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Électrocinétique

~15 min de lecture 5 sections
← Module : Électricité et magnétisme

Ce que tu vas travailler

Relier charges, champs, courants et énergie électrique.

Prérequis : Forces, énergie et résolution de systèmes simples.

Lis les explications, refais les exemples sur papier, puis cherche les exercices avant d’ouvrir leur correction. La fiche de synthèse, lorsqu’elle est disponible, sert à réviser après le cours.

Un ECG mesure des courants de quelques microampères. Un bistouri électrique en délivre des milliers de fois plus pour couper un tissu. Entre les deux, la même physique : des charges qui circulent, une tension qui les pousse, une résistance qui les freine.

Tout le chapitre tourne autour d'une relation, U = R·I, et de deux règles de comptage : les nœuds et les mailles.

Sommaire du cours

1Le courant électrique : un débit de charges

Un courant électrique est un déplacement ordonné de charges — dans un métal, des électrons. L'intensité I mesure le débit de charge qui traverse une section du fil :

I=Qt\displaystyle I = \dfrac{Q}{t}Q=N⋅eavece=1,6×10−19 C\displaystyle Q = N \cdot e \quad \text{avec} \quad e = 1{,}6 \times 10^{-19} \ \text{C}
L'ampère est un débit : 1 A = 1 coulomb par seconde.

Attention au sens conventionnel : par convention historique, le courant circule du + vers le − à l'extérieur du générateur… alors que les électrons, chargés négativement, vont en sens inverse. Les lois des circuits utilisent toujours le sens conventionnel.

L'analogie hydraulique

Pense à un circuit d'eau : la tension est la différence de pression imposée par la pompe (le générateur), le courant est le débit d'eau, la résistance est un étranglement du tuyau. Presque toutes les intuitions correctes du chapitre en découlent.

Le corps humain conduit le courant, et il en faut très peu pour le mettre en danger :

Intensité (ordre de grandeur)Effet sur le corps humain
1 mAseuil de perception, picotement
10 mAtétanisation musculaire : impossible de lâcher le conducteur
30 à 75 mArisque de fibrillation ventriculaire
1 A et plusarrêt cardiaque, brûlures internes

Pour le futur médecin

Le cœur est un générateur électrique : chaque battement naît d'une onde de dépolarisation que l'ECG enregistre à la surface de la peau (quelques millivolts à peine). Ce système est fragile : quelques dizaines de milliampères traversant le thorax suffisent à désynchroniser les cellules cardiaques — c'est la fibrillation ventriculaire, mortelle en quelques minutes. Paradoxe superbe : le défibrillateur sauve avec le même phénomène, en envoyant un courant bref et contrôlé (environ 150 à 360 joules) qui « réinitialise » toutes les cellules en même temps.

🧩 Une charge de 12 C traverse la section d'un fil en 4 s. Quelle est l'intensité du courant ?

Facile

🧩 Un courant de 0,5 A circule pendant 2 minutes. Quelle charge a circulé, et combien d'électrons cela représente-t-il ?

Intermédiaire

2La loi d'Ohm : U = R·I

La tension U (en volts) mesure la différence de potentiel entre deux points — la « pression électrique » qui pousse les charges. La résistance R (en ohms, Ω) mesure l'opposition au passage du courant. La loi d'Ohm relie les trois grandeurs :

U=R⋅I\displaystyle U = R \cdot II=UR\displaystyle I = \dfrac{U}{R}R=UI\displaystyle R = \dfrac{U}{I}
Trois écritures d'une même loi — celle que tout le chapitre réutilise.

Lecture physique : à résistance fixée, doubler la tension double le courant. À tension fixée, doubler la résistance divise le courant par deux. Manipule le circuit ci-dessous pour le sentir :

🔧 Règle la tension et la résistance : le courant obéit à U = R·I, sans exception.

I = U/R = 300 mA

P = U·I = 2,70 W

À U fixe, doubler R divise I par 2 — la résistance porte bien son nom.

Une loi, pas une définition universelle

La loi d'Ohm ne vaut que pour les conducteurs ohmiques (résistances, fils métalliques à température constante). Un filament de lampe qui chauffe, une diode ou un électrolyte ne la suivent pas : leur rapport U/I varie. Au concours, sauf mention contraire, les résistances sont ohmiques.

