mesure de l'intensite - sondes

Circuit électrique : initiation à la mesure de l’intensité, la tension et la résistance

Afin d’aider mon fils – élève de collège – à pratiquer et à comprendre les bases de l’électricité, j’ai décidé de réaliser des circuits très simples à l’aide du matériel électronique dont je dispose et que j’utilise d’habitude sur de petits projets de domotique sur des mini ordinateurs de type Arduino ou Raspberry.

Le montage permet de réaliser des mesures de tension et d’intensité, et de faire des calculs simples illustrant la loi d’Ohm. J’ai détaillé chaque étape afin qu’un élève puisse reproduire l’expérience seul. Je recommande cependant la présence d’un adulte au moins sur la première mise en place, pour éviter tout risque lié à la manipulation d’une alimentation électrique.

Les éléments utilisés sont simples et peu coûteux, on peut se les procurer sur un site comme Amazon, ou pour moins cher (mais avec plus de délai) depuis la Chine en passant par des plate-formes telles que Aliexpress. Pour les parisiens, je peut également citer le magasin Letmeknow. Voici la liste des composants utilisés pour le circuit:

  • Une platine de prototypage (ou « breadboard ») (voir wikipedia obtenir des explications sur le principe de la platine)
  • Un module d’alimentation de platine 3,3 ou 5V
  • Des câbles mâle-mâle
  • Deux résistances identiques. Des résistances de 3,3 kΩ (ou 3300Ω) sont utilisées dans les expériences ci-dessous, mais toute autre valeur convient également
  • Un multimètre numérique (un modèle simple mais suffisant coûte moins de 20€)

Le budget de l’ensemble ne dépasse pas 30€.

1 – mesure de la résistance

Les valeurs d’une résistance sont « déchiffrables » à l’aide des anneaux de couleur qui l’entourent. Cependant comprendre et surtout retenir la norme permettant de retrouver la valeur est assez laborieux: on va donc simplement utiliser le multimètre en mode « résistance « .

La mesure de la résistance se fait directement sur les 2 bornes d’une résistance hors circuit:

  1. poser la résistance sur la platine (non alimentée) de manière arbitraire.
  2. sur le multimètre: brancher les câbles des sondes – le câble noir sur la « terre », le câble rouge sur la prise dédiée aux faibles courants – et positionner le multimètre sur le mode « Ω »
  3. placer la pointe de la sonde rouge sur l’une des pattes de la résistance et la sonde noire sur l’autre patte (peu importe le sens, la résistance n’est pas polarisée) – photo 1.1 ci-dessous.
  4. les sondes étant bien maintenues en position, la valeur de la résistance s’affiche sur le multimètre. photo 1.2 ci-dessous.
mesure de la résistance - placement des sondes
1.1 – Les sondes placées sur chaque patte de la résistance
mesure de la résistance - multimètre
1.2 – Affichage du multimètre

On retrouve bien une valeur approchant les 3,3 kΩ attendus.

2 – Montage du circuit en série

Voici le schéma très simple du circuit électrique initial qui va être utilisé pour réaliser des mesures de tension et d’intensité. Notons en passant que ce schéma a été réalisé à l’aide du logiciel open source Fritzing, très utile pour modéliser les montages Arduino.

schéma du circuit electrique
Schéma du circuit électrique

A gauche, l’alimentation du circuit, branché en entrée sur une alimentation secteur 6-12V (ou bien sur une alimentation USB), et délivrant une tension continue de 5V sur les 2 lignes rouges de la platine de prototypage. Les 2 lignes bleues sont quand à elles reliées sur la terre (GrouND).

Les 2 résistances sont placées en série, la première reliant la ligne rouge sous tension à la ligne 20 de la platine (verticale ci-dessous). Il faut savoir que les platines de prototypage sont câblées de telle sorte que toutes les connexions à gauche et à droite des lignes numérotées sont reliées entre elles.

La seconde résistance relie la partie droite de la ligne 20 à la ligne bleue (terre).

Enfin, un câble relie les parties gauche et droite de la ligne 20, et donc les deux résistances entre elles. Nous verrons plus loin que pour mesurer l’intensité, nous retirerons ce câble et nous relierons les résistances à l’aide des 2 sondes du multimètre.

Nous obtenons là un circuit avec 2 résistances identiques en série alimentées par un courant continu de 5V.

3 – Mesure de la tension: loi d’additivité des tensions

La première « expérience » consiste à mesure la tension aux bornes de l’ensemble des 2 résistances, puis aux bornes de chaque résistance. La tension représente une différence de potentiel électrique entre 2 points du circuit.

