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Version du 5 juin 2020 à 10:25
Que se passe-t-il si on branche des composants électroniques de différentes façons ?
Difficulté
Facile
Durée
20 minute(s)
Disciplines scientifiques
Physique
Introduction
On réalise deux circuits au montage différent. C'est à dire :
- En série : si les composants se suivent
- En parallèle : si les composants sont reliés aux mêmes endroits.
- Matériel et outils
LED 
LED signifie Light Emiting Diod (Diode Electro-Luminescente).
Fil électrique 
Un fil électrique : est le composant électro technique servant au transport de l'électricité, afin de transmettre de l'énergie et de l'information. Il est constitué d'un matériau conducteur, mono-brin ou multi-brin, souvent entouré d'une enveloppe isolante (plastique, Téflon...). L'intérieur du fil électrique est appelée « âme » du fil.
Pile 
Alessandro Volta invente la première pile à colonne le 17 mars 1800; ces premiers systèmes étaient constitués d'un 'empilement' de disques de deux métaux différents séparés par des disques de feutre, imbibés d'acide, d'où le nom de l'invention.
Étape 1 - Prépare le matériel
- 2 LED ou petites ampoules
- Des fils électriques
- Une pile
Pour aller plus loin :
- Un voltmètre ou multimètre
Étape 2 - Réaliser la première manipulation
Le but est d'avoir les 2 LED qui se suivent : elles sont branchées en série.
- Avec les fils électriques, relie la borne + de la pile à l'anode de la première LED (la patte la plus longue, la borne positive)
- Relie la cathode (la petite patte, la borne négative) à l'anode de la seconde LED
- Relie la cathode de la seconde LED à la borne - de la pile, comme sur ce schéma.
- Observe.
- Refais le même branchement avec tous les composants branchés en série dans le même circuit, et observe.
Étape 3 - Réaliser la deuxième manipulation
Le but est d'avoir les 2 LED branchées aux mêmes endroits : elles sont en parallèle.
- Avec les fils électriques, relie la borne + aux 2 anodes : les pattes les plus longues des LED doivent être reliées au même fil.
- de même pour les cathodes : elles doivent être reliées par le même fil à la borne - , comme sur ce schéma.
- Observe.
- Refais le même branchement avec tous les composants branchés en parallèle dans le même circuit, et observer.
Étape 4 - Pour aller plus loin
Mesure les différences de tension électrique selon le montage. Pour cela, relie :
- la borne rouge (c'est à dire + ou V) du multimètre/voltmètre à l'endroit du circuit d'où arrive le courant ;
- la borne noire (COM) du multimètre/voltmètre à l'endroit où part le courant.
Par exemple, pour vérifier une pile, on branche la borne V à la borne + de la pile et COM au -. Pour une LED, on reliera l'anode à la borne V et la cathode à la COM
Comment ça marche ?
Observations : que voit-on ?
On constate que certains composants, comme les LED, ne fonctionnent pas du tout s’ils sont branchés en série. D’autres composants, comme ici les ampoules et les moteurs, fonctionnent bien lorsqu’ils sont branchés en parallèle, mais moins bien en série. Dans un circuit en parallèle, tous les composants fonctionnent normalement, sauf les interrupteurs : lorsque l'un est fermé, l'autre ne sert à rien.
Explications
Dans un circuit en série, chaque composant utilise une partie de la tension électrique, un peu comme si les composants se « partageaient » l’électricité. Donc plus il y a de composants dans le circuit, moins chaque composant reçoit d’électricité pour fonctionner. Certains composants ont besoin d’une tension minimale pour fonctionner, comme les LED. Si les autres composants consomment trop d’électricité, il n’en reste plus suffisamment pour les LED, et elles ne s’allument pas.
Cela fonctionne un peu à la façon d'une rivière, qui sera plus puissante au début de sa course et moins en fin (comme pour un branchement en série), alors que si on divise la rivière en deux, il y aura autant de force de chaque côté (comme pour un branchement en parallèle).