🧩 Une résistance de 220 Ω est traversée par un courant de 50 mA. Quelle est la tension à ses bornes ?

Facile

🧩 Sous 12 V, un résistor est traversé par 0,4 A. Quelle est sa résistance ? Quel courant le traverse si on double la tension ?

Intermédiaire
Le réflexe concours⏱ 15 s — utiliser U = R·I
  1. 1Vérifie que U, R et I concernent le même dipôle. C'est l'erreur la plus fréquente en circuit complexe.
  2. 2Volts, ohms, ampères : un mA oublié divise le résultat par mille.
  3. 3Pour la puissance, pars toujours de P = U·I ; P = R·I² et P = U²/R en découlent.

3Les associations de résistances

En sérieEn parallèle
En série, le courant traverse l'une après l'autre (R s'ajoutent). En parallèle, il se partage entre les branches.

Deux façons de brancher des résistances, deux logiques opposées. En série (bout à bout), le même courant traverse tout : les oppositions s'additionnent. En parallèle (côte à côte), le courant se partage entre plusieurs chemins : le passage global devient plus facile.

Rseˊrie=R1+R2\displaystyle R_{\text{série}} = R_1 + R_21Rparalleˋle=1R1+1R2\displaystyle \dfrac{1}{R_{\text{parallèle}}} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}Rparalleˋle=R1⋅R2R1+R2\displaystyle R_{\text{parallèle}} = \dfrac{R_1 \cdot R_2}{R_1 + R_2}
En parallèle, la formule « produit sur somme » ne vaut que pour DEUX résistances.

Le point que le concours adore

En parallèle, la résistance équivalente diminue : elle est toujours plus petite que la plus petite des branches. Ouvrir un chemin supplémentaire ne peut que faciliter le passage du courant — comme ouvrir une deuxième caisse au supermarché. Si ton calcul donne une équivalente plus grande, il est faux.

Vérification express

Deux résistances identiques R en parallèle donnent R/2 ; n résistances identiques en parallèle donnent R/n. Utilise ce cas particulier pour tester ta formule en dix secondes.

🧩 R1 = 100 Ω et R2 = 150 Ω. Calcule la résistance équivalente en série, puis en parallèle.

Intermédiaire

🧩 Une résistance de 4 Ω est en série avec l'ensemble {6 Ω en parallèle avec 3 Ω}, le tout sous 12 V. Quel courant débite le générateur ?

Concours
Le réflexe concours⏱ 20 s — série ou parallèle ?
  1. 1Un seul chemin possible pour le courant → série : les résistances s'additionnent (R = R₁ + R₂).
  2. 2Le courant a le choix entre plusieurs branches → parallèle : ce sont les inverses qui s'additionnent.
  3. 3Contrôle : en parallèle, la résistance équivalente est toujours plus petite que la plus petite des deux.

4Puissance et effet Joule

Toute résistance parcourue par un courant chauffe : c'est l'effet Joule, exploité par le grille-pain et redouté dans les câbles. La puissance dissipée s'écrit de trois façons équivalentes, obtenues en combinant P = U·I avec la loi d'Ohm :

P=U⋅I=R⋅I2=U2R\displaystyle P = U \cdot I = R \cdot I^2 = \dfrac{U^2}{R}E=P⋅t\displaystyle E = P \cdot t1 kWh=3,6×106 J\displaystyle 1 \ \text{kWh} = 3{,}6 \times 10^6 \ \text{J}
Trois formes équivalentes — choisis celle qui utilise les données de l'énoncé.

La puissance (watts) est un débit d'énergie ; l'énergie consommée est E = P·t. Le kilowattheure du compteur électrique est une unité d'énergie : 1 kWh est l'énergie d'un appareil de 1 kW fonctionnant 1 h.

Le réflexe kWh

Pour un calcul de facture, reste en kW et en heures : E(kWh) = P(kW) × t(h). Ne convertis en joules que si l'énoncé l'exige — c'est plus rapide et moins risqué.

🧩 Un radiateur branché sur 230 V est traversé par un courant de 5 A. Quelle est sa puissance ?

