Les dipôles électriques : définition, générateurs et récepteurs, symboles, polarité

Deux bornes, et c’est tout

Regardez une pile, une lampe, un moteur de jouet, un interrupteur, un petit résistor à anneaux de couleur. Ils n’ont rien en commun, ni la forme, ni la matière, ni le rôle. Sauf une chose : chacun possède exactement deux endroits où l’on peut brancher un fil. Deux lames sur la pile, un culot et un plot sur la lampe, deux cosses sur le moteur, deux bornes sur l’interrupteur, deux pattes sur le résistor.

Ce point commun a un nom : ce sont tous des dipôles. Le mot veut dire « deux pôles », et il désigne n’importe quel composant électrique à deux bornes, quel que soit ce qu’il fait. Cette définition, très simple, est le socle de toute l’électricité du collège : un circuit électrique est une chaîne de dipôles reliés bout à bout par des fils, et pour comprendre un circuit, il suffit de savoir ce que fait chaque dipôle et comment ils sont assemblés.

Cette page passe en revue les dipôles du collège : ce qui les définit, la différence entre ceux qui fournissent l’énergie et ceux qui la reçoivent, leurs symboles, ceux qui ont un sens de branchement, et ce qu’ils font de l’énergie qui les traverse. Les circuits eux-mêmes et les montages en série et en dérivation sont traités sur leurs propres pages.

Définition

Un dipôle est un composant électrique qui possède deux bornes, appelées aussi pôles, par lesquelles il est relié au reste du circuit. Quand le circuit fonctionne, le courant entre par une borne et sort par l’autre : le dipôle est traversé par le courant.

Deux conséquences immédiates. D’abord, un dipôle isolé, non relié, ne fait rien : une lampe posée sur la table ne brille pas, une pile dans son emballage ne se vide pas. Il faut que ses deux bornes soient reliées à un circuit fermé. Ensuite, le courant qui entre par une borne est exactement égal à celui qui sort par l’autre : un dipôle ne stocke pas le courant et n’en crée pas. C’est ce qui rend possible la loi d’unicité de l’intensité dans un circuit en série.

Le mot dipôle est réservé aux composants à deux bornes. Il existe des composants à trois bornes ou plus (le transistor, le potentiomètre, la prise de courant avec sa terre) : on les appelle des tripôles, des quadripôles ou, de façon générale, des multipôles. Au collège, tout est dipôle.

Générateurs et récepteurs

Les dipôles se classent d’abord selon le sens du transfert d’énergie. Un circuit a besoin d’une source qui fournit l’énergie et d’au moins un composant qui l’utilise.

Le générateur est le dipôle qui fournit l’énergie électrique au circuit. Il en existe de plusieurs sortes selon l’énergie de départ : la pile et la batterie transforment de l’énergie chimique ; le panneau solaire (photopile) de l’énergie lumineuse ; la dynamo et l’alternateur de l’énergie mécanique ; l’alimentation de laboratoire transforme l’énergie du réseau électrique en une tension continue réglable. Tous ont une borne + et une borne − et imposent une tension entre elles.

Le récepteur est le dipôle qui reçoit l’énergie électrique et la transforme en une autre forme. La lampe la convertit en lumière et en chaleur ; le moteur en mouvement (énergie mécanique) ; le résistor entièrement en chaleur ; la DEL en lumière ; le buzzer en son ; l’électrolyseur en énergie chimique ; la batterie en charge en énergie chimique stockée.

Quelques dipôles ne sont ni générateurs ni récepteurs : ils ne fournissent pas d’énergie et n’en consomment presque pas. L’interrupteur ouvre ou ferme le circuit ; la diode impose un sens au courant ; l’ampèremètre et le voltmètre mesurent sans perturber ; les fils relient. On les range parmi les dipôles de commande, de protection ou de mesure.

