Une pile, des fils, une lampe : schématiser un circuit et éviter le court-circuit

Dans ta chambre, tu allumes la lampe du plafond : un interrupteur, un clic, de la lumière. Dans le salon, la guirlande de fête a une ampoule grillée et toute la moitié de la guirlande est éteinte. Et un jour, dans la cuisine, un vieux chargeur a fait « clac » et tout le disjoncteur a sauté. Trois situations, et à chaque fois la même question : comment le courant circule-t-il ? Ce cours t'apprend à dessiner un circuit comme un électricien et à comprendre pourquoi certains montages sont dangereux.

Le circuit électrique : une boucle fermée

Un circuit électrique simple comporte au moins :

• un générateur (une pile, une batterie, la prise du secteur) qui fournit l'énergie électrique ;
• un ou plusieurs récepteurs (lampe, moteur, DEL) qui l'utilisent ;
• des fils de connexion qui relient le tout ;
• souvent un interrupteur pour ouvrir ou fermer le circuit.

La règle essentielle : le courant ne circule que si le circuit forme une boucle fermée, sans interruption, de la borne + du générateur à sa borne −. Si la boucle est coupée (interrupteur ouvert, fil débranché, lampe grillée), le circuit est ouvert et plus rien ne fonctionne. Le courant circule, par convention, de la borne + vers la borne − à l'extérieur du générateur.

Les symboles normalisés : le langage universel

Un électricien japonais et un électricien français se comprennent grâce aux symboles normalisés. Un schéma se trace à la règle, avec des fils en traits droits et des angles droits, les symboles posés sur les côtés d'un rectangle.

• Pile : deux traits parallèles, un long (borne +) et un court (borne −).
• Lampe : un cercle avec une croix à l'intérieur.
• Interrupteur ouvert : un trait incliné qui ne touche pas le point de droite ; fermé : le trait est horizontal et relie les deux points.
• Moteur : un cercle avec un M.
• DEL (diode électroluminescente) : un triangle avec un trait, et deux petites flèches qui sortent.
• Résistance : un rectangle allongé.
• Fil : un simple trait.

Exemple travaillé : la lampe de poche. Une pile, un interrupteur, une lampe. Sur le schéma : un rectangle, la pile sur le côté gauche, l'interrupteur sur le côté du haut, la lampe sur le côté droit. Interrupteur fermé : la lampe brille. Ouvert : elle s'éteint. C'est exactement ce qui se passe dans ta lampe de poche.

Conducteurs et isolants

Pour fermer un circuit, il faut des matériaux qui laissent passer le courant : les conducteurs. Tous les métaux en sont (cuivre, fer, aluminium, or, argent), ainsi que la mine de crayon (graphite) et l'eau salée. Les isolants bloquent le courant : plastique, verre, bois sec, caoutchouc, papier, air sec.

C'est pour cela qu'un fil électrique est fait d'un cœur de cuivre (conducteur) entouré d'une gaine en plastique (isolant) : le courant circule dans le cuivre, et tu peux toucher la gaine sans danger. Attention, le corps humain est conducteur, surtout mouillé : voilà pourquoi on n'utilise jamais un appareil branché avec les mains humides.

Test à la maison : avec une pile plate, une petite ampoule et deux fils, intercale un objet entre les deux fils. Une clé, une cuillère en inox, une pièce : la lampe brille, c'est conducteur. Une gomme, une règle en plastique, un bouchon de liège : rien, c'est isolant.

Circuit en série, circuit en dérivation

Quand il y a plusieurs récepteurs, deux façons de les brancher.

En série : les récepteurs sont les uns à la suite des autres sur une seule boucle. Le même courant traverse tout. Conséquences :

• si une lampe grille, la boucle est coupée : toutes les lampes s'éteignent (c'est le drame de la guirlande) ;
• plus on ajoute de lampes, plus chacune brille faiblement ;
• l'ordre des lampes n'a pas d'importance.

En dérivation (ou en parallèle) : chaque récepteur est sur sa propre branche, reliée aux deux bornes du générateur. Le circuit forme plusieurs boucles. Conséquences :

• si une lampe grille, les autres continuent de briller ;
• chaque lampe brille comme si elle était seule ;
• on peut commander chaque branche avec son propre interrupteur.

