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Circuits électriques

AP Physique 2 · Sujet 11

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7:45

Circuits électriques

Vous allumez un interrupteur, et la lumière s'allume instantanément. Les électrons doivent donc courir dans le fil. Ce n'est pas le cas. À l'intérieur du cuivre, les électrons rampent — moins d'un…

Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés

11.1

Courant Électrique

Programme

Objectif d'apprentissage 11.1.A : Décrire le mouvement des charges électriques à travers un milieu.

  • 11.1.A.1 Le courant est le taux selon lequel la charge traverse une section transversale d'un fil.
    • Équation : $I = \dfrac{\Delta q}{\Delta t}$
    • 11.1.A.1.i La charge électrique se déplace dans un circuit en réponse à une différence de potentiel électrique, parfois appelée force électromotrice, ou $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
    • 11.1.A.1.ii Si le courant est nul dans une section de fil, le mouvement net des porteurs de charge dans le fil est également nul, bien que la vitesse individuelle des porteurs de charge ne soit pas nulle.
  • 11.1.A.2 Bien que le courant ne soit pas une grandeur vectorielle, il possède une direction. La direction du courant est associée à ce que serait le mouvement d'une charge positive, mais pas à un système de coordonnées dans l'espace.
    • 11.1.A.2.i La direction du courant conventionnel est choisie comme étant la direction dans laquelle se déplacerait une charge positive.
    • 11.1.A.2.ii Dans les circuits courants, le courant est en réalité dû au mouvement d'électrons (porteurs de charge négative).

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Un oscilloscope : le comportement du circuit dans le temps est mesuré sous forme de tension en fonction du temps
Un oscilloscope : le comportement du circuit dans le temps est mesuré sous forme de tension en fonction du temps

Le courant électrique 电流 est le taux auquel la charge circule à travers un point, mesuré en ampères 安培 (A) :

$$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}.$$
Par convention, le courant pointe dans la direction qu'aurait un positif charge mobile (opposée aux électrons dans un fil). Un courant continu nécessite une boucle complète et une source d'énergie (la force électromotrice, ou fem, d'une pile).

Les porteurs de charge dérivent lentement à travers un conducteur pour former un courant
Les porteurs de charge dérivent lentement à travers un conducteur pour former un courant
11.2

Circuits Élémentaires

Programme

Objectif d'apprentissage 11.2.A : Décrire le comportement d'un circuit.

  • 11.2.A.1 Un circuit est composé de boucles électriques, qui peuvent inclure des éléments de circuit tels que des fils, des piles, des résistances, des ampoules, des condensateurs, des interrupteurs, des ampèremètres et des voltmètres.
  • 11.2.A.2 Une boucle électrique fermée est un chemin fermé par lequel les charges peuvent circuler.
    • 11.2.A.2.i Un circuit fermé est celui dans lequel les charges pourraient circuler.
    • 11.2.A.2.ii Un circuit ouvert est celui dans lequel les charges ne pourraient pas circuler.
    • 11.2.A.2.iii Un court-circuit est celui dans lequel les charges pourraient circuler sans changement de différence de potentiel.
  • 11.2.A.3 Un seul élément de circuit peut faire partie de plusieurs boucles électriques.
  • 11.2.A.4 Les schémas de circuits sont des représentations utilisées pour décrire et analyser les circuits électriques.
    • 11.2.A.4.i Les propriétés d'un circuit électrique dépendent de l'agencement physique de ses éléments constitutifs.
    • 11.2.A.4.ii Les éléments de circuit ont des symboles communs utilisés pour créer des schémas. Les éléments variables sont indiqués par une flèche diagonale barrée traversant le symbole standard de cet élément. (Symboles standards : Pile, Ampoule, Interrupteur, Condensateur, Résistance, Ampèremètre, Voltmètre.)

Énoncé de délimitation : Sauf indication contraire, tous les schémas de circuits seront dessinés en utilisant le courant conventionnel.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Un circuit est une boucle fermée de conducteurs, une source (pile) et des composants. Dans un série 串联, le même courant traverse chaque élément ; dans un parallèle 并联, la même tension est présente sur chaque branche. Un schéma électrique utilise des symboles standards ; le lire correctement est la première étape de tout problème de circuit.

