Fiche explicative de la leçon: Générateurs en série Sciences

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à calculer la f.é.m. totale d’un ensemble de piles connectées en série.

Une pile est une source d’énergie qui fournit de l’énergie électrique à un circuit.

Le schéma ci-dessous montre le symbole utilisé pour représenter une pile dans un schéma électrique. Le symbole est constitué de deux lignes verticales et parallèles. L’une des lignes est plus courte et plus épaisse que l’autre.

Chaque ligne représente une borne de la pile. Une borne est un point où la pile est connectée au reste du circuit. Une pile possède deux bornes : une borne chargée positivement et une borne chargée négativement. La ligne la plus longue et la plus mince représente toujours la borne positive. La ligne la plus courte et la plus épaisse représente toujours la borne négative.

Une pile introduit une différence de potentiel électrique dans le circuit. La différence de potentiel à travers une pile est également appelée force électromotrice de la pile. L’expression « force électromotrice » est souvent abrégée « f.é.m. » La f.é.m. d’une pile est égale à la différence de potentiel aux bornes de la pile et est mesurée en volts, V.

Malgré son nom, la f.é.m. d’une pile n’est pas une force. La f.é.m. est une mesure de la quantité d’énergie que la pile transfère par unité de charge la traversant. Les piles transfèrent l’énergie aux charges, leur permettant de circuler dans le circuit. Ainsi, la f.é.m. d’une pile peut produire un courant dans un circuit.

Nous pouvons connecter plusieurs piles ensemble. Une façon de le faire est de les connecter en série. Cela signifie que les piles sont connectées directement les unes après les autres.

Habituellement, lorsque des piles sont connectées en série, chaque pile est alignée de la même manière. Cela signifie que la borne positive d’une pile doit être connectée à la borne négative d’une autre pile.

Ceci est illustré par le schéma ci-dessous. Le schéma montre deux piles, connectées en série. Les piles sont alignées de la même manière, car la borne positive de la pile du côté gauche est connectée à la borne négative de la pile de droite.

Notez que les piles peuvent être connectées en série, même si elles ne sont pas alignées de la même manière. Les piles peuvent être connectées de telle sorte qu’elles sont alignées dans des sens opposés, avec la borne positive d’une pile connectée à la borne positive d’une autre pile. Cependant, c’est moins fréquent.

Pour le reste de cette fiche explicative, nous ne considérerons que les piles sont connectées en série et alignées de la même manière.

Exemple 1: Identifier des piles en série

Lequel des schémas suivants montre trois piles connectées en série ? 

Réponse

La réponse est B.

Sur le schéma B, chaque pile est alignée de la même manière, avec la borne positive d’une pile connectée à la borne négative de la suivante. Par conséquent, ces piles sont connectées en série.

Le schéma A illustre une manière différente de connecter des piles, que l’on appelle en parallèle. Chaque pile est orientée de la même manière, avec la borne positive à droite et la borne négative à gauche, alors on pourrait penser que ces piles sont alignées les unes avec les autres. Cependant, les bornes de ces piles ne sont pas connectées en série.

Si nous suivons les fils d’une pile à la suivante, nous pouvons voir que la borne positive d’une pile est connectée à la borne positive d’une autre. De même, la borne négative d’une pile est connectée à la borne négative d’une autre.

Cela signifie que les piles ne sont pas connectées en série. Pour que les piles soient connectées en série, la borne positive d’une pile doit être connectée à la borne négative d’une autre pile.

Nous pouvons connecter des piles en série pour fabriquer une batterie. Une batterie est simplement composée de deux piles ou plus, connectées en série.

Le symbole électrique d’une batterie indique deux piles connectées en série. La connexion entre les piles est représentée par une ligne pointillée. Bien que seulement deux piles soient représentées dans le symbole électrique, une batterie peut être composée de plus de deux piles.

Le schéma ci-dessous montre le symbole électrique d’une batterie.

Exemple 2: Identifier le symbole électrique d’une batterie

Lequel des symboles suivants correspond au symbole électrique d’une batterie ? 