Dans une maison, tout est en dérivation : tu peux éteindre la lampe du salon sans éteindre le frigo. On parle de branche principale (celle du générateur) et de branches dérivées, reliées par des points appelés nœuds.

Exemple travaillé : le sapin de Noël. Une vieille guirlande de 20 ampoules en série : une seule grille et tout s'éteint, et il faut tester chaque ampoule pour trouver la coupable. Une guirlande moderne à DEL en dérivation : une DEL morte, et les 19 autres brillent toujours.

Le court-circuit : un raccourci dangereux

Un court-circuit se produit quand on relie directement les deux bornes d'un générateur par un fil (ou un objet conducteur), sans récepteur pour freiner le courant. Le courant prend ce raccourci, devient très intense, et le fil ou la pile chauffent fortement : risque de brûlure, de pile qui gonfle, d'incendie.

Si tu court-circuites une lampe (un fil branché directement entre ses deux bornes), le courant évite la lampe : elle s'éteint, et si c'est le seul récepteur, c'est la pile qui est court-circuitée. Dans une maison, un court-circuit fait sauter le disjoncteur ou grille le fusible : ce sont des gardiens qui coupent le circuit avant qu'il ne chauffe trop. Un fil dénudé, un clou dans une prise, de l'eau dans une multiprise : voilà des court-circuits classiques. Ne jamais toucher une prise ou un appareil endommagé.

À retenir

• Un circuit ne fonctionne que s'il est fermé : générateur, récepteurs et fils forment une boucle sans interruption.
• Symboles normalisés : pile (trait long +, trait court −), lampe (cercle avec croix), interrupteur, moteur (M), DEL, résistance ; schéma tracé à la règle en rectangle.
• Conducteurs : les métaux, le graphite, l'eau salée, le corps humain. Isolants : plastique, verre, bois sec, caoutchouc, air sec.
• Série : une seule boucle, une lampe grillée éteint tout, les lampes brillent moins. Dérivation : plusieurs branches, chaque lampe indépendante, c'est le montage des maisons.
• Court-circuit : les bornes du générateur reliées sans récepteur, courant intense, échauffement, danger d'incendie ; le disjoncteur protège.

★ Pour aller plus loin

Le courant électrique, c'est un déplacement de particules minuscules, les électrons, qui se faufilent entre les atomes du métal. Ils vont en réalité dans le sens inverse du « sens conventionnel » du courant : quand les physiciens ont fixé la convention + vers −, au XIXe siècle, personne ne connaissait encore l'électron. Plutôt que tout changer, on a gardé les deux.

Une lampe à filament éclaire parce que le courant chauffe un fil de tungstène à plus de 2 500 °C, jusqu'à ce qu'il devienne blanc. La DEL, elle, produit de la lumière sans chauffer autant, ce qui la rend dix fois plus économe. En revanche, elle ne fonctionne que dans un sens : branchée à l'envers, elle reste éteinte. Tu l'étudieras en Quatrième avec l'intensité et la tension.

Le record de court-circuit naturel est la foudre : un courant de plusieurs dizaines de milliers d'ampères qui relie le nuage et le sol en une fraction de seconde, et chauffe l'air à 30 000 °C, cinq fois la surface du Soleil. C'est cette dilatation brutale de l'air qui fait le bruit du tonnerre.

Sources pour creuser

• Livre : La physique, c'est pas sorcier (collection « Les petits débrouillards », Albin Michel Jeunesse) : chapitre sur l'électricité.
• Livre : Le grand livre des expériences de Nathalie Tordjman (Milan Jeunesse) pour des montages avec pile et ampoule.
• YouTube : chaîne « C'est pas sorcier », émissions « L'électricité » et « Les dangers de l'électricité ».
• YouTube : chaîne « Physique-Chimie au collège », recherche « circuit série dérivation 5e » et « symboles normalisés ».
• lumni.fr : Collège → Physique-Chimie → cinquième, « Circuits électriques ».