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Sciences — Physique ③ Électricité et magnétisme (dans le domaine physique-technologie 10 %)
Le cadrage officiel (corrigé)
L'électricité et le magnétisme forment le sous-domaine n° 3 du domaine « sciences physiques et technologie », qui compte cinq sous-domaines et pèse 10 % de l'épreuve de sciences. Le document officiel retient six contenus : production et distribution de l'électricité ; circuits électriques et lois fondamentales ; puissance et énergie électriques ; sécurité électrique ; aimants et champ magnétique ; électromagnétisme et induction. L'épreuve est écrite, en français, en questions fermées.
📌 Tout le chapitre tient dans trois relations : U = R × I, P = U × I et E = P × t, plus deux lois de conservation : celle du courant (nœuds) et celle de l'énergie (mailles). Les questions de magnétisme, elles, demandent surtout de connaître les deux sens de la conversion : courant → champ, et champ variable → courant.
1. Courant électrique et tension
Définition — Le courant électrique est un déplacement ordonné de charges (électrons dans les métaux) dans un circuit fermé. Son intensité (I) mesure la quantité de charges qui traverse une section du conducteur par seconde : elle est égale à la charge divisée par la durée. L'unité est l'ampère. La tension (U) est la différence de potentiel entre deux points du circuit : c'est elle qui met les charges en mouvement. L'unité est le volt.
💡 Convention de sens : par convention, le courant sort de la borne positive (+) du générateur et entre par la borne négative (−). En réalité, ce sont les électrons qui se déplacent, et ils vont dans le sens inverse de cette convention.
Les quatre grandeurs de base
| Grandeur | Symbole | Unité | Appareil |
|---|---|---|---|
| Intensité du courant | (I) | L'ampère (A) | Ampèremètre, en série |
| Tension | (U) | Le volt (V) | Voltmètre, en dérivation |
| Résistance | (R) | L'ohm (Ω) | Ohmmètre |
| Puissance | (P) | Le watt (W) | Wattmètre |
2. Dipôles et schémas normalisés
Définition — Un dipôle est un élément de circuit possédant deux bornes. Le générateur fournit l'énergie, le résistor s'oppose au passage du courant en transformant l'énergie en chaleur, la lampe convertit l'énergie électrique en lumière et en chaleur, l'interrupteur ouvre ou ferme le circuit, le moteur transforme l'énergie électrique en énergie mécanique.
Symboles normalisés à reconnaître
| Dipôle | Symbole |
|---|---|
| Générateur (pile, batterie) | Deux traits : un long (+) et un court (−) |
| Résistor (conducteur ohmique) | Un rectangle avec deux fils |
| Lampe | Un cercle traversé d'une croix |
| Interrupteur | Un segment incliné entre deux points |
| Moteur | Un cercle portant la lettre M |
⚠️ Un circuit doit être fermé pour que le courant circule. Interrupteur ouvert : aucune intensité, quelles que soient la pile et les dipôles. C'est l'erreur la plus fréquente dans les exercices de schéma.
🎯 L'unité de la tension électrique est :
Bonne réponse : B. Le volt est l'unité de la tension ; l'ampère est celle de l'intensité, l'ohm celle de la résistance et le watt celle de la puissance.
3. Mesurer l'intensité et la tension
- L'ampèremètre se branche en série : le courant traverse l'appareil. Il doit être adapté au calibre, et on commence toujours par le plus grand calibre.
- Le voltmètre se branche en dérivation (en parallèle) aux bornes du dipôle étudié : il mesure la différence de potentiel sans interrompre le circuit.
- Respecter le sens de branchement : la borne marquée du signe + de l'appareil du côté du + du circuit.
🎯 Pour mesurer l'intensité du courant dans une branche, on place l'ampèremètre :
Bonne réponse : B. L'ampèremètre doit être traversé par le courant : il se monte en série. Le voltmètre, lui, se monte en dérivation.
4. La loi d'Ohm
Définition — Pour un conducteur ohmique, la tension et l'intensité sont proportionnelles : la tension est égale au produit de la résistance par l'intensité, soit U = R × I. On en déduit aussi R = U / I et I = U / R. Plus la résistance est grande, plus l'intensité est faible pour une même tension.
💡 La caractéristique tension-intensité d'un conducteur ohmique est une droite qui passe par l'origine : sa pente vaut la résistance. Une droite plus raide signifie une résistance plus grande.
Exemple travailléCalcul 1 : une résistance de 50 ohms est traversée par 0,2 ampère. La tension à ses bornes vaut 50 × 0,2 = 10 volts. Calcul 2 : sous une tension de 12 volts et avec une résistance de 4 ohms, l'intensité vaut 12 ÷ 4 = 3 ampères.
