Le circuit électrique en 5e : boucle, générateur, récepteurs, schéma normalisé

Ce qu’il faut pour qu’une lampe brille

Posez une pile plate et une petite lampe sur la table. Comment allumer la lampe ? Les élèves essaient d’abord de poser la lampe sur la pile, de toucher une lame avec un fil, de coller le culot sur la borne +. Rien ne se passe. Puis quelqu’un touche les deux lames de la pile avec les deux contacts de la lampe, le culot et le plot du dessous, et la lampe s’allume.

Ce tâtonnement contient tout le chapitre. Une lampe ne brille que si elle est reliée aux deux bornes de la pile de façon à former une boucle : le courant sort par une borne de la pile, traverse la lampe, revient par l’autre borne. Enlevez un fil, la boucle est interrompue et la lampe s’éteint aussitôt. Il n’y a pas de « réserve » de courant dans la lampe ni de courant qui « s’écoule » d’une seule borne.

Cette idée de boucle est plus subtile qu’il n’y paraît. L’eau qui sort d’un robinet coule vers l’évier sans avoir besoin de revenir au robinet ; on imagine souvent le courant électrique de la même façon, comme un fluide qui partirait de la pile pour être « consommé » dans la lampe. Ce n’est pas le cas. Le courant circule dans toute la boucle en même temps, il est le même en tout point d’un circuit simple, et ce qui est consommé n’est pas le courant mais l’énergie que la pile lui communique.

Définition et vocabulaire

Un circuit électrique est un ensemble de composants électriques reliés entre eux par des conducteurs de façon à former au moins une boucle fermée dans laquelle un courant peut circuler. Chaque composant possède deux bornes : on l’appelle un dipôle (du grec di, deux, et polos, pôle). Une pile, une lampe, un moteur, un interrupteur, un résistor, une diode sont des dipôles. Les dipôles sont étudiés un par un sur la page qui leur est consacrée ; ici, on regarde comment ils s’assemblent.

Les dipôles se répartissent en trois familles selon leur rôle :

• le générateur fournit l’énergie électrique au circuit. Au collège, c’est une pile (plate de 4,5 V, ronde de 1,5 V, rectangulaire de 9 V) ou une alimentation branchée sur le secteur. Il possède une borne + et une borne − : on dit qu’il est polarisé ;
• les récepteurs reçoivent cette énergie et la transforment : la lampe en lumière (et en chaleur), le moteur en mouvement, le résistor en chaleur, le buzzer en son, la DEL en lumière ;
• les éléments de commande et de liaison ne consomment pratiquement rien mais organisent le circuit : les fils de connexion, l’interrupteur qui ouvre ou ferme la boucle, les dominos et bornes qui assurent les contacts.

Un circuit qui ne comporte qu’une seule boucle est un circuit simple ou circuit en série : tous les dipôles sont traversés l’un après l’autre par le même courant. Dès qu’il y a plusieurs boucles, on parle de circuit avec dérivations ; c’est l’objet d’une autre page. En 5e, on commence par la boucle unique.

Le mot circuit lui-même est parlant : en latin, circuitus est le tour, le trajet qui revient à son point de départ. Un circuit automobile, un circuit de randonnée reviennent au départ ; le circuit électrique aussi.

Les composants et leur rôle

La pile. Elle transforme de l’énergie chimique en énergie électrique. Ses deux bornes ne jouent pas le même rôle : la borne + (grande lame sur une pile plate, bosse sur une pile ronde) et la borne − (petite lame, fond plat). La tension marquée sur la pile, 1,5 V, 4,5 V ou 9 V, indique la « force » avec laquelle elle pousse le courant ; la tension électrique est mesurée en 4e.

La lampe à incandescence. Un filament de tungstène très fin, enfermé dans une ampoule de verre remplie de gaz inerte, chauffe à blanc quand le courant le traverse. Ses deux bornes sont le culot (partie métallique filetée ou à baïonnette) et le plot (le point métallique au fond du culot). Le filament est relié à ces deux bornes par deux fils fins visibles à travers le verre. Sur une lampe, on lit deux indications : la tension d’usage (3,5 V, 6 V, 12 V) et l’intensité ou la puissance (0,2 A, 0,1 A ; 1 W). Une lampe de 3,5 V grille sur une pile de 9 V et n’éclaire presque pas sur 1,5 V.

