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Conducteurs, isolants et sens du courant

Classer les matériaux et introduire le sens conventionnel du courant.

Physique 5ème Chapitre 3 / 8 ⏱ 5 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Réaliser un test de conduction
  • Indiquer le sens du courant sur un schéma
  • Expliquer le fonctionnement d'une DEL

Depuis la sixième, tu sais construire un circuit électrique simple avec une pile, une lampe et des fils, et tu as vu qu'un interrupteur permet d'allumer ou d'éteindre la lampe. Mais pourquoi une lampe s'allume-t-elle avec un fil de cuivre, et jamais avec une ficelle ou un crayon en bois ? Et pourquoi dit-on que le courant « part de la borne + », alors que ce n'est pas tout à fait ce qui se passe réellement à l'intérieur des fils ?

Ce chapitre répond à ces deux questions. Tu vas d'abord apprendre à tester si un matériau laisse passer le courant électrique, puis à classer les objets qui t'entourent en deux grandes familles : les conducteurs et les isolants. Tu découvriras ensuite ce qui se déplace vraiment à l'intérieur d'un fil de cuivre, le sens conventionnel du courant — une convention vieille de deux siècles — et enfin des composants un peu particuliers, comme la DEL, qui n'acceptent le courant que dans un seul sens.

Ces notions ne sont pas seulement scolaires : elles t'expliqueront pourquoi les fils électriques sont toujours gainés de plastique, pourquoi on n'approche jamais un appareil électrique avec les mains mouillées, et pourquoi ta lampe de poche à DEL refuse parfois de s'allumer quand tu inverses les piles.

1Test de conduction

Pour savoir si un objet laisse passer le courant électrique, on ne le branche pas directement sur une prise murale : ce serait dangereux. On utilise un montage de test, beaucoup plus prudent, alimenté par une simple pile.

Définition

Un montage de test de conduction est un circuit formé d'une pile, d'une lampe et de deux fils terminés par des pinces crocodiles. On place l'objet à étudier entre les deux pinces, à la place d'un fil.

  • Si la lampe s'allume, l'objet laisse passer le courant : c'est un conducteur.
  • Si la lampe reste éteinte, l'objet ne laisse pas passer le courant : c'est un isolant.
Montage de test : conducteur ou isolant ? lampe témoin objet à tester + − pile
Figure 1 — Montage de test : si l'objet pincé entre les deux pinces crocodiles (en rouge) est un conducteur, le circuit se ferme et la lampe s'allume ; s'il s'agit d'un isolant, le circuit reste ouvert et la lampe reste éteinte.
Méthode — réaliser un test de conduction
  1. Relier la pile à la lampe par un fil, en laissant les deux autres bornes libres.
  2. Fixer une pince crocodile à chaque extrémité libre.
  3. Pincer l'objet à tester entre les deux pinces, sans le toucher avec les doigts.
  4. Observer la lampe : allumée = conducteur ; éteinte = isolant.
Exemple — deux objets du quotidien

On teste une cuillère en métal puis une règle en plastique avec le même montage.

  • Avec la cuillère : la lampe s'allume. Le métal est donc conducteur.
  • Avec la règle : la lampe reste éteinte. Le plastique est donc isolant.
Exemple — un cas surprenant : la mine de crayon

La mine d'un crayon « à papier » n'est pas faite de plomb, mais de graphite, une forme de carbone. Testée dans le montage, la lampe s'allume faiblement : le graphite est conducteur, contrairement au bois qui l'entoure, lui-même isolant. C'est l'une des rares substances non métalliques qui conduisent le courant.

Attention

Ce montage de test fonctionne avec la faible tension d'une pile (quelques volts). Il ne faut jamais reproduire ce genre de test avec une prise électrique du secteur (220 V) : la tension y est bien plus élevée et dangereuse pour le corps humain.

2Conducteurs et isolants usuels

En testant de nombreux matériaux, les physiciens ont établi un classement qui ne change jamais : un matériau donné est toujours conducteur, ou toujours isolant, quelles que soient sa forme et sa couleur.

Propriété
  • Conducteurs usuels : tous les métaux (cuivre, aluminium, fer, acier, or, argent…) et le graphite.
  • Isolants usuels : les plastiques, le verre, le bois sec, le caoutchouc, la céramique, l'air sec.
Matériau testéFamilleRésultat du testConclusion
Fil de cuivremétallampe alluméeconducteur
Clé en fermétallampe alluméeconducteur
Feuille d'aluminiummétallampe alluméeconducteur
Mine de crayongraphite (carbone)lampe allumée (faible)conducteur
Règle en plastiqueplastiquelampe éteinteisolant
Verre de fenêtreverrelampe éteinteisolant
Crayon en bois secbois seclampe éteinteisolant
Gomme en caoutchouccaoutchouclampe éteinteisolant
Eau du robineteau + sels dissouslampe faiblement alluméeconducteur (un peu)
Peau humaine (mains moites)corps humainlampe faiblement alluméeconducteur (danger)

Deux résultats de ce tableau méritent une attention particulière : l'eau et le corps humain.