La mesure de la tension est réalisée directement sur le circuit fermé, en plaçant les sondes sur les 2 points entre lesquels nous souhaitons mesurer la différence de potentiel:

  1. sur le multimètre: positionner le multimètre sur le mode « ⊽ » (V surmonté d’un trait, pour une mesure en courant continu).
  2. placer la pointe de la sonde rouge sur la borne de la première résistance branchée sur la ligne rouge de la platine, et la sonde noire sur la borne de la seconde résistance branchée sur la ligne bleue de la platine (voir photo ci-dessous).
mesure de la tension de l'alimentation - position des sondes

Le multimètre affiche en principe la tension 5V, qui est la tension aux bornes de l’alimentation.

mesure de la tension de l'alimentation - multimètre

Ensuite, mesurons la tension aux bornes de chacune des résistances:

mesure de la tension de R1 - multimètre
mesure de la tension de R2 - multimètre

On mesure 2,5V ou presque aux bornes de chacune des 2 résistances.

Nous venons d’illustrer la Loi d’additivité des tensions:

La tension aux bornes d’un ensemble de récepteurs branchés en série correspond à la somme des tensions aux bornes de chacun d’entre eux.

Loi d’additivité des tensions

Ou encore:

Dans un circuit en série la tension entre les bornes du générateur est égale à la somme des tensions entre les bornes des autres dipôles.

Loi d’additivité des tensions

Mesure de l’intensité: loi d’unicité de l’intensité

Nous allons maintenant mesurer l’intensité passant par les 2 résistances. L’intensité correspond au débit de charge électrique en un point du circuit (par opposition à la tension qui représente, pour rappel, un potentiel).

Contrairement à celle de la tension, la mesure de l’intensité est réalisée en intégrant le multimètre en série dans le circuit:

  1. sur le multimètre: positionner le multimètre sur le mode « mA ».
  2. Retirer le câble reliant les 2 parties de la ligne 20 de la platine de prototypage (le circuit est alors coupé)
  3. placer la pointe de la sonde rouge sur la patte de la première résistance placée dans la partie gauche de la ligne 20 et la sonde noire sur la patte branchée sur partie droite de la ligne 20 de la seconde résistance. Les 2 résistances sont alors reliées entres elles par l’intermédiaire du multimètre qui est intégré en série dans le circuit (voir photo ci-dessous).
mesure de l'intensite - position des sondes
mesure de l'intensite - multimètre

Le multimètre affiche une intensité de 0,75mA (milliampères).

On va ensuite mesurer l’intensité sur un autre point du circuit:

  1. repositionner le câble reliant les 2 parties de la ligne 20 de la platine, et déplacer la patte de la seconde résistance pour la retirer de la ligne de terre et la positionner sur la ligne 19.
  2. placer la pointe de la sonde rouge sur la patte de la seconde résistance placée sur la ligne 19, et la sonde noire directement sur la connexion négative (marquée: ) de l’alimentation (voir photo ci-dessous).
seconde mesure de l'intensite - position des sondes
La sonde noire touche le connecteur – (associé à la terre)
seconde mesure de l'intensite - multimètre

Le multimètre affiche à nouveau une intensité de 0,75mA.

Ces mesures illustrent la Loi d’unicité de l’intensité:

Dans un circuit en série l’intensité du courant électrique est la même en tous points.

Loi d’unicité de l’intensité

Calculs: application de la Loi d’Ohm

En complément des 2 lois concernant la tension et l’intensité du courant pour un circuit en série, nous allons utiliser une loi fondamentale de l’électricité : la loi d’ohm.

La loi d’ohm met en relation les 3 éléments sur lesquels nous venons de travailler:

  1. la valeur d’une résistance (en ohms)
  2. l’intensité du courant qui la traverse (en Ampère)
  3. la tension entre ses bornes (en Volt).

Les trois éléments sont représentés par les lettres U, R et I:

  • U : tension aux bornes de la résistance, exprimée en Volt (symbole : V).
  • R : résistance, exprimée en Ohm (symbole : ).
  • I : intensité du courant qui traverse la résistance, exprimée en Ampère (symbole : A).

La tension aux bornes d’une résistance est proportionnelle à l’intensité du courant:

U = R x I

Formule déduite de la loi d’Ohm

Dans notre circuit, on peut retrouver la formule en admettant que les 2 résistances de 3,3 kΩ en série sont équivalentes à une seule résistance de 2×3,3 = 6,6 kΩ = 6600 Ω:

R x I = 6600 x 0,00075 = 4,95V soit à peu près les 5V attendus.

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