Les composants peuvent être connectés en série ou en parallèle
Les composants peuvent être connectés en série ou en parallèle
Un circuit électronique monté sur une platine d'essai
Un circuit réel : composants enfoncés dans une platine d'essai et reliés par des fils afin que le courant ait un chemin complet
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Construire des circuits série et parallèle

En série, le même courant traverse chaque ampoule et la tension se divise ; en parallèle, chaque branche reçoit la tension complète. Changez de mode pour voir la luminosité des ampoules changer.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
Electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ 电流 diàn liú
amperes/ˈæmpeəz/ 安培 ān péi
series/ˈsɪəriːz/ 串联 chuàn lián
parallel/ˈpærəlel/ 并联 bìng lián
Resistance/rɪˈzɪstəns/ 电阻 diàn zǔ
Ohm's law/əʊmz lɔː/ 欧姆定律 ōu mǔ dìng lǜ
resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ 电阻率 diàn zǔ lǜ
Electric power/ɪˈlektrɪk ˈpaʊə/ 电功率 diàn gōng lǜ
light bulb/laɪt bʌlb/ 灯泡 dēng pào
brightness/ˈbraɪtnəs/ 亮度 liàng dù
equivalent resistance/ɪˈkwɪvələnt rɪˈzɪstəns/ 等效电阻 děng xiào diàn zǔ
ammeter/ˈæmiːtə/ 电流表 diàn liú biǎo
voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ 电压表 diàn yā biǎo
nonideal/ˌnɒnaɪˈdɪəl/ 非理想 fēi lǐ xiǎng
Kirchhoff's loop rule/ˈkɜːkhɒfs luːp ruːl/ 基尔霍夫电压定律 jī ěr huò fū diàn yā dìng lǜ
Kirchhoff's junction rule/ˈkɜːkhɒfs ˈdʒʌŋkʃn ruːl/ 基尔霍夫电流定律 jī ěr huò fū diàn liú dìng lǜ
RC circuit/ˌɑː ˈsiː ˈsɜːkɪt/ RC电路 RC diàn lù
11.3

Résistance, Résistivité et Loi d'Ohm

Programme

Objectif d'apprentissage 11.3.A : Décrire la résistance d'un objet en utilisant les propriétés physiques de cet objet.

  • 11.3.A.1 La résistance est une mesure du degré auquel un objet s'oppose au mouvement de la charge électrique.
  • 11.3.A.2 La résistance d'une résistance à géométrie uniforme est proportionnelle à sa résistivité et à sa longueur, et inversement proportionnelle à sa surface transversale.
    • Équation : $R = \dfrac{\rho \ell}{A}$
    • 11.3.A.2.i La résistivité est une propriété fondamentale d'un matériau qui dépend de sa structure atomique et moléculaire et quantifie la force avec laquelle le matériau s'oppose au mouvement de la charge électrique.
    • 11.3.A.2.ii La résistivité d'un conducteur augmente généralement avec la température.

Objectif d'apprentissage 11.3.B : Décrire les caractéristiques électriques des éléments d'un circuit.

  • 11.3.B.1 La loi d'Ohm relie le courant, la résistance et la différence de potentiel aux bornes d'un élément conducteur d'un circuit.
    • Équation : $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
    • 11.3.B.1.i Les matériaux qui obéissent à la loi d'Ohm ont une résistance constante pour tous les courants et sont appelés matériaux ohmiques.
    • 11.3.B.1.ii La résistivité d'un matériau ohmique est constante quelle que soit la température.
    • 11.3.B.1.iii Les résistances peuvent également convertir l'énergie électrique en énergie thermique, ce qui peut modifier la température de la résistance et de son environnement.
    • 11.3.B.1.iv La résistance d'un élément de circuit ohmique peut être déterminée à partir de la pente d'un graphique du courant dans l'élément en fonction de la différence de potentiel aux bornes de l'élément.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

La résistance 电阻 $R$ s'oppose au courant, mesurée en ohms. La loi d'Ohm 欧姆定律 lie les trois grandeurs clés :

$$V=IR.$$
La résistance d'un composant dépend de la résistivité 电阻率 du matériau $\rho$, de sa longueur et de sa section transversale : $R=\dfrac{\rho L}{A}$ – plus long et plus fin signifie plus de résistance.

La courbe I-V d'un conducteur ohmique est une droite passant par l'origine
La courbe I-V d'un conducteur ohmique est une droite passant par l'origine

Exemple résolu. Un courant de $2.0\ \text{A}$ traverse une résistance de $6.0\ \Omega$. La tension à ses bornes est $V=IR=2.0\times6.0=12\ \text{V}$.