Attention — danger électrique

L'eau pure (distillée) est un très mauvais conducteur. Mais l'eau du robinet, de pluie ou de mer contient des sels dissous qui la rendent conductrice. Le corps humain, composé en grande partie d'eau salée, est lui aussi conducteur, surtout si la peau est mouillée. C'est pourquoi il est interdit de toucher un appareil électrique avec les mains mouillées, et pourquoi les salles de bain imposent des règles de sécurité électrique strictes.

C'est cette conductivité du corps humain qui rend les fils dénudés dangereux : si tu touches un fil sous tension, le courant peut traverser ton corps. Voilà pourquoi tous les fils électriques que tu vois autour de toi sont gainés d'une couche de plastique isolant, et pourquoi les pinces crocodiles utilisées en cours de physique ont des manches en plastique : seule leur pointe métallique touche le circuit, ta main reste protégée par l'isolant.

Physique & Co — Stephen Gray et la première frontière

En 1729, le physicien anglais Stephen Gray réalise une expérience restée célèbre : il suspend un jeune garçon à des fils de soie, l'électrise à l'aide d'un tube de verre frotté, et montre que des objets métalliques tenus par l'enfant s'électrisent à leur tour. En remplaçant les fils de soie par du fil de laiton (un métal), l'électricité « s'échappe » aussitôt vers le sol.

Gray venait de mettre en évidence, sans encore ce vocabulaire, la différence entre les conducteurs (le métal, le corps humain) et les isolants (la soie, qui retient l'électricité). Cette distinction, vieille de près de trois siècles, reste la toute première notion de tout cours d'électricité.

Cette distinction explique aussi le fonctionnement d'un interrupteur : son corps est en plastique isolant pour protéger la main, mais ses deux contacts internes sont en métal conducteur. Fermer l'interrupteur, c'est simplement rapprocher deux morceaux de métal pour que le courant puisse les traverser. Reste une question : à l'intérieur du métal lui-même, qu'est-ce qui se déplace exactement pour transporter le courant ? C'est ce que tu vas découvrir dans la section suivante.

3Nature du courant dans les métaux

Le test de conduction te dit si un matériau conduit, mais pas pourquoi. Pour comprendre pourquoi un métal conduit et un plastique non, il faut regarder à l'échelle des atomes.

Définition

Dans un métal, les atomes sont rangés en un réseau très ordonné. Chaque atome retient fermement la plupart de ses électrons, mais libère un ou plusieurs électrons, qui peuvent alors se déplacer librement d'atome en atome dans tout le métal. On les appelle les électrons libres : ce sont eux les porteurs de charge du courant électrique dans un métal.

Vue simplifiée d'un morceau de fil de cuivre I — sens conventionnel du courant ++++++ ++++++ ++++++ sens réel de déplacement des électrons libres
Figure 2 — Les ions du métal (en gris, « + ») forment un réseau fixe ; les électrons libres (en rouge, « − ») se déplacent. Sous l'effet du générateur, ils dérivent en moyenne dans le sens opposé au sens conventionnel du courant II.
Démonstration — pourquoi un métal conduit-il ?

Au repos, sans pile branchée, les électrons libres s'agitent dans toutes les directions à l'intérieur du métal, un peu comme des billes qui s'entrechoquent en tous sens : en moyenne, il n'y a aucun déplacement d'ensemble, donc pas de courant.

Dès que l'on branche une pile aux deux extrémités du fil, elle exerce une action électrique qui pousse tous les électrons libres dans la même direction, tout en gardant leur agitation désordonnée. Ce déplacement collectif et organisé des électrons libres, c'est exactement ce qu'on appelle le courant électrique.

Dans un isolant, au contraire, tous les électrons restent fortement liés à leur atome : il n'existe aucun porteur de charge libre pour transporter un courant, quelle que soit la pile branchée.

Exemple — le cuivre, champion de la conduction

Dans un fil de cuivre, chaque atome libère un électron : le fil contient donc un nombre gigantesque d'électrons libres, capables de transporter un courant important. C'est pour cette raison que le cuivre équipe la quasi-totalité des câbles électriques du monde.

Exemple — l'eau salée ne conduit pas de la même façon

Dans l'eau du robinet, ce ne sont pas des électrons libres qui transportent le courant, mais les ions dissous (issus des sels). Le mécanisme est différent de celui des métaux, mais le résultat est comparable : des charges électriques capables de se déplacer, donc un matériau conducteur — même si, ici, beaucoup moins bon conducteur qu'un métal.

Physique & Co — un courant compris... après coup

Étonnamment, on a utilisé l'électricité — et défini son sens — bien avant de savoir ce qui se déplaçait réellement dans les fils. Ce n'est qu'en 1897 que le physicien anglais Joseph John Thomson découvre l'électron, cette minuscule particule chargée négativement, en étudiant des rayons dans des tubes de verre sous vide.