Réponse

La réponse est B.

Le schéma B montre une batterie. Les piles sont connectées en série, avec la borne positive de la première pile connectée à la borne négative de la suivante. Il y a une ligne pointillée représentant la connexion entre les piles. Par conséquent, ceci est le symbole d’une batterie.

L’image A montre une seule pile. L’image C montre une ampoule à filament. L’image D montre un interrupteur fermé et E, une résistance.

Nous avons déjà dit qu’une pile fournit une f.é.m. à un circuit. Lorsque des piles sont connectées en série, la f.é.m. fournie au circuit est égale à la somme des f.é.m. de chaque pile. Ainsi, si nous connaissons la f.é.m. de chaque pile, nous les additionnons simplement pour déterminer la f.é.m. totale fournie au circuit.

Pour comprendre cela, rappelons que chaque pile transfère de l’énergie aux charges du circuit. La f.é.m. de chaque pile est une mesure de la quantité d’énergie que cette pile transfère à chaque charge. Lorsque les piles sont connectées en série, une charge circule dans le circuit, et elle reçoit à son tour un transfert d’énergie de chaque pile. Pour calculer l’énergie reçue par une charge, nous additionnons l’énergie transférée par chaque pile.

Ainsi, pour calculer la f.é.m. totale fournie au circuit, nous additionnons les f.é.m. de chaque pile.

Exemple 3: Calcul de la f.é.m. totale des piles d’une série

Le schéma montre trois piles connectées en série. Quelle est la f.é.m. totale fournie par les piles ? 

Réponse

Lorsque des piles sont connectées en série, la f.é.m. fournie au circuit est égale à la somme des f.é.m. de chaque pile.

Ce schéma montre trois piles, avec des f.é.m. de 3 V, 6 V et 2 V. Pour trouver la f.é.m. totale fournie par les piles, nous additionnons les f.é.m. des trois piles individuelles : 

Par conséquent, la f.é.m. totale fournie au circuit est égale à 11 V.

Exemple 4: Calcul de la f.é.m. totale de piles en série

Le schéma montre trois piles connectées en série. La f.é.m. totale fournie par les piles est de 8 V. Quelle est la f.é.m. fournie par la troisième pile ? 

Réponse

Lorsque des piles sont connectées en série, la f.é.m. fournie au circuit est égale à la somme des f.é.m. de chaque pile.

Nous savons que la f.é.m. totale fournie par ces piles est de 8 V, et que les deux premières piles fournissent des f.é.m. de 4 V et 3 V. Appelons la f.é.m. fournie par la troisième pile .

Ainsi, nous savons que l’équation suivante doit être vraie : 

Cela se simplifie en que nous pouvons réorganiser pour trouver

Ainsi, la f.é.m. fournie par la troisième pile doit être égale à 1 V.

Exemple 5: Calcul de la f.é.m. totale des piles en série

Le schéma montre quatre piles identiques connectées en série. La f.é.m. totale fournie par les piles est de 8 V. Quelle est la f.é.m. fournie par une pile ? 

Réponse

Les quatre piles sont identiques. Cela signifie que chaque pile fournit la même f.é.m. au circuit.

Notons la f.é.m. d’une seule pile comme .

La f.é.m. totale fournie par les piles est de 8 V. Nous avons quatre piles connectées en série ; par conséquent,

Cela se simplifie en que nous pouvons réorganiser pour trouver

Ainsi, la f.é.m. fournie par une pile est de 2 V.

Nous savons déjà qu’une batterie est composée de deux piles ou plus connectées en série. Ainsi, la f.é.m. fournie par une batterie est égale à la somme des f.é.m. fournies par les piles de la batterie. On peut calculer la f.é.m. fournie par une batterie en additionnant la f.é.m. des piles qu’elle contient. C’est exactement la même chose que de calculer la f.é.m. totale fournie par tout ensemble de piles connectées en série.

Résumons maintenant ce qui a été appris dans cette fiche explicative.