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Appliquer la loi d'Ohm

Loi d'Ohm $V=IR$ : pour une résistance fixe, le courant est proportionnel à la tension. Augmentez la résistance et la même tension fait passer moins de courant.

11.4

Puissance Électrique

Programme

Objectif d'apprentissage 11.4.A : Décrire le transfert d'énergie vers, hors ou à l'intérieur d'un circuit électrique, en termes de puissance.

  • 11.4.A.1 Le taux selon lequel l'énergie est transférée, convertie ou dissipée par un élément de circuit dépend du courant dans l'élément et de la différence de potentiel électrique aux bornes de celui-ci.
    • Équation : $P = I \Delta V$
    • Équation (déduite) : $P = I^2 R = \dfrac{(\Delta V)^2}{R}$
  • 11.4.A.2 L'éclat d'une ampoule augmente avec la puissance, donc la puissance peut être utilisée pour prédire qualitativement l'éclat des ampoules dans un circuit.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

La puissance électrique 电功率 est le taux auquel un composant convertit l'énergie électrique (en chaleur, lumière, mouvement) :

$$P=IV=I^2R=\frac{V^2}{R}.$$
Choisissez la forme qui utilise les quantités dont vous disposez. Toute la puissance d'une résistance devient de la chaleur.

Exemple résolu. La résistance de $6.0\ \Omega$ ci-dessus, parcourue par $2.0\ \text{A}$, dissipe $P=I^2R=2.0^2\times6.0=24\ \text{W}$ – ce qui équivaut à $P=IV=2.0\times12=24\ \text{W}$.

Une ampoule 灯泡 n'est qu'une résistance qui brille, et sa luminosité 亮度 augmente avec la puissance 它 dissipée. Ainsi, pour classer les ampoules, comparez leur puissance. Dans une chaîne en série, chaque ampoule porte le même courant, donc par $P=I^2R$, l'ampoule ayant la plus grande résistance est la plus lumineuse ; câblée en parallèle, chaque ampoule reçoit la pleine tension de la batterie, donc par $P=V^2/R$, l'ampoule ayant la plus petite résistance est la plus lumineuse.

Lignes haute tension : la puissance électrique est transmise sous haute tension afin que le courant (et les pertes I²R) restent faibles
Lignes haute tension : la puissance électrique est transmise sous haute tension afin que le courant (et les pertes I²R) restent faibles
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Lire une caractéristique U-I

La puissance est $P=IV$. La ligne U-I d'une résistance est droite, mais celle d'une lampe est courbe car elle chauffe et sa résistance augmente. L'aire sous la courbe U-I est liée à l'énergie fournie.

11.5

Circuits DC Composés

Programme

Objectif d'apprentissage 11.5.A : Décrire la résistance équivalente de plusieurs résistances connectées dans un circuit.

  • 11.5.A.1 Les éléments de circuit peuvent être connectés en série et/ou en parallèle.
    • 11.5.A.1.i Une connexion en série est celle où toute charge passant par un élément de circuit doit passer par tous les éléments de cette connexion et n'a aucune autre voie disponible. Le courant dans chaque élément en série doit être le même.
    • 11.5.A.1.ii Une connexion en parallèle est celle où les charges peuvent circuler par l'une de deux voies ou plus. Aux bornes de chaque voie, la différence de potentiel est la même.
  • 11.5.A.2 Un ensemble de résistances dans un circuit peut être analysé comme s'il s'agissait d'une seule résistance avec une résistance équivalente $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i La résistance équivalente d'un ensemble de résistances en série est la somme des résistances individuelles.
      • Équation: $R_{\text{eq},s} = \sum_i R_i$
    • 11.5.A.2.ii L'inverse de la résistance équivalente d'un ensemble de résistances connectées en parallèle est égal à la somme des inverses des résistances individuelles.
      • Équation: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_i \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii Lorsque des résistances sont connectées en parallèle, le nombre de voies disponibles pour les charges augmente, et la résistance équivalente du groupe de résistances diminue.

Objectif d'apprentissage 11.5.B : Décrire un circuit avec des fils résistifs et une pile avec une résistance interne.