Sa découverte a enfin expliqué ce qu'est le courant dans un métal, presque un siècle après qu'un scientifique français eut choisi, arbitrairement, le sens conventionnel du courant que tu utilises encore aujourd'hui. Tu vas découvrir cette histoire dans la section suivante.

4Sens conventionnel du courant

Sur un schéma électrique, on indique toujours le sens du courant par une flèche. Mais comme tu viens de le voir, personne ne connaissait l'électron quand cette flèche a été inventée. Comment a-t-on fait ?

Définition

Le sens conventionnel du courant est le sens choisi par convention pour représenter le courant électrique sur un circuit. À l'extérieur du générateur (pile ou batterie), il va toujours de la borne + vers la borne −, en suivant les fils et les dipôles du circuit.

Sens conventionnel du courant et sens réel des électrons lampe + − pile I (sens conventionnel) sens réel des électrons
Figure 3 — Par convention (choisie avant la découverte de l'électron), le courant II circule à l'extérieur du générateur du + vers le −. Les électrons, chargés négativement, se déplacent en réalité en sens inverse, du − vers le +.
Propriété

Le sens conventionnel du courant est l'inverse du sens réel de déplacement des électrons libres dans les fils.

  • À l'extérieur du générateur : le courant conventionnel va du + vers le − ; les électrons vont réellement du − vers le +.
  • Cela s'explique par la charge négative de l'électron : un déplacement de charges négatives dans un sens équivaut, électriquement, à un déplacement de charges positives dans le sens opposé.
Attention — le piège classique

Ne confonds jamais les deux sens ! Sur un schéma de circuit, la flèche du courant II indique toujours le sens conventionnel, du + vers le −. Si l'on te demande le sens de déplacement des électrons, la réponse est l'inverse exact de cette flèche. Beaucoup d'élèves perdent des points en répondant machinalement « du + vers le − » à une question posée sur les électrons.

Méthode — indiquer le sens du courant sur un schéma
  1. Repérer la borne + et la borne − du générateur (le trait long du symbole = +, le trait court = −).
  2. Tracer une flèche qui part de la borne + du générateur, longe le circuit extérieur (fils, lampe, interrupteur…), et revient à la borne −.
  3. Cette flèche donne le sens conventionnel du courant, identique en tout point d'un circuit en série.
Exemple — lire un schéma simple

Une pile alimente une lampe par une simple boucle de fils, la borne + étant en haut à gauche. Le courant conventionnel part de cette borne +, traverse le fil du haut puis la lampe, redescend par le fil de droite, et revient à la borne − par le fil du bas. Les électrons, eux, parcourent exactement le trajet inverse : de la borne − vers la borne +.

Exemple — inverser la pile

Si l'on retourne la pile dans son logement (bornes + et − échangées), le sens conventionnel du courant s'inverse dans tout le circuit : ce qui partait vers la droite part désormais vers la gauche. Comme tu le verras dans la section suivante, ce petit changement peut suffire à empêcher une DEL de s'allumer.

Physique & Co — le choix d'André-Marie Ampère

Au début du XIXe siècle, le physicien français André-Marie Ampère étudie les phénomènes électriques et magnétiques et doit choisir, arbitrairement, un sens de circulation pour représenter le courant sur ses schémas. Vers 1820, il fixe la convention encore utilisée aujourd'hui : le courant va du + vers le − à l'extérieur du générateur.

Ce choix, purement conventionnel, aurait tout aussi bien pu être l'inverse. Le problème, c'est que 77 ans plus tard, Thomson découvre que ce sont des charges négatives (les électrons) qui se déplacent réellement, et dans le sens opposé à la convention d'Ampère ! Il était trop tard pour tout changer : des milliers de schémas et de lois utilisaient déjà cette convention. On l'a donc conservée, et les physiciens du monde entier raisonnent encore aujourd'hui avec le sens conventionnel, tout en sachant qu'il ne correspond pas au sens réel des électrons.

5Dipôles polarisés (DEL, moteur)

Certains composants électriques fonctionnent quel que soit le sens dans lequel on les branche : une lampe classique, par exemple, s'allume aussi bien dans un sens que dans l'autre. D'autres composants, au contraire, sont beaucoup plus exigeants.

Définition

Un dipôle polarisé est un composant qui ne fonctionne correctement que dans un seul sens de branchement. Ses deux bornes ne jouent pas le même rôle : il faut respecter le sens indiqué (souvent une borne + et une borne −, ou une patte longue et une patte courte).

Avant d'étudier la DEL en détail, voici les symboles normalisés que tu dois savoir reconnaître et dessiner : ce sont eux qui apparaissent sur tous les schémas de circuits, en cours comme aux contrôles.

Symboles normalisés à connaître Pile Lampe Interrupteur ouvert Interrupteur fermé Fil / nœud connecté DEL M Moteur Pince crocodile
Figure 4 — Les symboles normalisés d'un circuit : chacun se dessine toujours de la même façon, quel que soit le pays ou le manuel.