Dipôle	Catégorie	Énergie reçue → énergie fournie	Polarisé ?	Indications usuelles
Pile	générateur	chimique → électrique	oui (+, −)	1,5 V ; 4,5 V ; 9 V
Alimentation de laboratoire	générateur	électrique (secteur) → électrique continue	oui	0 à 12 V réglable
Panneau solaire	générateur	lumineuse → électrique	oui	0,5 V par cellule
Lampe à incandescence	récepteur	électrique → lumière + chaleur	non	3,5 V 0,2 A ; 6 V 0,1 A
Moteur à courant continu	récepteur	électrique → mécanique (+ chaleur)	sens de rotation	3 à 6 V
Résistor	récepteur	électrique → chaleur	non	100 Ω à 10 kΩ, 0,25 W
DEL	récepteur	électrique → lumière	oui (anode, cathode)	2 à 3 V, 20 mA
Buzzer	récepteur	électrique → son	oui souvent	3 à 12 V
Interrupteur	commande	aucune conversion	non	—
Diode	commande du sens	aucune (presque)	oui	seuil 0,7 V
Ampèremètre	mesure	aucune (presque)	bornes COM et A	calibres 200 mA, 10 A
Voltmètre	mesure	aucune	bornes COM et V	calibres 2 V, 20 V

Sources : catalogues de matériel pédagogique (Jeulin, Pierron) ; norme NF EN 60617 ; programme de cycle 4 (BO).

Les symboles normalisés

Chaque dipôle est représenté sur les schémas par un symbole normalisé, identique dans tous les pays (norme internationale CEI 60617). Les règles de tracé et les erreurs fréquentes sont détaillées sur la page des symboles normalisés ; voici la planche des douze symboles du collège, classés par catégorie.

Trois remarques sur ces symboles. La pile est le seul générateur dont le symbole indique la polarité par sa forme : le trait long et fin est la borne +, le trait court et épais la borne − ; on peut ajouter les signes. Le générateur G est utilisé quand on ne veut pas préciser la nature de la source ; on ajoute alors un + près d’une borne. La DEL se distingue de la diode par deux flèches qui sortent (lumière émise) ; ne pas les confondre avec les flèches entrantes d’un capteur de lumière.

Dipôles polarisés et non polarisés

Branchez une lampe dans un sens, puis retournez-la : elle brille pareil. Faites de même avec une DEL : elle brille dans un sens et reste éteinte dans l’autre. Avec un moteur : il tourne dans un sens, puis dans l’autre. Cette expérience partage les dipôles en deux familles.

Un dipôle est non polarisé (ou symétrique) quand ses deux bornes sont interchangeables : le retourner ne change rien à son fonctionnement. La lampe, le résistor, l’interrupteur, le buzzer piézoélectrique simple sont non polarisés. Sur leur symbole, rien ne distingue les deux bornes.

Un dipôle est polarisé quand ses deux bornes jouent des rôles différents. La pile a une borne + et une borne − : la retourner inverse le sens du courant dans tout le circuit. La diode et la DEL ne laissent passer le courant que de l’anode vers la cathode : retournées, elles bloquent le courant, et tout ce qui est en série avec elles s’arrête ; la page qui leur est consacrée détaille le sens passant et le sens bloqué. Le moteur à courant continu fonctionne dans les deux sens, mais son sens de rotation dépend du sens du courant : on l’utilise pour faire avancer ou reculer un véhicule. Les appareils de mesure ont une borne COM et une borne de mesure : inversés, ils affichent une valeur négative.

La polarité a une conséquence pratique : sur un schéma, il faut orienter les dipôles polarisés (signe + de la pile, pointe du triangle de la diode) alors que l’orientation des autres est indifférente. Et sur le montage réel, il faut savoir reconnaître les bornes : grande lame et petite lame de la pile plate, bosse et fond plat de la pile ronde, anneau de la diode, patte longue et patte courte de la DEL, bornes rouge et noire des appareils de mesure.

Exemple 1 — Prévoir l’effet d’un retournement

Un circuit en série comprend une pile, un moteur, une lampe et une DEL avec son résistor. Tout fonctionne. On retourne successivement chaque dipôle (un seul à la fois, en remettant le précédent en place).

Retourner la pile : le courant change de sens dans tout le circuit ; la DEL se bloque, donc plus aucun courant : tout s’arrête. Retourner le moteur : il tourne dans l’autre sens, le reste ne change pas. Retourner la lampe : rien ne change. Retourner la DEL : elle se bloque, tout s’arrête. Retourner le résistor : rien ne change. Deux dipôles (pile, DEL) coupent le circuit s’ils sont inversés ; un (moteur) change de comportement ; deux (lampe, résistor) sont indifférents.

Ce que les dipôles font de l’énergie

Un circuit est avant tout une chaîne de transferts d’énergie. Le générateur puise dans une réserve (les réactifs chimiques de la pile, la lumière du soleil, le mouvement d’une turbine) et fournit de l’énergie électrique ; les récepteurs la reçoivent et la convertissent en la forme que l’on souhaite (lumière, mouvement, son), toujours accompagnée d’une part de chaleur inutile.