  • 11.5.B.1 Les piles idéales ont une résistance interne négligeable. Les fils idéaux ont une résistance négligeable.
    • 11.5.B.1.i La résistance des fils qui sont de bons conducteurs peut normalement être négligée, car leur résistance est beaucoup plus petite que celle d'autres éléments d'un circuit.
    • 11.5.B.1.ii La résistance des fils ne peut être négligée que si le circuit contient d'autres éléments qui possèdent effectivement une résistance.
    • 11.5.B.1.iii La différence de potentiel qu'une pile fournirait si elle était idéale est la différence de potentiel mesurée aux bornes lorsqu'il n'y a pas de courant dans la pile, et est parfois appelée sa $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
  • 11.5.B.2 La résistance interne d'une pile non idéale peut être traitée comme la résistance d'une résistance en série avec une pile idéale et le reste du circuit.
  • 11.5.B.3 Lorsqu'il y a un courant dans une pile non idéale avec une résistance interne $r$, la différence de potentiel aux bornes de la pile est réduite par rapport à la différence de potentiel lorsqu'il n'y a pas de courant dans la pile.
    • Équation (déduite) : $\Delta V_{\text{terminal}} = \varepsilon - Ir$

Objectif d'apprentissage 11.5.C : Décrire la mesure du courant et de la différence de potentiel dans un circuit.

  • 11.5.C.1 Les ampèremètres sont utilisés pour mesurer le courant à un point spécifique d'un circuit.
    • 11.5.C.1.i Les ampèremètres doivent être connectés en série avec l'élément dont le courant est mesuré.
    • 11.5.C.1.ii Les ampèremètres idéaux ont une résistance nulle afin de ne pas affecter le courant dans l'élément avec lequel ils sont en série.
  • 11.5.C.2 Les voltmètres sont utilisés pour mesurer la différence de potentiel électrique entre deux points d'un circuit.
    • 11.5.C.2.i Les voltmètres doivent être connectés en parallèle avec l'élément aux bornes duquel la différence de potentiel est mesurée.
    • 11.5.C.2.ii Les voltmètres idéaux ont une résistance infinie afin qu'aucune charge ne passe à travers eux.
  • 11.5.C.3 Les ampèremètres et voltmètres non idéals modifieront les propriétés du circuit mesuré.

Énoncé de délimitation : AP Physics 2 attend seulement des étudiants qu'ils discutent qualitativement de la façon dont un ampèremètre ou un voltmètre non idéal affectera les résultats des mesures. Sauf indication contraire, toutes les piles, fils et instruments sont supposés être idéaux.

Énoncé de délimitation : Les circuits avec des piles ayant différentes différences de potentiel connectées en parallèle ne seront pas évalués.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Combinez les résistances pour trouver une résistance équivalente 等效电阻 :

Les résistances en série s'additionnent pour former une seule résistance équivalente
Les résistances en série s'additionnent pour former une seule résistance équivalente
  • Série : $R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$ (les résistances s'additionnent).
  • Parallèle : $\dfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\cdots$ (le total est inférieur à la plus petite).

Réduisez le réseau étape par étape pour trouver le courant total fourni par la pile, puis remontez vers chaque élément.

Exemple résolu. Une batterie de $12\ \text{V}$ alimente une résistance de $4.0\ \Omega$ et une résistance de $12\ \Omega$ en parallèle. D'abord, combinez-les : $\dfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\dfrac14+\dfrac{1}{12}=\dfrac{4}{12}\Rightarrow R_{\text{eq}}=3.0\ \Omega$. Le courant total fourni par la batterie est de $I=\dfrac{V}{R_{\text{eq}}}=\dfrac{12}{3.0}=4.0\ \text{A}$, qui se divise de sorte que la résistance plus petite transporte la plus grande part ($3.0\ \text{A}$ traversant la $4\ \Omega$, $1.0\ \text{A}$ traversant la $12\ \Omega$).

11.5

Mesure du Courant et de la Tension

Programme

Objectif d'apprentissage 11.5.A : Décrire la résistance équivalente de plusieurs résistances connectées dans un circuit.