5.1  La DEL, un dipôle à sens unique

La DEL (diode électroluminescente) est l'exemple le plus connu de dipôle polarisé.

Définition

Une DEL possède deux bornes : l'anode (borne +, patte la plus longue) et la cathode (borne −, patte la plus courte, souvent du côté méplat du boîtier). Elle ne laisse passer le courant conventionnel que s'il entre par l'anode et ressort par la cathode : on dit qu'elle ne conduit que dans le sens passant.

Bon sens (passant) DEL bien orientée → s'allume ✓ Mauvais sens (bloqué) DEL mal orientée → reste éteinte ✗
Figure 5 — Une DEL est un dipôle polarisé : branchée dans le bon sens (à gauche), elle laisse passer le courant conventionnel et s'allume ; branchée à l'envers (à droite), elle bloque le courant et reste éteinte, avec pourtant exactement la même pile.
Démonstration — pourquoi la DEL ne s'allume-t-elle que dans un sens ?

À l'intérieur d'une DEL se trouve une jonction entre deux petites zones de matériau semi-conducteur, légèrement différentes l'une de l'autre. Dans le sens passant, cette jonction laisse les porteurs de charge la traverser librement : le courant circule, et une partie de l'énergie électrique se transforme en lumière.

Dans le sens bloquant (DEL retournée), la jonction agit comme un mur infranchissable pour les porteurs de charge : le courant reste nul dans tout le circuit, et la DEL reste éteinte — sans être endommagée, tant que la tension appliquée reste faible (celle d'une pile).

Méthode — brancher une DEL dans le bon sens
  1. Repérer la patte longue (anode, +) et la patte courte (cathode, −).
  2. Relier la patte longue vers la borne + du générateur.
  3. Relier la patte courte vers la borne − du générateur.
  4. Si la DEL reste éteinte alors que le circuit semble correct, essayer de la retourner : c'est l'erreur la plus fréquente.
Exemple — même pile, deux résultats

On branche la même DEL rouge, avec la même pile, dans deux circuits identiques sauf pour son orientation. Dans le premier, la patte longue touche le fil relié au + : la DEL s'allume. Dans le second, on l'a inversée : la patte courte touche le fil du +, et la DEL reste éteinte, alors que rien d'autre n'a changé.

Exemple — la DEL d'une télécommande

La petite DEL infrarouge d'une télécommande de télévision doit, elle aussi, être branchée dans le bon sens lors de la fabrication : montée à l'envers, elle ne laisserait jamais passer le courant, et la télécommande ne fonctionnerait jamais.

5.2  Le moteur électrique

Le petit moteur électrique utilisé en classe est différent : il n'est pas polarisé au sens strict, car il fonctionne dans les deux sens de branchement. Mais il n'est pas non plus totalement indifférent au sens du courant.

Propriété

Un moteur électrique tourne, quel que soit le sens du courant qui le traverse, mais le sens de rotation de son axe dépend directement du sens du courant : inverser les bornes de branchement inverse le sens de rotation du moteur.

Exemple — inverser un petit ventilateur

Un petit ventilateur à pile tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Si l'on inverse les deux fils qui l'alimentent, il continue de tourner — il n'est pas endommagé — mais dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Ces exigences de branchement, propres aux dipôles polarisés, expliquent pourquoi les fabricants dessinent toujours un + et un − à l'intérieur du compartiment à piles de tes appareils, et pourquoi une lampe de poche à DEL refuse de s'allumer si tu insères la pile à l'envers — alors qu'une vieille lampe à ampoule, elle, s'en accommoderait sans problème.

Fiche mémo

  • Test de conduction : lampe allumée → conducteur ; lampe éteinte → isolant.
  • Conducteurs usuels : tous les métaux et le graphite. Isolants usuels : plastiques, verre, bois sec, caoutchouc, air sec.
  • L'eau du robinet et le corps humain sont conducteurs (danger) : toujours utiliser du matériel gainé.
  • Dans un métal, les électrons libres se déplacent ; les ions restent fixes.
  • Sens conventionnel du courant II : à l'extérieur du générateur, du + vers le −.
  • Sens réel des électrons : l'inverse du sens conventionnel, du − vers le + (convention fixée par Ampère, avant la découverte de l'électron).
  • Un dipôle polarisé ne fonctionne que dans un sens de branchement précis.
  • La DEL s'allume seulement dans le sens passant (courant entrant par l'anode, patte longue, +).
  • Le moteur tourne dans les deux sens, mais son sens de rotation dépend du sens du courant.
  • Symboles à connaître : pile, lampe, interrupteur (ouvert/fermé), fil, DEL, moteur.

6Exercices corrigés

Niveau 1 — Application directe
1

Classe chacun de ces matériaux dans la bonne famille : cuivre, verre, aluminium, plastique, graphite, bois sec, caoutchouc.