Facile

🧩 Un chauffe-eau de 2 000 W fonctionne 3 h par jour. Quelle énergie consomme-t-il par jour, et que coûte-t-il sur 30 jours à 0,30 €/kWh ?

Concours

Vu au concoursL'effet Joule, grand classique

On te donne un appareil, sa puissance et sa tension, puis on demande le courant ou la résistance. Pars de P = U·I, puis remplace avec la loi d'Ohm. Deux lignes, la question est pliée.

5Les lois de Kirchhoff : nœuds et mailles

I₁I₂I₃I₁ = I₂ + I₃
Loi des nœuds : le courant qui arrive se répartit — I₁ = I₂ + I₃ (rien ne se perd).

Dans un circuit à plusieurs branches, deux lois de bon sens organisent tout. La loi des nœuds traduit la conservation de la charge : en un point de branchement, tout le courant qui arrive repart — rien ne s'accumule, rien ne disparaît. La loi des mailles traduit la conservation de l'énergie : le long de n'importe quelle boucle fermée, la tension fournie par le générateur est intégralement répartie entre les récepteurs.

∑Ientrants=∑Isortants\displaystyle \sum I_{\text{entrants}} = \sum I_{\text{sortants}}∑mailleU=0\displaystyle \sum_{\text{maille}} U = 0
Deux lois de conservation : la charge aux nœuds, l'énergie sur les mailles.

Conséquences directes à connaître : en série, le courant est identique partout et les tensions s'ajoutent ; en parallèle, la tension est identique sur chaque branche et les courants s'ajoutent. Au concours, la plupart des questions « Kirchhoff » se résolvent avec ces deux phrases, sans système d'équations.

La méthode en trois gestes

1) Réduis le circuit avec les résistances équivalentes. 2) Calcule le courant principal avec U = R·I. 3) Remonte le circuit : loi des nœuds pour partager les courants, loi des mailles pour vérifier que les tensions retombent sur la tension du générateur.

🧩 Un courant de 3 A arrive à un nœud d'où partent deux branches. La première emporte 1,2 A. Que vaut le courant dans la seconde ?

Intermédiaire

🧩 Un générateur de 12 V alimente en série deux résistances de 20 Ω et 40 Ω. Calcule le courant et la tension aux bornes de chaque résistance.

Concours

Les erreurs qui coûtent des points

Additionner des résistances en parallèle

en parallèle on additionne les INVERSES : 1/R = 1/R1 + 1/R2 — l'équivalente diminue.

Obtenir une équivalente parallèle plus grande que les branches

impossible : elle est toujours inférieure à la plus petite branche.

Oublier de convertir les mA en A

50 mA = 0,05 A ; garde les unités SI avant d'appliquer U = R·I.

Confondre kWh et kW

le kWh est une énergie, le kW une puissance : E(kWh) = P(kW) × t(h).

Appliquer « produit sur somme » à trois résistances

cette formule ne vaut que pour DEUX branches ; sinon, passe par les inverses.

Confondre sens conventionnel et sens des électrons

les lois du circuit utilisent le sens conventionnel, du + vers le −.

Écrire P = U·I² ou P = R·I

les bonnes formes sont P = U·I = R·I² = U²/R : vérifie avec les unités.

Points clés à retenir

  • I = Q/t : l'intensité est un débit de charges ; 1 A = 1 C/s ; sens conventionnel du + vers le −.
  • Loi d'Ohm : U = R·I pour un conducteur ohmique — proportionnalité entre tension et courant.
  • Série : R = R1 + R2, même courant partout, les tensions s'ajoutent.
  • Parallèle : 1/R = 1/R1 + 1/R2, même tension partout, les courants s'ajoutent — l'équivalente diminue.
  • Puissance : P = U·I = R·I² = U²/R ; effet Joule = échauffement de toute résistance parcourue.
  • Énergie : E = P·t ; 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J — l'unité du compteur est une énergie.
  • Danger biologique : quelques dizaines de mA à travers le thorax suffisent à déclencher une fibrillation ventriculaire.

Le chapitre en 8 points

Récap animé— Électrocinétique en 8 points

01 / 08

Courant électrique

I = Q/t : un débit de charges à travers le fil, mesuré en ampères.

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