Quand l'éviter

En courant continu (la valeur efficace est simplement la valeur constante).

Interprétation

La valeur efficace est la tension continue qui dissiperait la MÊME puissance. Le « 230 V » du secteur est une valeur efficace : la crête atteint ≈ 325 V.

Piège au concours

Croire que 230 V est la tension maximale : c'est l'efficace ; le maximum est 230·√2 ≈ 325 V.

Astuce mémo

« efficace = crête / √2 ». Le secteur 230 V efficace ↔ 325 V de crête.

	Courant continu (DC)	Courant alternatif (AC)
Sens	constant	s'inverse 50 fois/s (50 Hz)
Source typique	pile, batterie, USB	secteur (prise murale)
Tension	fixe	230 V efficace (≈ 325 V crête)

On dit que le secteur est à « 230 V ». Pourtant la tension de crête dépasse 320 V. Contradiction ?Réfléchis puis ouvre ▾

Non : 230 V est la valeur efficace (RMS), pas le maximum. C'est la tension continue qui chaufferait une résistance autant que cette sinusoïde. Le maximum instantané vaut bien

U_{ma x} = 2302 \approx 325

V. On utilise l'efficace parce que c'est elle qui détermine la puissance réellement dissipée.

Pour le futur médecin

Le pacemaker délivre de brèves impulsions de courant continu (~quelques mA) pour cadencer le cœur. Le défibrillateur, lui, décharge une forte énergie (200–360 J) en quelques millisecondes. Et la dangerosité du courant alternatif du secteur vient en partie de sa fréquence (50 Hz), particulièrement efficace pour déclencher une fibrillation cardiaque, d'où les disjoncteurs différentiels (30 mA) dans les salles de bain.

7Les erreurs fréquentes

Les erreurs qui coûtent des points

Croire que le courant se partage en série
Pourquoi : confusion série/parallèle
en SÉRIE le courant est le même partout ; ce sont les TENSIONS qui se partagent. En parallèle, l'inverse.
Oublier d'inverser à la fin du calcul parallèle
1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ donne l'INVERSE ; retourne le résultat pour obtenir R_eq.
Penser que parallèle = résistance plus grande
non : en parallèle R_eq est plus PETITE que la plus petite des résistances (on ajoute des chemins).
Appliquer U = RI avec la tension du générateur
U est la tension aux bornes de CETTE résistance précise, pas forcément celle de la pile.
Oublier la résistance interne du générateur
générateur réel : U = E − rI ; la tension utile chute quand le courant monte.
Confondre les unités (mA, cm…) ou ne pas convertir
tout en SI : I en A (30 mA = 0,03 A), R en Ω, U en V.
Prendre 230 V pour la tension maximale du secteur
230 V est la valeur EFFICACE ; le maximum est 230·√2 ≈ 325 V.

Points clés à retenir

Courant $I = Δ Q /Δ t$ (débit de charges, A) ; sens conventionnel opposé aux électrons.
Loi d'Ohm : $U = R I$ (tension AUX BORNES de la résistance).
Série : $R_{e q} = R_{1} + R_{2}$ (même courant). Parallèle : $1/ R_{e q} = 1/ R_{1} + 1/ R_{2}$ (même tension, R_eq plus petite).
Kirchhoff : loi des nœuds (charge) et loi des mailles (énergie) ; générateur réel $U = E - r I$ .
Puissance : $P = U I = R I^{2} = U^{2} / R$ ; pertes en $I^{2}$ ⇒ transport à haute tension.
AC : $U_{e f f} = U_{ma x} / 2$ ; secteur 230 V efficace ≈ 325 V de crête, 50 Hz.
Médecine : danger lié au courant (≈30 mA), pacemaker, défibrillateur, disjoncteur différentiel.

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