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ConducteursIsolants
cuivre (métal)verre
aluminium (métal)plastique
graphitebois sec
caoutchouc

Le cuivre et l'aluminium sont des métaux : ils conduisent. Le graphite conduit aussi, bien qu'il ne soit pas un métal. Le verre, le plastique, le bois sec et le caoutchouc sont des isolants usuels.

2

Un élève teste, avec le montage habituel, un trombone en métal puis un bouchon en liège. Prédis, pour chaque objet, si la lampe s'allume, et justifie.

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Le trombone est en métal (généralement de l'acier) : c'est un conducteur, donc la lampe s'allume. Le liège est une matière d'origine végétale, comme le bois : c'est un isolant, donc la lampe reste éteinte avec le bouchon.

3

Un circuit simple relie une pile et une lampe par une boucle de deux fils. La borne + de la pile se trouve en bas à droite du schéma. Décris par une phrase le trajet du sens conventionnel du courant, puis celui des électrons.

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Sens conventionnel : le courant sort de la borne + (en bas à droite), monte par le fil de droite, traverse la lampe, redescend par le fil de gauche, et revient à la borne − (en bas à gauche).

Électrons : ils parcourent exactement le trajet inverse : ils sortent de la borne − (bas gauche), montent par le fil de gauche, traversent la lampe, puis redescendent par le fil de droite jusqu'à la borne + (bas droite).

4

Sur le symbole d'une pile, un trait est long et fin, l'autre est court et épais. Lequel représente la borne + ? Lequel représente la borne − ?

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Le trait long et fin représente la borne +. Le trait court et épais représente la borne −. C'est cette lecture qui permet de tracer la flèche du sens conventionnel du courant sur n'importe quel schéma.

5

Une DEL est branchée dans un circuit avec une pile. Cas A : la patte longue de la DEL est reliée au fil venant de la borne +. Cas B : c'est la patte courte qui est reliée à ce même fil. Dans quel cas la DEL s'allume-t-elle ?

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La patte longue est l'anode (+), la patte courte est la cathode (−). Une DEL ne s'allume que si le courant conventionnel entre par l'anode.

Cas A : la patte longue (anode) est reliée au +, la DEL est dans le sens passant → elle s'allume.

Cas B : la patte courte (cathode) est reliée au +, la DEL est dans le sens bloquant → elle reste éteinte.

Niveau 2 — Approfondissement
6

Dans un circuit en série comportant une pile, un interrupteur et une DEL bien orientée, l'interrupteur est ouvert. La DEL s'allume-t-elle ? Explique, puis indique ce qui se passe si l'on ferme l'interrupteur.

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Un interrupteur ouvert coupe physiquement le circuit : il n'existe plus de chemin continu pour les porteurs de charge, donc aucun courant ne circule, quelle que soit l'orientation de la DEL. La DEL reste éteinte, même si elle est correctement orientée.

En fermant l'interrupteur, on referme le circuit : le courant peut à nouveau circuler dans le sens conventionnel imposé par la pile. Comme la DEL est bien orientée (sens passant), elle s'allume.

7

Dans le montage de test, l'eau distillée (eau pure) n'allume presque pas la lampe, alors que l'eau du robinet l'allume faiblement. Explique cette différence.

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Dans l'eau, ce ne sont pas des électrons libres qui peuvent transporter le courant, mais des ions dissous (venant de sels minéraux). L'eau distillée a été débarrassée de la quasi-totalité de ses impuretés : elle contient très peu d'ions, donc très peu de porteurs de charge disponibles — elle conduit à peine.

L'eau du robinet, elle, contient naturellement des sels dissous (calcium, chlorures…) qui fournissent des ions mobiles. Elle est donc légèrement conductrice, ce qui suffit à faire briller faiblement la lampe témoin.

8

Explique, en citant deux propriétés physiques vues dans ce chapitre, pourquoi il est dangereux de toucher un fil dénudé sous tension avec les mains mouillées.

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Première propriété : l'eau (même en fine couche sur la peau) contient des ions dissous et est donc conductrice : elle facilite le passage du courant entre le fil et la peau.

Deuxième propriété : le corps humain lui-même est conducteur, car il contient une grande proportion d'eau salée. Avec les mains mouillées, ces deux effets s'ajoutent : le contact électrique avec le fil devient bien meilleur, et le courant peut traverser le corps beaucoup plus facilement qu'avec une peau sèche.

9

Un élève affirme : « Dans les fils, les électrons se déplacent du + vers le −. » Corrige cette affirmation en expliquant clairement la différence entre les deux sens.

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Cette affirmation est fausse. C'est le sens conventionnel du courant qui va du + vers le − à l'extérieur du générateur — une convention choisie par Ampère avant même la découverte de l'électron.

Les électrons, porteurs de charge réels dans un métal, se déplacent en sens inverse : du − vers le +. Cela s'explique par leur charge négative : un flux de charges négatives dans un sens produit le même effet électrique qu'un flux de charges positives dans le sens opposé, ce qui est justement la définition du sens conventionnel.