  • 11.5.A.1 Les éléments de circuit peuvent être connectés en série et/ou en parallèle.
    • 11.5.A.1.i Une connexion en série est celle où toute charge passant par un élément de circuit doit passer par tous les éléments de cette connexion et n'a aucune autre voie disponible. Le courant dans chaque élément en série doit être le même.
    • 11.5.A.1.ii Une connexion en parallèle est celle où les charges peuvent circuler par l'une de deux voies ou plus. Aux bornes de chaque voie, la différence de potentiel est la même.
  • 11.5.A.2 Un ensemble de résistances dans un circuit peut être analysé comme s'il s'agissait d'une seule résistance avec une résistance équivalente $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i La résistance équivalente d'un ensemble de résistances en série est la somme des résistances individuelles.
      • Équation: $R_{\text{eq},s} = \sum_i R_i$
    • 11.5.A.2.ii L'inverse de la résistance équivalente d'un ensemble de résistances connectées en parallèle est égal à la somme des inverses des résistances individuelles.
      • Équation: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_i \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii Lorsque des résistances sont connectées en parallèle, le nombre de voies disponibles pour les charges augmente, et la résistance équivalente du groupe de résistances diminue.

Objectif d'apprentissage 11.5.B : Décrire un circuit avec des fils résistifs et une pile avec une résistance interne.

  • 11.5.B.1 Les piles idéales ont une résistance interne négligeable. Les fils idéaux ont une résistance négligeable.
    • 11.5.B.1.i La résistance des fils qui sont de bons conducteurs peut normalement être négligée, car leur résistance est beaucoup plus petite que celle d'autres éléments d'un circuit.
    • 11.5.B.1.ii La résistance des fils ne peut être négligée que si le circuit contient d'autres éléments qui possèdent effectivement une résistance.
    • 11.5.B.1.iii La différence de potentiel qu'une pile fournirait si elle était idéale est la différence de potentiel mesurée aux bornes lorsqu'il n'y a pas de courant dans la pile, et est parfois appelée sa $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
  • 11.5.B.2 La résistance interne d'une pile non idéale peut être traitée comme la résistance d'une résistance en série avec une pile idéale et le reste du circuit.
  • 11.5.B.3 Lorsqu'il y a un courant dans une pile non idéale avec une résistance interne $r$, la différence de potentiel aux bornes de la pile est réduite par rapport à la différence de potentiel lorsqu'il n'y a pas de courant dans la pile.
    • Équation (déduite) : $\Delta V_{\text{terminal}} = \varepsilon - Ir$

Objectif d'apprentissage 11.5.C : Décrire la mesure du courant et de la différence de potentiel dans un circuit.

  • 11.5.C.1 Les ampèremètres sont utilisés pour mesurer le courant à un point spécifique d'un circuit.
    • 11.5.C.1.i Les ampèremètres doivent être connectés en série avec l'élément dont le courant est mesuré.
    • 11.5.C.1.ii Les ampèremètres idéaux ont une résistance nulle afin de ne pas affecter le courant dans l'élément avec lequel ils sont en série.
  • 11.5.C.2 Les voltmètres sont utilisés pour mesurer la différence de potentiel électrique entre deux points d'un circuit.
    • 11.5.C.2.i Les voltmètres doivent être connectés en parallèle avec l'élément aux bornes duquel la différence de potentiel est mesurée.
    • 11.5.C.2.ii Les voltmètres idéaux ont une résistance infinie afin qu'aucune charge ne passe à travers eux.
  • 11.5.C.3 Les ampèremètres et voltmètres non idéals modifieront les propriétés du circuit mesuré.

Énoncé de délimitation : AP Physics 2 attend seulement des étudiants qu'ils discutent qualitativement de la façon dont un ampèremètre ou un voltmètre non idéal affectera les résultats des mesures. Sauf indication contraire, toutes les piles, fils et instruments sont supposés être idéaux.

Énoncé de délimitation : Les circuits avec des piles ayant différentes différences de potentiel connectées en parallèle ne seront pas évalués.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Deux compteurs lisent un circuit. Un ampèremètre 电流表 mesure le courant en un point, donc il doit être connecté en série – le courant que vous voulez mesurer doit passer à travers lui. Un voltmètre 电压表 mesure la différence de potentiel entre deux points, donc il est connecté en parallèle, en pont sur le composant dont vous voulez mesurer la tension.

Pour qu'un compteur lise la valeur vraie, il ne doit presque pas perturber le circuit :

  • non ampèremètre idéal a une résistance nulle, donc le brancher en série ne réduit pas le courant qu'il lit;
  • non voltmètre idéal a une résistance infinie, donc presque aucun courant n'est dévié à travers lui.

Un compteur réel, non idéal 非idéal est imparfait : un ampèremètre réel a une petite résistance (il abaisse légèrement le courant), et un voltmètre réel laisse fuir un peu de courant (il abaisse légèrement la tension qu'il lit). Ainsi, connecter n'importe quel compteur modifie, un peu, la quantité même qu'il mesure.