Le moteur. Une bobine de fil placée entre des aimants ; le courant qui la traverse la fait tourner. Le moteur à courant continu du collège tourne dans un sens ou dans l’autre selon le sens du courant : c’est le seul récepteur usuel qui « voit » le sens du branchement, avec la diode.

L’interrupteur. Une pièce métallique mobile qui met en contact, ou non, deux bornes. Fermé, il laisse passer le courant comme un fil ; ouvert, il coupe la boucle. Le bouton-poussoir est un interrupteur qui ne reste fermé que le temps où l’on appuie. L’interrupteur ne consomme rien et n’a pas de sens de branchement.

Les fils de connexion. Un brin de cuivre, excellent conducteur, entouré d’une gaine de plastique isolante. Les couleurs de la gaine (rouge, noir, bleu) ne changent rien au fonctionnement : elles servent seulement à se repérer, par exemple rouge pour le côté + et noir pour le côté −. Un fil dont on voit le cuivre est à remplacer.

La DEL. Une diode qui émet de la lumière quand le courant la traverse dans le bon sens, et reste éteinte dans l’autre. Elle exige un résistor de protection ; tout cela est expliqué sur la page diode et DEL.

Dipôle	Rôle	Bornes	Sens de branchement	Indication portée
Pile	générateur	+ et −	oui (polarisé)	tension : 1,5 V, 4,5 V, 9 V
Lampe	récepteur (lumière, chaleur)	culot et plot	non	3,5 V 0,2 A ; 6 V 0,1 A ; 12 V 5 W
Moteur	récepteur (mouvement)	deux cosses	le sens de rotation dépend du sens du courant	3 à 6 V
Interrupteur	commande	deux bornes	non	—
Résistor	récepteur (chaleur)	deux fils	non	valeur en ohms (anneaux de couleur)
Diode, DEL	commande du sens / lumière	anode et cathode	oui (polarisée)	seuil 0,7 V (diode), 2 à 3 V (DEL)
Fil de connexion	liaison	deux extrémités	non	—

Sources : catalogues de matériel pédagogique (Jeulin, Pierron) pour les valeurs usuelles ; norme NF EN 60617 pour les symboles ; programme de cycle 4 du BO.

Les symboles normalisés

Dessiner une pile plate avec ses lames, une ampoule avec son filament, un moteur avec son axe prend du temps, dépend du modèle utilisé et n’est pas lisible par quelqu’un d’autre. On remplace donc chaque dipôle par un symbole normalisé, le même pour tout le monde, fixé par la norme internationale CEI 60617 (en France, NF EN 60617). Un électricien japonais et une élève de 5e française dessinent la même lampe : un cercle barré d’une croix.

Trois symboles supplémentaires apparaissent en 4e et 3e : l’ampèremètre (cercle avec un A), le voltmètre (cercle avec un V) et le générateur quelconque (cercle avec un G), utilisé quand on ne veut pas préciser s’il s’agit d’une pile ou d’une alimentation. Une page entière est consacrée à la liste complète des symboles et à leurs pièges.

Le schéma normalisé : les règles de tracé

Un schéma est le dessin du circuit avec les symboles normalisés. Il ne cherche pas à ressembler au montage réel : les fils y sont des traits droits, les dipôles y sont rangés proprement, et leur ordre le long de la boucle est le seul renseignement conservé. Deux montages en apparence très différents sur la table, avec des fils emmêlés ou tendus, peuvent avoir le même schéma, et donc fonctionner de la même façon.

Les fautes de schéma que les enseignants corrigent le plus souvent : des fils tracés à main levée ou en diagonale ; un dipôle dessiné dans un angle du rectangle ; une pile sans indication de la borne + ; un symbole de lampe sans sa croix (ce qui en fait un simple nœud) ; un interrupteur dont on ne sait pas s’il est ouvert ou fermé ; des fils qui se croisent alors que le circuit est une boucle simple, ce qui n’arrive jamais dans un schéma bien tracé.

Exemple 1 — Du montage au schéma

Sur la table : une pile plate, un interrupteur et une lampe. Un fil relie la grande lame de la pile à une borne de l’interrupteur ; un fil relie l’autre borne de l’interrupteur au culot de la lampe ; un fil relie le plot de la lampe à la petite lame de la pile.