Niveau 3 — Défi
10

Sur le circuit de la Figure 6, une pile, un interrupteur fermé et deux DEL identiques (DEL 1 et DEL 2) sont montés en série. Les deux DEL sont dessinées « pointant vers le bas », de la même façon.

  1. Indique, en le décrivant, le sens conventionnel du courant dans ce circuit.
  2. Pour chaque DEL, précise si le sens local du courant correspond au sens passant ou au sens bloquant.
  3. Conclus : la lampe s'allume-t-elle du côté de DEL 1 ? De DEL 2 ? Justifie soigneusement.
Circuit en série : interrupteur fermé, deux DEL, une pile DEL 1 DEL 2 + − pile
Figure 6 — Circuit en série : un interrupteur fermé, deux DEL identiques, une pile. Les deux diodes sont dessinées « pointant vers le bas ».
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1. Le courant conventionnel sort de la borne + de la pile (à gauche du symbole de la pile), parcourt le fil du bas vers la gauche, monte par le fil de gauche, traverse l'interrupteur fermé en allant vers la droite, descend par le fil de droite, puis revient à la borne − de la pile (à droite du symbole).

2. Sur le fil de droite, le courant circule vers le bas. Pour DEL 1, dessinée pointant vers le bas (anode en haut, cathode en bas), le courant entre bien par l'anode : c'est le sens passant.

Sur le fil de gauche, le courant circule vers le haut (c'est l'inverse du fil de droite, car le courant y remonte vers l'interrupteur). Or DEL 2 est dessinée exactement comme DEL 1, pointant vers le bas (anode en haut, cathode en bas). Le courant, qui monte, arriverait donc par la cathode : c'est le sens bloquant.

3. Le circuit est un circuit en série : il n'existe qu'un seul chemin possible pour le courant, et l'intensité y est la même partout. Puisque DEL 2 bloque totalement le passage du courant, aucun courant ne peut circuler nulle part dans la boucle — pas même du côté de DEL 1, pourtant bien orientée. Ni DEL 1 ni DEL 2 ne s'allument. Une seule diode mal orientée suffit à bloquer tout un circuit série, même si les autres composants sont corrects.

11

Un technicien teste un objet métallique recouvert d'une fine couche de vernis isolant. Il pince l'objet entre les deux pinces crocodiles : la lampe reste éteinte. Il en conclut : « cet objet n'est pas fait d'un matériau conducteur. »

  1. Cette conclusion est-elle forcément juste ? Justifie.
  2. Propose une méthode pour tester correctement la nature du matériau situé sous le vernis.
  3. Cite un autre exemple où le test de conduction pourrait être trompeur si l'on n'y prend pas garde.
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1. Non, la conclusion n'est pas forcément juste. Le vernis est une couche isolante qui recouvre la surface : les pinces crocodiles touchent le vernis, pas le métal lui-même. Le circuit ne se ferme donc pas, non pas parce que l'objet est isolant dans son ensemble, mais parce que sa surface l'est. Le test de conduction ne teste que ce qui est réellement en contact avec les pinces.

2. Il faut gratter légèrement le vernis à l'endroit précis où les deux pinces vont pincer l'objet, pour mettre le métal à nu, puis refaire le test sur cette zone dégagée.

3. Autre exemple : un fil électrique dont la gaine isolante est intacte. Si l'on pince les pinces crocodiles directement sur la gaine sans la retirer, la lampe restera éteinte alors que le fil de cuivre à l'intérieur est parfaitement conducteur. Un métal rouillé ou oxydé peut aussi donner un résultat faussement faible, la couche d'oxyde étant nettement moins conductrice que le métal sain.

12

Question de réflexion, comme à un contrôle. Rédige une réponse argumentée de 5 à 6 lignes : « Pourquoi n'a-t-on jamais changé la convention du sens du courant après la découverte de l'électron par Thomson en 1897, bien qu'elle indique un sens opposé au déplacement réel des charges ? »

Voir le corrigé détaillé

Réponse modèle. La convention du sens du courant, fixée par Ampère vers 1820, est un choix purement arbitraire : elle ne décrit qu'une direction de référence sur les schémas, elle n'invente aucune loi physique. Or, dès cette époque, des milliers de lois, de formules et de schémas avaient déjà été construits de façon cohérente avec ce choix ; les changer tous aurait été un travail immense, source d'erreurs et de confusions, pour un bénéfice quasiment nul.

En effet, les grandeurs mesurables (intensité, tension, puissance…) ne dépendent pas du nom que l'on donne à telle ou telle direction : seule leur valeur compte pour les calculs. Il suffit donc que les physiciens et les élèves retiennent une règle simple — « les électrons vont dans le sens opposé à la flèche du courant » — plutôt que de réécrire toute l'électricité. C'est un exemple classique en sciences : on garde parfois une convention historique imparfaite, tant qu'elle reste cohérente et sans conséquence sur les résultats.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
13

Ousmane, électricien à Dakar. Ousmane doit remplacer 3 fils électriques dénudés dans une installation. Il achète de la gaine thermorétractable isolante vendue 450 F CFA le mètre ; chaque fil nécessite 0,8 m de gaine.