11.6

Règle des Mailles de Kirchhoff

Programme

Objectif d'apprentissage 11.6.A : Décrire un circuit ou des éléments d'un circuit en appliquant la règle des mailles de Kirchhoff.

  • 11.6.A.1 Les changements d'énergie dans les circuits électriques simples peuvent être représentés en termes de charges se déplaçant à travers des différences de potentiel électrique au sein des éléments de circuit.
    • Équation : $\Delta U_E = q \Delta V$
  • 11.6.A.2 La règle des mailles de Kirchhoff est une conséquence de la conservation de l'énergie.
  • 11.6.A.3 La loi des mailles de Kirchhoff stipule que la somme des différences de potentiel à travers tous les éléments d'un circuit dans une seule boucle fermée doit être égale à zéro.
    • Équation : $\sum \Delta V = 0$
  • 11.6.A.4 Les valeurs du potentiel électrique aux points d'un circuit peuvent être représentées par un graphique du potentiel électrique en fonction de la position dans une boucle.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

La règle des mailles de Kirchhoff 基尔霍夫电压定律 (conservation de l'énergie) : autour de toute maille fermée, les gains et chutes de tension s'annulent (zéro). Ajoutez la fem de la pile et soustrayez chaque chute de $IR$ au fur et à mesure du parcours. Cela donne une équation par maille indépendante.

11.7

Règle des Nœuds de Kirchhoff

Programme

Objectif d'apprentissage 11.7.A : Décrire un circuit ou des éléments d'un circuit en appliquant la loi des nœuds de Kirchhoff.

  • 11.7.A.1 La loi des nœuds de Kirchhoff est une conséquence de la conservation de la charge électrique.
  • 11.7.A.2 La loi des nœuds de Kirchhoff stipule que la quantité totale de charge entrant dans un nœud par unité de temps doit être égale à la quantité totale de charge sortant de ce nœud par unité de temps.
    • Équation : $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

La règle des nœuds de Kirchhoff 基尔霍夫电流定律 (conservation de la charge) : le courant total entrant dans n'importe quel nœud est égal au courant total sortant. Ensemble avec la règle des mailles, elle permet de résoudre n'importe quel circuit à multiples mailles pour ses courants inconnus.

Le courant se divise à un nœud : ce qui entre égale ce qui sort
Le courant se divise à un nœud : ce qui entre égale ce qui sort
11.8

Circuits RC

Programme

Objectif d'apprentissage 11.8.A : Décrire la capacité équivalente de plusieurs condensateurs.

  • 11.8.A.1 Un ensemble de condensateurs dans un circuit peut être analysé comme s'il s'agissait d'un seul condensateur ayant une capacité équivalente $C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.A.1.i L'inverse de la capacité équivalente d'un ensemble de condensateurs connectés en série est égal à la somme des inverses des capacités individuelles.
      • Équation: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_i \dfrac{1}{C_i}$
    • 11.8.A.1.ii La capacité équivalente d'un ensemble de condensateurs en série est inférieure à la capacité du plus petit condensateur.
    • 11.8.A.1.iii La capacité équivalente d'un ensemble de condensateurs en parallèle est la somme des capacités individuelles.
      • Équation: $C_{\text{eq},p} = \sum_i C_i$
  • 11.8.A.2 En raison de la conservation de la charge, chacun des condensateurs en série doit avoir la même magnitude de charge sur chaque plaque.

Objectif d'apprentissage 11.8.B : Décrire le comportement d'un circuit contenant des combinaisons de résistances et de condensateurs.