Ordre le long de la boucle en partant de la borne + : pile → interrupteur → lampe → retour à la pile. On trace un rectangle ; la pile à gauche, borne + en haut ; l’interrupteur en haut ; la lampe à droite ; le côté bas est un simple fil. Si l’interrupteur est fermé, la flèche du courant part de la borne + vers le haut, tourne vers la droite, descend à travers la lampe et revient vers la gauche par le bas.

Exemple 2 — Du schéma au montage

Un schéma montre un rectangle avec une pile en haut (borne + à gauche), un moteur à droite et une DEL en bas, la pointe du triangle vers la gauche.

Sur la table, il faut relier : borne + de la pile → une cosse du moteur ; l’autre cosse du moteur → l’anode de la DEL (la patte longue, du côté du triangle) ; la cathode de la DEL → borne − de la pile. Vérification du sens de la DEL : le courant sort de la borne +, traverse le moteur de haut en bas sur le côté droit, puis parcourt le côté bas de droite à gauche, ce qui correspond bien à la pointe du triangle orientée vers la gauche : la DEL est passante. En pratique, on ajoute un résistor de protection en série avec elle.

Circuit ouvert, circuit fermé

Un circuit est fermé quand la boucle de conducteurs est continue : le courant circule, la lampe brille, le moteur tourne. Il est ouvert quand la boucle est interrompue en un point au moins : aucun courant ne circule, quelle que soit la qualité du reste du montage.

L’interrupteur est l’organe prévu pour ouvrir et fermer le circuit à volonté. Mais la boucle peut être ouverte pour bien d’autres raisons : un fil mal enfoncé dans sa borne, une lampe dont le filament est cassé (on dit qu’elle est grillée), une pile dont une lame est pliée et ne touche plus, un fil dont le cuivre est rompu sous la gaine. Quand un montage ne fonctionne pas, la première hypothèse est toujours un circuit ouvert quelque part.

Le vocabulaire piège les élèves : dans la vie courante, « fermer » évoque l’arrêt (fermer le robinet, fermer la porte) alors qu’en électricité, fermer le circuit, c’est le faire fonctionner. Pour s’en souvenir : on ferme la boucle, comme on ferme un collier en attachant son fermoir, et c’est alors que le courant peut « tourner ».

Ce chapitre sert aussi à classer les matériaux. Si l’on remplace un fil de la boucle par un objet quelconque, la lampe brille avec une clé, une pièce, une mine de crayon, de l’eau salée : ce sont des conducteurs. Elle reste éteinte avec une règle en plastique, un morceau de bois sec, du verre, de l’air : ce sont des isolants. Le test du circuit ouvert ou fermé est la méthode expérimentale de la page sur les conducteurs et isolants.

Le sens du courant

Rien, dans un circuit à lampe et interrupteur, ne permet de dire dans quel sens le courant circule : inversez la pile, la lampe brille pareil. Ce sont les dipôles polarisés qui le révèlent : le moteur change de sens de rotation, la diode et la DEL fonctionnent dans un sens et pas dans l’autre.

Par convention, on décide que le courant circule, à l’extérieur du générateur, de la borne + vers la borne −. C’est le sens conventionnel du courant, indiqué sur les schémas par une flèche rouge posée sur un fil. À l’intérieur de la pile, le courant remonte de la borne − vers la borne + : la pile est la « pompe » qui remet le courant en circulation.

Cette convention date des années 1820, quand André-Marie Ampère décrit les effets du courant sans connaître sa nature. Le choix suivait celui de Benjamin Franklin, qui avait qualifié de « positive » l’une des deux électricités observées au XVIII^e siècle. Quand on découvre l’électron en 1897, on comprend que dans les métaux ce sont des particules négatives qui se déplacent, et donc qu’elles vont de la borne − vers la borne +, à l’envers du sens conventionnel. Il aurait fallu tout réécrire ; on a gardé la convention. Elle n’est pas fausse, elle est un choix, et tous les raisonnements du collège s’en accommodent parfaitement.

Deux situations à connaître : court-circuit et dérivation

Le programme de 5e introduit, à partir du circuit simple, deux situations développées sur leurs propres pages.

