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Vidéo de la leçon : Générateurs en série Sciences

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

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Transcription de vidéo

Une pile est une source de différence de potentiel nécessaire au fonctionnement d’un circuit. Dans cette leçon, nous allons apprendre à déterminer la différence de potentiel fournie par plusieurs piles montées en série.

Voici peut-être l’un des circuits les plus simples qu’il soit. Il s’agit d’une ampoule à incandescence reliée à un fil. Ce circuit est facile à réaliser mais il est presque sans intérêt. Il n’y a aucune source de différence de potentiel, il n’y a donc pas de courant dans le circuit et l’ampoule ne va jamais s’allumer. Cependant, si nous utilisons le fil pour relier l’ampoule à une pile, la différence de potentiel de la pile va entraîner un déplacement des charges dans le circuit et l’ampoule va s’allumer.

Lorsqu’on ajoute cette pile de neuf volts dans le circuit, l’ampoule s’allume. Parce qu’il y a maintenant du courant dans le circuit. En effet, les charges se déplacent de la pile vers l’ampoule et reviennent ensuite à la pile. Comme la différence de potentiel de la pile produit un courant et que le courant correspond aux mouvements des charges, la différence de potentiel est souvent appelée la force électromotrice de la pile. Mais comme ce terme est un peu long, on utilise généralement les lettres F, E et M et on abrège force électromotrice par f.é.m.. Dans notre circuit, on peut dire que la pile fournit une f.é.m. de neuf volts.

Maintenant, rappelons-nous que l’objectif principal de cette leçon est d’étudier des circuits contenant plusieurs piles. Pour étudier ces circuits, il va falloir trouver un moyen de représenter un circuit de manière plus schématique que le dessin très réaliste que nous avons ici. En effet, il existe beaucoup d’autres circuits comprenant une ampoule reliée à une pile par deux fils, comme par exemple dans une lampe de poche ou dans la veilleuse d’une voiture. Les exemples que nous venons de citer sont très différents, mais les principes physiques qui s’appliquent dans les circuits sont les mêmes.

Pour pouvoir se concentrer uniquement sur la structure de ces circuits électriques, et non pas sur leurs tailles ou leurs formes particulières, nous allons utiliser des symboles standard pour représenter chacun des composants. Ce symbole, un cercle avec une croix à l’intérieur, représente une ampoule. Les fils du circuit sont représentés par des traits. Et pour que les schémas soient plus propres, nous allons presque toujours représenter des traits droits ou perpendiculaires. Enfin, le symbole de la pile est composé d’un trait long et d’un trait court légèrement écartés.

Le trait long représente la borne positive et le trait court la borne négative de la pile. Dans un schéma électrique, on ajoute aussi généralement la valeur de la f.é.m. des piles à côté de leurs symboles. Donc, si nous ajoutons une valeur de neuf volts pour cette pile, il peut s’agir de la pile qui fournit la f.é.m. à notre circuit initial Il faut noter cependant que l’orientation de la pile sur le dessin et l’orientation de la pile sur le schéma électrique sont inversées. Sur le dessin que nous avions au début, la borne positive est à droite. Et sur le schéma électrique, la borne positive est à gauche.

Mais, dans ce cas particulier, ça n’a pas d’importance car la pile est le seul composant du circuit possédant une borne positive et une borne négative. Mais, dans quelques instants, nous allons considérer plusieurs piles reliées entre eux et l’orientation des piles sera un point important. Disons que nous avons une nouvelle enceinte qui a besoin de 10 volts pour fonctionner. Mais nous n’avons pas de pile de 10 volts. Nous n’avons que deux piles de cinq volts. Il faut donc que nous trouvions un moyen d’utiliser ces deux piles pour faire fonctionner l’enceinte et pouvoir écouter nos morceaux préférés. Pour nous faire une idée, nous pouvons commencer par dessiner un circuit représentant une pile connectée à un seul composant comme, par exemple, un buzzer, qui est un autre objet qui génère des sons.

Nous savons que le courant dans ce circuit va circuler depuis la borne positive de la pile vers la borne négative. Alors, c’est un circuit plutôt simple car il n’y a qu’une seule pile. Et il n’y a qu’un seul chemin possible pour le courant entre la borne positive et la borne négative. Mais, dans des circuits plus compliqués, il est possible d’avoir plusieurs piles et plusieurs chemins possibles pour que le courant circule entre les bornes positives et négatives des piles.

Alors, comment savoir quelle est la valeur de la f.é.m. qui fait circuler le courant sur un chemin donné ? Pour cela, nous allons simplement partir d’un point du circuit et représenter le chemin suivi par le courant jusqu’à revenir au point de départ. Ensuite, pour déterminer la f.é.m. qui fait circuler le courant sur ce chemin, il faut vérifier quelles sont les sources de f.é.m. sur le chemin. Ici, nous n’avons qu’une seule pile. La f.é.m. qui fait circuler le courant du circuit est donc simplement la f.é.m. de cette pile. Mais rappelons-nous que pour faire circuler le courant dans ce circuit, nous avons besoin d’une f.é.m. plus grande que celle fournie par une seule pile. Redessinons alors le circuit avec deux piles et voyons ce qui se passe.