🔍 Toujours écrire les trois étapes : les données avec leurs unités, la relation utilisée, puis le résultat avec son unité.
5. Les lois de Kirchhoff
Définition — Loi des nœuds : la somme des intensités qui arrivent à un nœud est égale à la somme des intensités qui en partent ; le courant ne disparaît pas, il se partage. Loi des mailles : dans une maille fermée, la somme des tensions, comptées avec leur signe, est nulle ; c'est la traduction de la conservation de l'énergie.
Exemple travailléNœuds : si 3 ampères arrivent à un nœud et qu'il en part 1 ampère d'un côté, alors 2 ampères sortent de l'autre côté (3 = 1 + 2). Mailles : dans une maille où un générateur fournit 12 volts et où deux récepteurs consomment 4 volts puis 8 volts, on vérifie bien que 12 − 4 − 8 = 0.
🔍 Repère : pour deux résistances en série, la loi des mailles donne simplement U totale = U₁ + U₂. Pour deux en dérivation, c'est la loi des nœuds qui donne I totale = I₁ + I₂.
6. Associations de résistances
Série et dérivation
| Critère | En série | En dérivation |
|---|---|---|
| Intensité | La même dans tous les dipôles | Se partage entre les branches |
| Tension | S'additionne : U = U₁ + U₂ | La même aux bornes de chaque branche |
| Résistance équivalente | Elle s'additionne : R = R₁ + R₂ | Elle diminue ; pour deux résistances : produit divisé par somme |
| Exemple | 10 + 20 = 30 ohms | 10 × 10 divisé par 20 = 5 ohms |
💡 Pourquoi les appareils d'une maison sont en dérivation : chacun doit recevoir la même tension, 220 volts. En série, la tension se partagerait et chaque appareil fonctionnerait mal ; de plus, l'arrêt d'un appareil ne coupe pas les autres en dérivation.
🎯 Deux résistances de 10 ohms montées en série donnent une résistance équivalente de :
Bonne réponse : C. En série, les résistances s'additionnent : 10 + 10 = 20 ohms. En dérivation, on aurait trouvé 5 ohms.
7. Puissance, énergie et effet Joule
Définition — La puissance électrique est l'énergie transférée par seconde : elle est égale au produit de la tension par l'intensité, soit P = U × I, en watts. L'énergie est le produit de la puissance par la durée : E = P × t, en joules. En pratique, on facture le kilowattheure, qui vaut l'énergie consommée par un appareil de mille watts pendant une heure.
Définition — Effet Joule : un conducteur parcouru par un courant s'échauffe, car une partie de l'énergie électrique se transforme en chaleur. Pour un résistor, la puissance dissipée s'écrit P = R × I². C'est le principe du fer à repasser, du chauffe-eau, du grille-pain et de l'ampoule à incandescence.
Puissances typiques des appareils
| Appareil | Puissance typique | Remarque |
|---|---|---|
| Ampoule LED | 5 à 10 W | Peu de chaleur perdue |
| Ampoule à incandescence | 60 à 100 W | Beaucoup d'énergie perdue en chaleur |
| Réfrigérateur | 100 à 200 W | Fonctionne par cycles |
| Fer à repasser | 1 000 à 2 000 W | Effet Joule dans la résistance |
| Chauffe-eau électrique | 1 500 à 3 000 W | Effet Joule dans la résistance |
Exemple travailléExemple 1 : un fer à repasser de 2 000 W fonctionne 30 minutes : 2 kilowatts × 0,5 heure = 1 kilowattheure. Exemple 2 : un résistor de 10 ohms traversé par 2 ampères dissipe 10 × 2² = 40 watts. Exemple 3 : une lampe sous 12 volts traversée par 0,5 ampère a une puissance de 12 × 0,5 = 6 watts. Exemple 4 : un appareil de 60 watts allumé 5 heures consomme 0,06 kilowatt × 5 = 0,3 kilowattheure. Exemple 5 : une résistance de 5 ohms traversée par 4 ampères pendant 10 minutes dissipe 5 × 4² = 80 watts, soit 80 × 600 = 48 000 joules, c'est-à-dire 48 kilojoules.
🔍 Attention aux unités avant de multiplier : soit des watts avec des secondes pour obtenir des joules, soit des kilowatts avec des heures pour obtenir des kilowattheures. Ne jamais mélanger les deux systèmes.
🎯 Un appareil de 2 000 W fonctionne pendant 3 heures. L'énergie consommée est :
Bonne réponse : A. On convertit d'abord : 2 000 W = 2 kW, puis on multiplie par la durée : 2 × 3 = 6 kilowattheures.