  1. Calcule la longueur totale de gaine nécessaire.
  2. Calcule le coût total de cet achat.
  3. Explique pourquoi Ousmane a raison de ne jamais laisser un fil sans gaine, même provisoirement.
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1.

  1. longueur totale =3×0,8= 3 \times 0{,}8
  2. ==2,42{,}4 m

2.

  1. coût =2,4×450= 2{,}4 \times 450
  2. ==1 0801\,080 F CFA

3. Un fil dénudé laisse le métal conducteur à nu et accessible au contact. Le corps humain étant lui-même conducteur (surtout avec la peau moite), toucher ce fil sous tension, même un court instant, peut faire circuler un courant dangereux à travers le corps. La gaine isolante empêche tout contact direct avec le métal.

14

Le marché de Ndjamena. Une vendeuse propose des lampes de poche à DEL à 1 200 F CFA l'unité. Un client en achète 4, plus 2 piles de rechange à 150 F CFA chacune.

  1. Calcule le montant total à payer.
  2. Le client se plaint qu'une des lampes ne s'allume pas, alors que la pile est neuve. Quelle est la cause la plus probable, et comment la corriger sans rien casser ?
  3. Pourquoi une vieille lampe à ampoule (non DEL) n'aurait-elle pas ce problème ?
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. lampes :4×1 200=4 800: 4 \times 1\,200 = 4\,800 F CFA
  2. piles :2×150=300: 2 \times 150 = 300 F CFA
  3. total =4 800+300= 4\,800 + 300
  4. ==5 1005\,100 F CFA

2. La cause la plus probable est une pile insérée à l'envers dans son logement (bornes + et − échangées). Cela inverse le sens conventionnel du courant dans le circuit : la DEL, dipôle polarisé, se retrouve alors dans le sens bloquant. Il suffit de retourner la pile dans le bon sens pour résoudre le problème, sans rien casser.

3. Une ampoule classique n'est pas un dipôle polarisé : elle s'allume de la même façon quel que soit le sens du courant qui la traverse. Elle n'aurait donc jamais ce problème d'orientation de pile.

15

Un bureau à Abidjan. Un employé remarque qu'une rallonge électrique a sa gaine isolante fendue sur 3 cm, laissant apparaître le fil de cuivre. Une rallonge neuve coûte 6 500 F CFA ; une réparation avec du ruban isolant coûte 400 F CFA, mais n'est recommandée que pour un usage très temporaire.

  1. Explique pourquoi cette rallonge est dangereuse en l'état.
  2. Compare les deux solutions (coût, sécurité) et donne ton avis argumenté.
  3. Calcule l'économie apparente réalisée si l'on choisit la réparation plutôt que le remplacement.
Voir le corrigé détaillé

1. Le cuivre exposé est un excellent conducteur, directement accessible au contact. Si une main, surtout mouillée, touche cette zone pendant que la rallonge est sous tension, le corps humain — lui aussi conducteur — peut être traversé par un courant électrique dangereux.

2. Le ruban isolant est peu coûteux et rapide, mais reste une solution fragile : il peut se décoller avec le temps, l'humidité ou la chaleur, et ne restaure pas une isolation aussi fiable qu'une gaine d'origine. Pour un usage régulier, le remplacement de la rallonge reste la solution la plus sûre, même si elle coûte plus cher.

3.

  1. économie apparente =6 500−400= 6\,500 - 400
  2. ==6 1006\,100 F CFA

Cette économie n'est qu'apparente : elle est obtenue au prix d'un risque de sécurité prolongé, ce qui n'est pas recommandé au-delà d'un dépannage très ponctuel.

16

Un atelier à Bamako. Un artisan répare un petit ventilateur de bureau. Après avoir changé le câble d'alimentation, le ventilateur tourne, mais dans le sens inverse de l'habitude (il souffle vers l'arrière). Une pièce moteur de rechange coûte 3 000 F CFA, mais l'artisan se rend compte qu'il n'a pas besoin de la changer.

  1. Explique la cause probable du problème.
  2. Propose une solution qui ne coûte rien.
  3. L'artisan avait prévu, par précaution, d'acheter la pièce de rechange ainsi que 2 vis à 50 F CFA l'unité. Calcule la somme qu'il économise en évitant cet achat inutile.
Voir le corrigé détaillé

1. Lors du remplacement du câble, les deux fils ont probablement été rebranchés inversés aux bornes du moteur. Le moteur n'est pas un dipôle polarisé (il tourne dans les deux sens), mais son sens de rotation dépend directement du sens du courant : inverser les fils a donc inversé le sens de rotation, sans endommager le moteur.

2. Il suffit d'inverser à nouveau les deux fils sur les bornes du moteur pour retrouver le sens de rotation d'origine — aucune pièce à acheter.