La part utile varie beaucoup d’un récepteur à l’autre. Une lampe à incandescence convertit environ 5 % de l’énergie reçue en lumière et 95 % en chaleur ; une DEL, 30 à 50 % en lumière ; un moteur électrique, 70 à 90 % en mouvement ; un résistor, 100 % en chaleur, ce qui est exactement ce que l’on lui demande dans un radiateur ou un grille-pain. Ce rapport entre énergie utile et énergie reçue est le rendement, étudié en 3e.

En 4e et 3e, on quantifie ces transferts. La puissance d’un dipôle, en watts, mesure l’énergie qu’il reçoit (ou fournit) chaque seconde ; elle se calcule à partir de la tension à ses bornes et de l’intensité qui le traverse :

$$P=U\times I$$

avec P en watts (W), U en volts (V) et I en ampères (A). Une lampe de collège sous 3,5 V traversée par 0,2 A reçoit 0,7 W ; une DEL sous 2 V et 0,02 A reçoit 0,04 W, dix-sept fois moins pour une lumière comparable ; une bouilloire sous 230 V et 9,6 A reçoit 2 200 W. Le calculateur de puissance et d’énergie permet de faire ces calculs et de les convertir en énergie consommée.

Exemple 2 — Comparer deux récepteurs

Une lampe de 6 V est traversée par 0,1 A ; un moteur de 6 V est traversé par 0,3 A.

Puissances : lampe P = 6 × 0,1 = 0,6 W ; moteur P = 6 × 0,3 = 1,8 W. Le moteur reçoit trois fois plus de puissance que la lampe. Branchés en dérivation sur la même pile de 6 V, ils ont la même tension mais le moteur « tire » trois fois plus de courant : c’est lui qui vide la pile. En série, ils auraient le même courant mais des tensions différentes.

Associer des dipôles

Les dipôles s’assemblent de deux façons, en série (l’un après l’autre, sur une seule boucle) ou en dérivation (côte à côte, entre les deux mêmes points). La page série et dérivation détaille les conséquences ; retenons ici trois associations classiques de dipôles.

Piles en série. Deux piles de 1,5 V mises bout à bout (le + de l’une contre le − de l’autre) forment un générateur de 3 V : les tensions s’ajoutent. Une pile plate de 4,5 V contient trois éléments de 1,5 V en série ; une pile de 9 V en contient six. Attention à l’ordre : une pile montée à l’envers dans une télécommande annule celle d’à côté.

Résistor en série avec une DEL. Le résistor limite l’intensité pour protéger la DEL ; les deux sont traversés par le même courant. C’est l’association la plus fréquente de l’électronique.

Interrupteur en série avec ce qu’il commande. Un interrupteur sur la branche principale commande tout le circuit ; sur une branche dérivée, il ne commande que cette branche.

Exemple 3 — Combien de piles ?

On veut alimenter un moteur de 6 V avec des piles rondes de 1,5 V.

En série, les tensions s’ajoutent : il faut 6 / 1,5 = 4 piles en série, bien orientées (+ contre −). C’est exactement le montage du boîtier à quatre piles des jouets. Mettre les quatre piles en dérivation donnerait 1,5 V seulement, mais une capacité (durée) quatre fois plus grande : ce montage est rare, parce que les piles ne sont jamais parfaitement identiques et se déchargent l’une dans l’autre.

Exemple 4 — Classer les dipôles d’un objet

Une lampe torche à dynamo contient : une manivelle reliée à une petite génératrice, une batterie rechargeable, un interrupteur, trois DEL avec un résistor.

Quand on tourne la manivelle : la génératrice est le générateur (énergie mécanique → électrique) et la batterie un récepteur (elle se charge). Quand on éclaire : la batterie est le générateur (chimique → électrique), les DEL sont les récepteurs (électrique → lumière), le résistor un récepteur de protection (→ chaleur), l’interrupteur un dipôle de commande. Le même objet, la batterie, change de rôle selon la phase.

Un peu d’histoire

Le premier dipôle générateur est la pile de Volta, en 1800 : un empilement (d’où le nom) de disques de zinc et de cuivre séparés par du carton mouillé. Ses deux extrémités, les pôles, donnent leur nom au vocabulaire : pôle positif, pôle négatif, puis « dipôle » pour tout composant à deux pôles. Le mot borne vient du vocabulaire des électriciens du XIX^e siècle, par analogie avec les bornes qui marquent la limite d’un terrain.