Le court-circuit : un fil relie directement les deux bornes d’un dipôle. Le courant emprunte ce raccourci ; une lampe court-circuitée s’éteint, et si plus aucun récepteur ne reste dans la boucle, la pile débite un courant intense qui échauffe les fils. La page sur le court-circuit détaille les cas sans danger et le cas dangereux, ainsi que les protections de l’installation domestique.

La dérivation : au lieu d’une seule boucle, le circuit en possède plusieurs, qui partagent le générateur. Chaque lampe branchée en dérivation reçoit toute la tension de la pile et fonctionne indépendamment des autres : c’est le montage des installations domestiques. La page série et dérivation compare les deux montages, avec leurs schémas et leurs propriétés.

Exemple 3 — Deux lampes en série : que se passe-t-il ?

Une pile, un interrupteur et deux lampes identiques L1 et L2 forment une boucle unique.

Les deux lampes brillent, mais moins fort que si l’une était seule : la tension de la pile se partage entre elles. Si l’on dévisse L1, la boucle est ouverte : L2 s’éteint aussi. C’est la signature du circuit en série : les dipôles dépendent les uns des autres. Les guirlandes de Noël anciennes fonctionnaient ainsi, et une seule ampoule grillée éteignait toute la guirlande.

Exemple 4 — Le moteur qui tourne à l’envers

Un élève branche un moteur sur une pile : l’hélice tourne dans le sens des aiguilles d’une montre. Il inverse les deux fils sur la pile.

L’hélice tourne dans le sens inverse. Le moteur est un dipôle sensible au sens du courant : inverser la pile inverse le courant, donc le sens de rotation. Une lampe placée en série dans le même circuit ne changerait rien à son éclat. C’est ce que l’on utilise pour faire avancer ou reculer une voiture télécommandée ou un train électrique.

Un peu d’histoire

Le circuit électrique tel qu’on l’étudie au collège naît en 1800 avec la pile de Volta : des disques de zinc et de cuivre empilés, séparés par des rondelles de carton imbibées d’eau salée. Pour la première fois, on dispose d’une source de courant continu et durable, alors que les machines électrostatiques du XVIII^e siècle ne produisaient que des étincelles. Volta présente sa pile à Napoléon Bonaparte en 1801 ; en quelques années, les laboratoires d’Europe construisent des piles de plus en plus grandes et découvrent l’électrolyse, l’arc électrique, l’électroaimant.

Le mot courant et la notion de circuit fermé se précisent avec André-Marie Ampère en 1820, qui montre que deux fils parcourus par un courant s’attirent ou se repoussent et propose de mesurer le courant par ses effets magnétiques. L’unité d’intensité porte son nom. Georg Ohm relie en 1827 le courant à la tension et à la résistance des fils. Les symboles normalisés viennent bien plus tard : les premières conventions nationales datent de la fin du XIX^e siècle, et la Commission électrotechnique internationale, fondée en 1906, ne publie une norme mondiale des symboles graphiques qu’au fil du XX^e siècle, la CEI 60617 actuelle datant de 1983 et révisée depuis.

La lampe à incandescence, récepteur emblématique du collège, est mise au point par Joseph Swan et Thomas Edison vers 1879. Elle disparaît des rayons à partir de 2012 au profit de la DEL, mais reste dans les salles de sciences : c’est le récepteur le plus simple pour visualiser un courant, et son filament visible permet de comprendre qu’une lampe grillée est un circuit ouvert.

Les erreurs classiques

Croire qu’un seul fil suffit. La lampe a besoin d’être reliée aux deux bornes de la pile : un fil pour aller, un pour revenir. C’est l’erreur de départ de tous les élèves, et c’est en la faisant qu’on comprend la boucle.

Confondre « circuit fermé » et « circuit qui ne marche pas ». Fermé = qui fonctionne, ouvert = interrompu. À l’oral comme à l’écrit, cette inversion est la faute la plus fréquente du chapitre.

Penser que le courant s’use dans la lampe. Le courant est le même dans toute la boucle : il ne diminue pas après la lampe. Ce que la pile fournit et que la lampe consomme, c’est de l’énergie. Un ampèremètre placé avant ou après la lampe indique la même valeur, ce que l’on vérifie en 4e.