3.

  1. pièce évitée :3 000: 3\,000 F CFA
  2. vis évitées :2×50=100: 2 \times 50 = 100 F CFA
  3. économie totale =3 000+100= 3\,000 + 100
  4. ==3 1003\,100 F CFA

📝 QCM de fin de leçon — 20 questions

Coche une réponse par question, puis clique sur « Vérifier mes réponses » : tu obtiens ta note sur 20 avec la correction détaillée de chaque question.

Dans un montage de test de conduction, si la lampe s'allume quand on pince un objet, cela signifie que l'objet est :

Explication : Si la lampe s'allume, le courant passe à travers l'objet : c'est donc un conducteur.

Pourquoi ne faut-il jamais tester un objet directement sur une prise du secteur (220 V) ?

Explication : Le montage de test utilise la faible tension d'une pile ; le secteur est bien plus dangereux pour le corps humain.

Parmi ces matériaux, lequel est un conducteur ?

Explication : Le graphite, une forme de carbone, est l'une des rares substances non métalliques à conduire le courant. Les autres proposés sont des isolants.

Parmi ces matériaux, lequel est un isolant ?

Explication : Le caoutchouc est un isolant usuel. Le cuivre, l'aluminium et le fer sont des métaux, donc des conducteurs.

L'eau du robinet allume faiblement la lampe témoin, alors que l'eau pure (distillée) ne l'allume presque pas. Pourquoi ?

Explication : Les sels dissous dans l'eau du robinet fournissent des ions mobiles, porteurs de charge, qui rendent l'eau conductrice. L'eau pure en contient très peu.

Pourquoi est-il interdit de toucher un appareil électrique avec les mains mouillées ?

Explication : Le corps humain, en grande partie composé d'eau salée, est conducteur ; avec les mains mouillées, le contact électrique devient encore meilleur, ce qui est dangereux.

Dans un métal, ce qui se déplace pour transporter le courant électrique s'appelle :

Explication : Dans un métal, chaque atome libère un ou plusieurs électrons qui peuvent se déplacer librement : ce sont les électrons libres, porteurs du courant.

Dans un isolant, pourquoi le courant ne peut-il pas circuler ?

Explication : Dans un isolant, aucun électron n'est libre de se déplacer : il n'existe aucun porteur de charge disponible pour transporter un courant.

Le sens conventionnel du courant, à l'extérieur du générateur, va :

Explication : Par convention, le courant II va toujours du + vers le − à l'extérieur du générateur, en suivant les fils et les dipôles du circuit.

Le sens réel de déplacement des électrons dans un fil est :

Explication : Comme l'électron est chargé négativement, son déplacement réel se fait en sens inverse du sens conventionnel choisi par Ampère : du − vers le +.

Qui a choisi, par convention, le sens du courant électrique, avant même la découverte de l'électron ?

Explication : Vers 1820, Ampère fixe la convention encore utilisée aujourd'hui, bien avant que Thomson découvre l'électron en 1897.

Sur le symbole d'une pile, quel trait représente la borne + ?

Explication : Le trait long et fin représente la borne +, le trait court et épais représente la borne −.

Un dipôle polarisé est un composant qui :

Explication : Un dipôle polarisé a deux bornes qui ne jouent pas le même rôle : il faut respecter le sens indiqué pour qu'il fonctionne.

Sur une DEL, l'anode (borne +) correspond :

Explication : L'anode (+) est la patte la plus longue ; la cathode (−) est la patte la plus courte, souvent du côté méplat.

Une DEL est branchée dans le sens bloquant (à l'envers). Que se passe-t-il ?

Explication : Dans le sens bloquant, la jonction interne de la DEL empêche le passage du courant : elle reste éteinte, sans être endommagée si la tension reste faible.

Une DEL est correctement orientée dans un circuit en série avec un interrupteur, mais l'interrupteur est ouvert. La DEL s'allume-t-elle ?

Explication : Un interrupteur ouvert coupe le circuit entier : aucun courant ne circule, quelle que soit l'orientation de la DEL.

Un moteur électrique branché sur une pile :

Explication : Un moteur n'est pas polarisé au sens strict : il tourne dans les deux sens, mais inverser les bornes inverse son sens de rotation.

Un petit ventilateur à pile tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. On inverse les deux fils qui l'alimentent. Que se passe-t-il ?

Explication : Inverser le sens du courant dans un moteur inverse simplement son sens de rotation ; le moteur n'est pas endommagé.

Un élève affirme : « Dans les fils, les électrons se déplacent du + vers le −. » Cette affirmation est :

Explication : C'est le piège classique : le courant conventionnel va du + vers le −, mais les électrons, chargés négativement, se déplacent en sens inverse, du − vers le +.

Pourquoi les fils électriques que l'on voit autour de nous sont-ils toujours gainés de plastique ?

Explication : Le plastique isolant empêche tout contact accidentel avec le métal conducteur sous tension, ce qui protège les utilisateurs.
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