Les récepteurs suivent : l’électroaimant de Sturgeon en 1825, le premier moteur électrique de Jacobi et Davenport vers 1834, la lampe à incandescence de Swan et Edison vers 1879, le résistor industriel à la fin du siècle. La diode à semi-conducteur date des années 1940 et la DEL rouge de 1962. Chaque nouveau dipôle a reçu son symbole, d’abord propre à chaque pays, puis unifié par la Commission électrotechnique internationale fondée en 1906 ; la norme actuelle CEI 60617 date de 1983 et est régulièrement mise à jour.

La distinction entre générateur et récepteur est formalisée en 1834 par Émile Lenz, puis par la théorie des circuits de Kirchhoff en 1845 : un dipôle est générateur quand le courant le traverse de sa borne − vers sa borne + à l’intérieur, récepteur quand c’est l’inverse. Cette convention est celle que l’on utilise encore pour dessiner les flèches de tension et de courant au lycée.

Les erreurs classiques

Croire que la pile « contient » du courant. La pile contient de l’énergie chimique ; elle impose une tension. Le courant n’existe que quand le circuit est fermé, et il traverse la pile autant que la lampe.

Confondre résistor et résistance. Le résistor est le composant, la résistance est la grandeur en ohms. On dit « un résistor de 220 Ω ».

Penser que le générateur est toujours à gauche du schéma. La position sur le schéma est libre ; ce qui compte, c’est le rôle (fournir l’énergie) et l’orientation (borne +).

Oublier que le moteur est polarisé. Il fonctionne dans les deux sens, mais pas de la même façon : le sens de rotation s’inverse. Dans un exercice, c’est un indice pour déterminer le sens du courant.

Brancher un dipôle polarisé sans regarder ses bornes. Une DEL à l’envers ne s’allume pas, un moteur à l’envers recule, une pile à l’envers dans un boîtier annule la voisine. Toujours repérer + et −, anode et cathode, avant de brancher.

Croire que l’interrupteur est un récepteur. Il ne consomme pas d’énergie ; il laisse ou non passer le courant. Fermé, il se comporte comme un fil ; ouvert, comme une coupure.

Exercices corrigés

Les exercices vont de la reconnaissance des dipôles à leur classement dans un objet réel, puis à quelques calculs de puissance (4e/3e).

Exercice 1

Dipôle ou non ?

5e●○○

Parmi les objets suivants, lesquels sont des dipôles ? Pile ronde, transistor (trois pattes), lampe de poche complète, filament d’une lampe, interrupteur, prise murale avec terre (trois trous), moteur de jouet, DEL.

Voir la correction

Dipôles (deux bornes) : pile ronde, filament (deux extrémités), interrupteur, moteur, DEL. Non : le transistor (trois bornes, un tripôle), la prise avec terre (trois bornes), la lampe de poche complète (c’est un circuit entier, pas un composant ; en revanche son ampoule seule est un dipôle).

Exercice 2

Générateur, récepteur ou autre ?

5e●○○

Classer : pile plate, DEL, ampèremètre, panneau solaire, résistor, interrupteur, moteur, batterie de téléphone en charge, dynamo de vélo, buzzer.

Voir la correction

Générateurs : pile plate, panneau solaire, dynamo. Récepteurs : DEL, résistor, moteur, buzzer, batterie en charge. Ni l’un ni l’autre : ampèremètre (mesure), interrupteur (commande).

Exercice 3

Polarisé ou non ?

5e●●○

Un circuit en série contient une pile, une lampe, un résistor, une DEL et un moteur. Tout fonctionne.

1. Quels dipôles peut-on retourner sans que rien ne change ?
2. Quel dipôle, retourné, change de comportement sans couper le circuit ?
3. Quels dipôles, retournés, coupent tout le circuit ? Pourquoi ?
4. Comment, sur le montage réel, repère-t-on la cathode de la DEL ?

Voir la correction

1. La lampe et le résistor (non polarisés).
2. Le moteur : il tourne dans l’autre sens.
3. La pile et la DEL : dans les deux cas, la DEL se retrouve en sens bloqué et ne laisse plus passer le courant dans la boucle unique.
4. Patte la plus courte et côté aplati du boîtier.

Exercice 4

Lire une planche de symboles

5e●●○

Un schéma comporte les symboles suivants, dans l’ordre le long de la boucle : un trait long et fin suivi d’un trait court et épais ; un cercle avec un M ; un rectangle ; un triangle contre une barre avec deux flèches sortantes ; deux points reliés par un trait relevé.