8. Sécurité électrique et réseau marocain
Le réseau domestique au Maroc
| Grandeur | Valeur | Remarque |
|---|---|---|
| Tension domestique | 220 V | Entre la phase et le neutre |
| Fréquence | 50 Hz | Le courant change de sens cent fois par seconde |
| Prises courantes | Types C et E | Certaines comportent une broche de terre |
Définition — Le fusible et le disjoncteur protègent l'installation : si l'intensité devient trop grande, ils coupent le circuit et évitent la surchauffe des fils, donc l'incendie. La prise de terre, elle, évacue le courant vers le sol lorsqu'un appareil métallique est accidentellement en contact avec la phase.
⚠️ Le corps humain devient conducteur, surtout avec de l'eau : une intensité de quelques dizaines de milliampères peut être dangereuse et bloquer le cœur. Ne jamais toucher un fil dénudé, ni une prise avec les mains mouillées, et couper le courant avant toute réparation.
9. Magnétisme : aimants et champ magnétique
Définition — Un aimant est un corps qui attire le fer, le nickel et le cobalt ; il possède un pôle nord et un pôle sud. Deux pôles de même nom se repoussent, deux pôles de noms différents s'attirent. Le champ magnétique (B) est la région de l'espace où un aimant ou un courant exerce une action magnétique ; son unité est le tesla. On le représente par des lignes de champ qui, à l'extérieur d'un aimant, sortent du pôle nord et entrent par le pôle sud.
- Les lignes de champ se resserrent près des pôles : c'est là que le champ est le plus intense.
- La Terre se comporte comme un immense aimant. Son pôle magnétique nord, proche du pôle géographique nord, attire le pôle nord de l'aiguille aimantée d'une boussole : c'est pourquoi la boussole indique le nord.
- Ne pas confondre pôle géographique et pôle magnétique : ils sont proches mais décalés, et il existe un angle entre les deux directions.
10. Électromagnétisme : le courant crée un champ
Définition — Expérience d'Œrsted : un fil parcouru par un courant fait dévier l'aiguille d'une boussole placée à proximité. Conclusion essentielle : un courant électrique crée un champ magnétique autour de lui.
- Autour d'un fil rectiligne, les lignes de champ sont des cercles concentriques ; le champ est proportionnel à l'intensité et diminue quand on s'éloigne du fil. Le sens se trouve par la règle de la main droite.
- Un solénoïde est une bobine de spires régulières : à l'intérieur, le champ est uniforme et intense. Avec un noyau de fer doux, on obtient un électroaimant, magnétique seulement quand le courant passe.
- On renforce le champ d'un électroaimant en augmentant le nombre de spires, en augmentant l'intensité, ou en utilisant un noyau de fer.
💡 Applications courantes de l'électroaimant : la sonnette électrique, le relais, l'électrovanne, la grue de récupération des métaux, et l'appareil d'imagerie médicale par résonance magnétique.
🎯 Un courant électrique qui traverse un fil crée autour de lui :
Bonne réponse : B. C'est la conclusion de l'expérience d'Œrsted : le courant crée un champ magnétique, dont l'intensité augmente avec celle du courant.
11. Le moteur électrique
Définition — Une spire parcourue par un courant et placée dans un champ magnétique subit deux forces opposées : il en résulte un couple qui la fait tourner. Un collecteur inverse le sens du courant à chaque demi-tour, ce qui permet à la rotation de se poursuivre. Le moteur transforme donc l'énergie électrique en énergie mécanique.
🎯 Dans un moteur électrique, l'énergie électrique est convertie en :
Bonne réponse : B. Les forces magnétiques sur la spire créent une rotation : le moteur fournit un travail mécanique à partir de l'énergie électrique.
12. Induction électromagnétique et applications
Définition — Induction (Faraday) : une variation du champ magnétique à travers une bobine crée un courant induit. Sans variation, pas de courant. Loi de Lenz : le courant induit s'oppose à la cause qui l'a produit.
Trois applications de l'induction
| Appareil | Principe | Utilisation |
|---|---|---|
| Alternateur | Une bobine tourne dans un champ magnétique : le flux varie et crée un courant alternatif | Centrales électriques, barrages et éoliennes |
| Transformateur | Deux bobines couplées par un noyau de fer ; seule une tension variable se transmet | Transport en haute tension, chargeurs |
| Plaque à induction | Un champ variable crée des courants dans le fond métallique du récipient | Cuisine : effet Joule dans le fond |
Définition — Pour un transformateur idéal, les tensions sont proportionnelles aux nombres de spires : la tension du secondaire divisée par celle du primaire est égale au nombre de spires du secondaire divisé par celui du primaire. Exemple : un primaire de 1 000 spires sous 220 volts et un secondaire de 50 spires donnent 11 volts.
⚠️ Le transformateur ne fonctionne qu'en courant alternatif : un courant continu crée un champ constant, donc aucune variation et aucun courant induit dans le secondaire.