Dessiner ce que l’on voit au lieu de schématiser. Un schéma normalisé n’a pas de fils courbes, pas de pile dessinée avec ses lames, pas d’ampoule en forme de poire. Rectangle, symboles, un dipôle par côté.

Oublier la polarité de la pile. Sans borne + indiquée, on ne peut ni placer la flèche du courant, ni dire si une diode est passante, ni prévoir le sens de rotation d’un moteur.

Croire que la couleur des fils a un rôle. Un fil rouge et un fil noir conduisent exactement pareil ; les couleurs ne sont qu’une aide au repérage. Ce qui compte, c’est où chaque extrémité est branchée.

Exercices corrigés

Les exercices vont de la reconnaissance des symboles à la schématisation complète d’un montage, puis au raisonnement sur le sens du courant.

Exercice 1

Symboles

5e●○○

1. Dessiner le symbole normalisé de : une pile, une lampe, un interrupteur ouvert, un moteur.
2. À quoi reconnaît-on la borne + sur le symbole de la pile ?
3. Quelle différence y a-t-il entre le symbole de la lampe et celui du moteur ?

Voir la correction

1. Pile : un trait long et fin puis un trait court et épais, perpendiculaires au fil. Lampe : un cercle barré d’une croix. Interrupteur ouvert : deux points et un trait relevé qui ne touche pas le second point. Moteur : un cercle avec la lettre M.
2. Le trait long et fin représente la borne + (le trait court et épais, la borne −).
3. Tous deux sont des cercles : la lampe porte une croix, le moteur un M.

Exercice 2

Classer les dipôles

5e●○○

Voici une liste : pile plate, lampe de 3,5 V, fil de connexion, moteur, interrupteur, DEL, résistor, alimentation de laboratoire.

1. Quels dipôles sont des générateurs ? des récepteurs ? Lesquels ne sont ni l’un ni l’autre ?
2. Quels dipôles ont un sens de branchement ?
3. Quel dipôle transforme l’énergie électrique en mouvement ? en lumière ?

Voir la correction

1. Générateurs : pile plate, alimentation. Récepteurs : lampe, moteur, DEL, résistor. Ni l’un ni l’autre : fil, interrupteur (liaison et commande).
2. La pile, l’alimentation (bornes + et −), la DEL (anode, cathode) ; le moteur fonctionne dans les deux sens mais son sens de rotation dépend du branchement.
3. Mouvement : le moteur. Lumière : la lampe et la DEL.

Exercice 3

Schématiser un montage

5e●●○

Un montage comporte une pile de 4,5 V, un interrupteur fermé, une lampe et un moteur, reliés en une seule boucle dans cet ordre à partir de la borne + de la pile.

1. Tracer le schéma normalisé (décrire la position de chaque symbole).
2. Indiquer le sens conventionnel du courant.
3. On ouvre l’interrupteur. Que deviennent la lampe et le moteur ?

Voir la correction

1. Un rectangle. Pile sur le côté gauche, borne + en haut ; interrupteur fermé sur le côté haut ; lampe sur le côté droit ; moteur sur le côté bas. Un dipôle par côté, fils droits.
2. Flèche partant de la borne + : vers la droite sur le côté haut, vers le bas sur le côté droit, vers la gauche sur le côté bas, vers le haut sur le côté gauche jusqu’à la borne −.
3. Le circuit est ouvert : la lampe s’éteint et le moteur s’arrête, car ils sont dans la même boucle que l’interrupteur.

Exercice 4

Pourquoi ça ne marche pas ?

5e●●○

Quatre élèves ont monté une pile, un interrupteur fermé et une lampe. La lampe ne s’allume pas dans les quatre montages. Trouver la cause probable dans chaque cas :

1. Élève A : la lampe est posée sur la borne + de la pile, un fil relie la borne − au culot.
2. Élève B : le montage paraît correct, mais la lampe fonctionne quand on la branche directement sur la pile ; on remarque qu’un fil sort de sa borne.
3. Élève C : le montage est correct, la pile est neuve, mais la lampe est marquée 12 V.
4. Élève D : le montage est correct mais un fil supplémentaire relie les deux bornes de la lampe.