1. Nommer chaque dipôle et donner sa catégorie.
2. Le circuit fonctionne-t-il ? Justifier.
3. Dans quel sens circule le courant à travers le rectangle si la borne + de la pile est reliée au moteur ?

Voir la correction

1. Pile (générateur), moteur (récepteur), résistor (récepteur), DEL (récepteur polarisé), interrupteur ouvert (commande).
2. Non : l’interrupteur est ouvert, aucun courant ne circule. Fermé, il faudrait aussi que la DEL soit dans le sens passant.
3. Le courant sort de la borne +, traverse le moteur, puis le résistor du moteur vers la DEL ; le sens dans le résistor n’a de toute façon pas d’importance pour lui (non polarisé).

Exercice 5

Puissance de dipôles

4e●●●

Sur une pile de 4,5 V, on branche en dérivation une lampe (0,20 A) et un moteur (0,35 A).

1. Quelle est la tension aux bornes de chaque récepteur ?
2. Calculer la puissance reçue par chacun (P = U × I).
3. Quelle intensité la pile débite-t-elle ? Quelle puissance fournit-elle ?
4. Vérifier que la puissance fournie par le générateur est égale à la somme des puissances reçues par les récepteurs. Que devient cette énergie dans la lampe ? dans le moteur ?

Voir la correction

1. En dérivation, 4,5 V chacun.
2. Lampe : 4,5 × 0,20 = 0,90 W ; moteur : 4,5 × 0,35 ≈ 1,6 W.
3. Loi des nœuds : I = 0,20 + 0,35 = 0,55 A ; P = 4,5 × 0,55 ≈ 2,5 W.
4. 0,90 + 1,58 = 2,48 W ≈ 2,5 W : l’énergie fournie se retrouve intégralement dans les récepteurs. Lampe : lumière (peu) et chaleur (beaucoup). Moteur : mouvement (surtout) et chaleur (un peu).

Exercice 6

Le vélo à dynamo

4e●●●

Un vélo possède une dynamo dans le moyeu, un phare à DEL (avec résistor) et un feu arrière, tous deux en dérivation sur la dynamo, et un petit accumulateur qui permet au feu arrière de rester allumé à l’arrêt.

1. Identifier le générateur quand le vélo roule, et les récepteurs.
2. Que devient l’accumulateur quand le vélo roule ? Et à l’arrêt ?
3. Pourquoi les deux feux sont-ils en dérivation et non en série ?
4. La dynamo fournit 6 V et 0,5 A. Quelle puissance ? D’où vient cette énergie ? Que ressent le cycliste ?

Voir la correction

1. Générateur : la dynamo (mécanique → électrique). Récepteurs : les DEL du phare et du feu, les résistors, l’accumulateur en charge.
2. En roulant : récepteur (il se charge). À l’arrêt : générateur du feu arrière.
3. Pour que chaque feu reçoive la tension complète et que l’un puisse fonctionner si l’autre grille.
4. P = 6 × 0,5 = 3 W. Elle vient de l’énergie mécanique du cycliste, qui doit pédaler un peu plus fort : rien n’est gratuit, l’énergie électrique est prélevée sur son effort.

Quiz : dix questions pour vérifier

1. Un dipôle est un composant qui possède…

   une bornedeux bornestrois bornesautant de bornes que nécessaire
2. Lequel de ces dipôles est un générateur ?

   la lampele résistorla pilele moteur
3. Le moteur transforme l’énergie électrique principalement en…

   lumièreénergie mécanique (mouvement)énergie chimiqueson
4. Un interrupteur est…

   un générateurun récepteurun dipôle de commandeun fil
5. Quel dipôle est non polarisé ?

   la pilela DELla lampela diode
6. Si l’on retourne un moteur dans un circuit…

   il s’arrêteil tourne dans l’autre sensrien ne changeil grille
7. Sur le symbole de la pile, la borne + est…

   le trait court et épaisle trait long et finle cercleindiquée par une flèche
8. Le résistor transforme l’énergie électrique en…

   lumièrechaleur uniquementmouvementénergie chimique
9. Une batterie de téléphone en charge est…

   un générateurun récepteurun interrupteurun résistor
10. Une lampe sous 3,5 V traversée par 0,2 A reçoit une puissance de…

    17,5 W0,7 W3,3 W0,057 W

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Fiche : ce qu’il faut retenir

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