🎯 L'induction électromagnétique se produit lorsque :
Bonne réponse : B. Il faut une variation du champ magnétique : c'est la condition de Faraday, et le courant induit obéit à la loi de Lenz.
13. Méthode et erreurs à éviter
- Repère la relation concernée : loi d'Ohm, puissance et énergie, association de résistances, loi des nœuds ou des mailles.
- Avant tout calcul, convertis : les watts en kilowatts, les minutes en heures ou en secondes, les centimètres en mètres.
- Pour les questions de champ magnétique, dessine toujours les lignes et indique le sens : la règle de la main droite répond à presque toutes les questions de sens.
- Retiens les deux valeurs de référence du réseau marocain : 220 volts et 50 hertz.
- Réponds à toutes les questions : la case vide ne rapporte rien, mais une erreur ne retire aucun point.
Points de contrôle
- Je convertis et j'applique sans hésiter les trois relations : loi d'Ohm, puissance, énergie.
- Je sais expliquer l'effet Joule, le rôle du disjoncteur et de la prise de terre.
- Je sais dire la différence entre un aimant, un électroaimant et un transformateur.
14. Glossaire bilingue
Termes d'électricité et de magnétisme
| Terme | Définition |
|---|---|
| Intensité (I) | Charges traversant une section par seconde (A) |
| Tension (U) | Différence de potentiel entre deux points (V) |
| Résistance (R) | Opposition au passage du courant (Ω) |
| Conducteur ohmique | Dipôle qui obéit à la loi d'Ohm |
| Loi des nœuds | La somme des courants entrants est égale à celle des courants sortants |
| Loi des mailles | La somme des tensions d'une maille fermée est nulle |
| Puissance (P) | Énergie transférée par seconde (W) |
| Effet Joule | Échauffement d'un conducteur parcouru par un courant |
| Kilowattheure | Énergie consommée par 1 000 W pendant une heure |
| Aimant | Corps qui attire le fer et possède deux pôles |
| Champ magnétique (B) | Région où s'exerce une action magnétique (T) |
| Ligne de champ | Courbe tangente au champ, du pôle nord vers le pôle sud à l'extérieur |
| Électroaimant | Solénoïde à noyau de fer, magnétique seulement sous courant |
| Induction | Création d'un courant par variation du champ magnétique |
| Loi de Lenz | Le courant induit s'oppose à la cause qui le produit |
| Transformateur | Appareil qui modifie une tension alternative selon le rapport des spires |
15. S'entraîner : quatre questions type concours
🎯 Une intensité de 2 A traverse une résistance de 15 Ω. La tension à ses bornes est :
Bonne réponse : C. On applique la loi d'Ohm : la tension vaut le produit de la résistance par l'intensité, soit 15 × 2 = 30 volts.
🎯 R₁ = 6 Ω et R₂ = 3 Ω sont montées en dérivation. La résistance équivalente est :
Bonne réponse : B. Pour deux résistances en dérivation : 6 × 3 ÷ (6 + 3) = 18 ÷ 9 = 2 ohms. La résistance équivalente est toujours plus petite que la plus petite des deux.
🎯 Quel dispositif protège l'installation contre une intensité trop forte ?
Bonne réponse : B. Le disjoncteur (ou le fusible) coupe le circuit quand l'intensité dépasse la valeur prévue ; la prise de terre, elle, protège les personnes.
🎯 Un transformateur dont le primaire a 2 000 spires sous 220 V et le secondaire 100 spires délivre :
Bonne réponse : B. La tension est proportionnelle au nombre de spires : 220 × 100 ÷ 2 000 = 11 volts. C'est un transformateur abaisseur.
16. À retenir (fiche finale)
À retenir — Intensité (A) mesurée en série, tension (V) mesurée en dérivation ; convention : le courant sort du pôle + du générateur.
À retenir — Trois relations : U = R × I ; P = U × I ; E = P × t. Effet Joule : P = R × I². Facture d'électricité en kilowattheures.
À retenir — Série : la résistance équivalente s'additionne, le courant est le même. Dérivation : la tension est la même, le courant se partage, la résistance équivalente diminue.
À retenir — Réseau marocain : 220 V, 50 Hz ; disjoncteur et prise de terre pour la sécurité ; le corps humain conduit, surtout mouillé.
À retenir — Magnétisme : pôles N et S (même nom se repoussent), lignes de champ du nord vers le sud, champ en tesla ; la boussole s'oriente sur le champ terrestre.
À retenir — Œrsted : un courant crée un champ magnétique (règle de la main droite, solénoïde, électroaimant). Faraday et Lenz : un champ variable crée un courant induit (alternateur, transformateur).