Plus d'explications
Lorsqu'un circuit est branché en parallèle, la tension est la même dans les 2 parties : les composants fonctionnent avec la même tension et ont un fonctionnement normal. Ainsi, les moteurs tournent à la même vitesse et les ampoules éclairent normalement. Par contre, les interrupteurs sont inefficaces : si le courant passe par l'un des interrupteurs (donc s'il est fermé), le second interrupteur ne change rien.
Par contre, si le circuit est en série, la tension est répartie entre tous les composants du circuit. Plus on branche de composants en série, plus la tension qui alimente chacun des composants est faible. Les moteurs tournent donc moins vite (voire ne tournent pas), les ampoules éclairent très peu et les LED ne s'allument pas. Les LED ont besoin d'une tension minimale à leur borne : si elles reçoivent une tension inférieure, elles ne s'allument pas du tout.
Ces observations illustrent les lois de la tension. En série, la loi d’additivité de la tension s’applique, tandis qu’en parallèle, c’est la loi d’unicité de la tension qui s’applique. Cela se traduit ainsi :
- dans un branchement en série, la tension du générateur (ici la pile) est égale à la somme des tensions des dipôles (chaque composant),
- dans un branchement en dérivation (c’est à dire en parallèle), la tension du générateur est identique à celle des dipôles.
Applications : dans la vie de tous les jours
On trouve des applications de montages en série ou en parallèle dans de nombreux domaines. Par exemple, brancher deux interrupteurs en série crée un système de va-et-vient. Interdit aujourd'hui, le système d'interrupteurs en va-et-vient fut très utilisé dans la construction. Autre exemple : dans les éclairages, on branche les lumières en parallèle afin de ne pas diviser la tension de la source entre toutes les lampes, pour obtenir un éclairage aussi puissant pour chaque lampe.
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Éléments pédagogiques
Objectifs pédagogiques
- Comparer l’intensité électrique dans un circuit en parallèle et en série.
- Comprendre l’influence du type de montage sur la tension électrique et le fonctionnement des composants.
- Conclure sur l’intérêt des deux types de montage en fonction des applications.
Pistes pour animer l'expérience
Cette expérience peut être réalisée avec un groupe ayant déjà vu les notions de bases sur le circuit électrique (fonctionnement et rôle du générateur, des dipôles, circuit ouvert ou fermé, court-circuit), qu’elle viendra compléter. On peut la proposer de différentes façons. Par exemple l’animateur peut réaliser avant le début de l’animation un circuit en série et un autre en parallèle avec quelques composants, et demander aux participants de reproduire des circuits similaires en utilisant une liste plus longue de composants, puis d’observer et d’analyser les résultats observés. L’animateur peut aussi mettre à disposition tous les composants et matériels et proposer aux participants de réaliser différents types de montage, sans leur proposer de circuit en exemple. Si le groupe a du mal à imaginer différents modes de branchement, l’animateur pourra alors les guider en s’appuyant sur les circuits déjà réalisés.
L’animateur peut aussi proposer l’expérience sous la forme d’un défi, et le présenter avec une petite histoire. Par exemple en présentant un montage en série avec une introduction comme : « Vous êtes enfermé dans un placard, dans le noir (comme Harry Potter !). En tâtonnant, vous avez trouvé des composants électroniques dans une vieille boîte de jeu (appartenant à votre cousin Dudley). Vous avez réalisé un circuit pour pouvoir vous éclairer et lire vos livres (de magie), mais comme vous pouvez le voir, les ampoules ne brillent que faiblement. Essayez de refaire un montage qui permette d’obtenir plus de lumière avec les mêmes ampoules ! »
Sources et ressources
Plus d’informations sur Vikidia, l’encyclopédie des enfants
Les notions vues au collège et quelques exercices
Dernière modification 5/06/2020 par user:Claire Cantin.
Published