Voir la correction

1. Un seul chemin : le plot de la lampe ne touche pas la borne + ; la boucle n’est pas fermée.
2. Circuit ouvert par le fil mal enfoncé : la boucle est coupée à cet endroit.
3. Lampe inadaptée : une lampe de 12 V sur 4,5 V luit à peine. Le circuit fonctionne, mais le récepteur n’est pas prévu pour cette tension.
4. Court-circuit de la lampe : le courant passe par le fil supplémentaire et contourne la lampe. Retirer ce fil (et vite : la pile est en court-circuit).

Exercice 5

Le sens du courant

5e●●●

Un circuit en série comprend une pile, une DEL avec son résistor, un moteur et une lampe. Tout fonctionne : la DEL est allumée, l’hélice du moteur tourne dans le sens horaire.

1. On retourne la pile. Décrire l’état de chaque dipôle.
2. On remet la pile à l’endroit et on retourne la lampe. Décrire l’état de chaque dipôle.
3. Quels dipôles de ce circuit permettent de connaître le sens du courant ?

Voir la correction

1. Le courant change de sens : la DEL est bloquée, donc aucun courant ne circule dans la boucle : la DEL est éteinte, le moteur s’arrête, la lampe s’éteint (ils sont en série avec la diode bloquée).
2. La lampe n’a pas de sens : rien ne change, tout fonctionne comme avant.
3. La DEL (allumée ou non) et le moteur (sens de rotation). La lampe et le résistor ne le révèlent pas.

Exercice 6

Lire un schéma complexe

5e●●●

Un schéma montre : une pile ; sur le côté haut, un interrupteur K1 puis une lampe L1 ; sur le côté droit, un moteur M ; sur le côté bas, une lampe L2. Un fil supplémentaire, muni d’un interrupteur K2, relie directement les deux bornes de L2. K1 est fermé, K2 est ouvert.

1. Le circuit principal est-il ouvert ou fermé ? Quels dipôles fonctionnent ?
2. On ferme K2. Décrire ce qui change.
3. On ouvre K1 (K2 restant fermé). Que se passe-t-il ?

Voir la correction

1. K1 fermé et K2 ouvert : la boucle principale est fermée, le fil de K2 n’intervient pas. L1, M et L2 fonctionnent.
2. K2 fermé court-circuite L2 : L2 s’éteint ; L1 et M fonctionnent, un peu plus fort qu’avant, car il y a un récepteur de moins dans la boucle. Pas de danger : L1 et M restent dans le circuit.
3. K1 ouvert coupe la boucle principale : plus rien ne fonctionne, quelle que soit la position de K2, car le courant ne peut plus revenir à la pile.

Quiz : dix questions pour vérifier

1. Pour qu’une lampe branchée sur une pile brille, il faut…

   un seul fil bien épaisune boucle fermée passant par les deux bornes de la pile et de la lampeque la pile soit posée à platdes fils de couleur rouge
2. Un circuit « fermé » est un circuit…

   qui ne fonctionne pasdans lequel le courant circulesans interrupteurdont la lampe est grillée
3. Le symbole de la lampe est…

   un cercle avec un Mun rectangleun cercle barré d’une croixun triangle et une barre
4. Sur le symbole de la pile, la borne + est…

   le trait court et épaisle trait long et finindiquée par un cercletoujours à droite
5. Le sens conventionnel du courant va, à l’extérieur du générateur…

   de la borne − vers la borne +de la borne + vers la borne −dans les deux sens à la foisdu récepteur vers le générateur seulement
6. Quel dipôle permet de mettre en évidence le sens du courant ?

   la lampele résistorla DELle fil de connexion
7. Dans un schéma normalisé, les fils sont…

   dessinés à main levéedes traits droits, horizontaux ou verticauxen couleur obligatoirementen pointillés
8. Une lampe grillée dans un circuit simple revient à…

   un court-circuitun circuit ouvertun générateur en plusrien de particulier
9. Le générateur d’un circuit…

   consomme l’énergiefournit l’énergie au circuitsert uniquement à ouvrir le circuitest toujours une lampe
10. Dans un circuit simple avec deux lampes en série, on dévisse l’une d’elles. L’autre…

    brille plus forts’éteintne change pasgrille

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Fiche : ce qu’il faut retenir

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