  • 11.8.B.1 La constante de temps $\tau$ est une caractéristique importante d'un circuit RC.
    • 11.8.B.1.i La constante de temps d'un circuit RC est une mesure de la rapidité avec laquelle le condensateur se chargera ou se déchargera et est définie comme $\tau = R_{\text{eq}} C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.B.1.ii Pour un condensateur en charge, la constante de temps représente le temps nécessaire pour que la charge du condensateur augmente de zéro à environ 63 % de sa valeur asymptotique finale.
    • 11.8.B.1.iii Pour un condensateur en décharge, la constante de temps représente le temps nécessaire pour que la charge du condensateur diminue d'une charge complète à environ 37 % de sa valeur initiale.
  • 11.8.B.2 La différence de potentiel aux bornes d'un condensateur et le courant dans la branche du circuit contenant le condensateur varient toutes deux au fil du temps alors que le condensateur se charge et se décharge, mais elles atteindront toutes deux un état stationnaire après un intervalle de temps long.
    • 11.8.B.2.i Immédiatement après avoir été placé dans un circuit, un condensateur non chargé agit comme un fil conducteur, et la charge peut facilement circuler vers ou depuis les plaques du condensateur.
    • 11.8.B.2.ii Au fur et à mesure qu'un condensateur se charge, les variations de la différence de potentiel aux bornes du condensateur affectent la charge sur les plaques du condensateur, la branche du circuit dans laquelle il est situé et l'énergie potentielle électrique stockée dans le condensateur.
    • 11.8.B.2.iii La différence de potentiel aux bornes d'un condensateur, le courant dans la branche du circuit dans laquelle il est situé et l'énergie potentielle électrique stockée dans le condensateur varient toutes trois par rapport au temps et approchent asymptotiquement des conditions stationnaires.
    • 11.8.B.2.iv Après un temps long, un condensateur en charge approche un état de charge complète, atteignant une différence de potentiel maximale pour laquelle il n'y a aucun courant dans la branche du circuit dans laquelle il est situé.
    • 11.8.B.2.v Immédiatement après qu'un condensateur chargé commence à se décharger, la quantité de charge sur les plaques du condensateur et l'énergie stockée dans le condensateur commencent à diminuer.
    • 11.8.B.2.vi Au fur et à mesure qu'un condensateur se décharge, la quantité de charge sur le condensateur, la différence de potentiel aux bornes du condensateur et le courant dans la branche du circuit dans laquelle il est situé diminuent toutes jusqu'à ce qu'un état stationnaire soit atteint.
    • 11.8.B.2.vii Après une charge ou une décharge pendant des temps beaucoup plus longs que la constante de temps, le condensateur et la branche du circuit pertinente peuvent être modélisés en utilisant des conditions stationnaires.

Énoncé de limite : Les descriptions des circuits RC en charge/décharge en AP Physique 2 sont limitées à des descriptions et des représentations qualitatives. Bien que les étudiants doivent pouvoir décrire mathématiquement les états initiaux et finaux des circuits RC, ils ne sont pas attendus pour modéliser mathématiquement ces comportements par rapport au temps.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Chargement d'un condensateur (RC)

Un circuit RC RC电路 contient une résistance et un condensateur. Lors de la charge, la tension du condensateur monte et le courant descend, tous deux exponentiellement, sur une caractéristique de temps $\tau=RC$. Limites clés : à l'instant initial, le condensateur non chargé agit comme un fil simple (courant maximum) ; après un long moment, il est entièrement chargé et bloque le courant (agit comme une rupture).

La charge d'un condensateur décroît exponentiellement lors de la décharge
La charge d'un condensateur décroît exponentiellement lors de la décharge

Exemple résolu. Pour $R=10\ \text{k}\Omega$ et $C=100\ \mu\text{F}$, la constante de temps est $\tau=RC=(10\times10^{3})(100\times10^{-6})=1.0\ \text{s}$. Après une constante de temps, le condensateur atteint environ $63\%$ de la tension d'alimentation ; après environ $5\tau$, il est essentiellement totalement chargé.

11.8

Conseils d'examen

  • En série, le courant est le même partout ; en parallèle, la tension est la même sur chaque branche – ne jamais mélanger ces concepts.
  • Combinez les résistances : en série elles s'additionnent ; en parallèle $1/R_{\text{eq}}=\sum 1/R_i$ (le total est inférieur à la plus petite).
  • Appliquez les règles de Kirchhoff : nœud (courant entrant = courant sortant, charge conservée) et maille (tensions s'annulent, énergie conservée).
  • Choisissez la forme de puissance adaptée à vos données connues : $P=IV=I^2R=V^2/R$.
  • Un ampèremètre se place en série (idéal : zéro résistance) ; un voltmètre se place en parallèle (idéal : résistance infinie). Un compteur réel perturbe légèrement le circuit qu'il mesure.
  • Une ampoule est plus brillante lorsqu'elle dissipe plus de puissance – en série, la plus grande résistance ($I^2R$) brille le plus ; en parallèle, la plus petite ($V^2/R$) le fait.
  • Dans un circuit RC, le condensateur agit comme un fil simple au moment où il commence à se charger et comme une rupture une fois entièrement chargé.

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