Ici, Nous avons connecté deux piles au buzzer, l’une à côté de l’autre. Maintenant, lorsque nous suivons le courant autour de ce circuit, nous voyons qu’il passe à travers deux piles avant de revenir à son point de départ. Il y a donc deux piles fournissant une f.é.m. pour faire circuler le courant dans le circuit. Comme ces piles sont situées sur le même chemin, l’une après l’autre, et plus précisément avec la borne positive de l’une située avant la borne négative de l’autre, on dit que ces piles sont montées en série.

Des piles en série font circuler le courant dans la même direction. Le courant résultant est donc plus fort que le courant produit par chaque pile individuellement avec sa propre f.é.m.. Par conséquent, les piles montées en série se comportent comme une unité plus grande, fournissant une f.é.m. plus grande que les piles prises individuellement. Cette f.é.m. résultante est simplement la somme des f.é.m. de chacune des piles. Avec ce montage, nous pouvons faire fonctionner notre enceinte. Nous avons besoin de 10 volts et nous avons deux piles de cinq volts chacune. Donc, si nous connectons ces piles en série, la f.é.m. résultante sera de cinq volts plus cinq volts, ce qui fait bien les 10 volts dont nous avons besoin. Notons, encore une fois, que nous avons fait très attention à connecter la borne positive d’une des piles à la borne négative de l’autre pile. Il faut que les piles soient orientées de la même manière pour garantir que leurs f.é.m. s’ajoutent et donnent la valeur attendue.

Jusqu’à maintenant, nous n’avons parlé que de deux piles montées en série. Mais en fait, nous pouvons connecter n’importe quel nombre de piles en série, les règles restent les mêmes. Sur cette figure, nous avons une pile de trois volts, une pile de cinq volts, une pile d’un volt et une pile de six volts. Si nous suivons le chemin le long du fil, nous voyons qu’il passe à travers chacune des quatre piles, l’une après l’autre. De plus, les piles sont toutes orientées de la même manière, avec la borne positive sur la droite et la borne négative sur la gauche.

Donc, puisque ces piles sont toutes situées sur le même chemin, les unes à la suite des autres, et orientées de la même manière, il s’agit donc de quatre piles en série. Et la f.é.m. totale de ces quatre piles est simplement la somme des valeurs des f.é.m. de chacune des piles, trois volts plus cinq volts plus un volt plus six volts. Trois plus cinq font huit, huit plus un font neuf et neuf plus six font 15. La valeur totale de la f.é.m. de ce montage de quatre piles en série est donc de 15 volts.

En fait, il existe un nom pour désigner des piles montées en série. Plusieurs piles montées en série peuvent être appelés batterie. En fait, les batteries que nous utilisons dans nos appareils électroniques courants sont appelées batteries, car elles sont composées de plusieurs piles. En fait, les batteries jouent exactement le même rôle que les piles dans les circuits électroniques. Les piles et les batteries sont des sources de f.é.m.. Lorsqu’une batterie idéale est connectée à un circuit, elle se comporte exactement comme une pile unique avec la même f.é.m. que celle de la batterie. C’est-à-dire que le fonctionnement d’un circuit connecté à cette batterie de 15 volts sera exactement le même que si le circuit était connecté à une pile de 15 volts.

En fait, la raison principale pour laquelle on utilise des batteries et non des piles individuelles est liée à la chimie utilisée pour produire la f.é.m. dans une seule pile. Il existe plusieurs réactions chimiques différentes permettant de produire des f.é.m. dans les piles. Mais chaque réaction chimique ne produit qu’une seule valeur de f.é.m., qui est la même pour toutes les piles basées sur ce type de réaction. Il n’est donc pas possible de créer de piles individuelles avec n’importe quelle valeur de f.é.m.. Mais ce que nous pouvons faire, c’est connecter ces piles individuelles en série pour créer une batterie avec la f.é.m. dont nous avons besoin. Maintenant que nous avons vu quelques notions sur les piles en série, regardons quelques exemples.

Lequel des schémas suivants représente trois piles montées en série ?

Rappelons que « en série » signifie que les piles sont connectées les unes après les autres. Donc, si nous traçons un chemin le long d’un circuit qui contient trois piles montées en série, nous allons trouver trois piles sur ce chemin. Alors, ces schémas ne représentent pas des circuits complets, mais seulement des parties de circuits. Mais cela n’a pas d’importance. Le principe est le même. Nous allons tracer un chemin entre les deux extrémités de ces parties de circuit. Sur le schéma de droite, il y a trois chemins possibles pour aller de la gauche vers la droite du circuit. Un chemin passe par la branche du haut avant d’atteindre l’extrémité de droite. Un autre chemin passe par la branche du milieu. Et le dernier chemin passe par la branche du bas avant d’atteindre l’extrémité de droite.

Nous pouvons voir qu’il y a exactement une pile sur chacun des trois chemins possibles. Comme il n’y a qu’une seule pile sur chaque chemin, nous savons que ce schéma ne représente pas trois piles montées en série. Parce que si ces trois piles étaient en série, elles seraient situées sur le même chemin. Sur le schéma de gauche, il n’y a qu’un seul chemin possible et ce chemin traverse les trois piles. Et trois piles situées sur un même chemin, c’est ce qu’il nous faut pour avoir trois piles montées en série. Le schéma représentant trois piles montées en série est donc le schéma de gauche. Plusieurs piles montées en série sont parfois appelés batterie.

Dans notre exemple suivant, nous allons identifier le symbole électrique associé à une batterie.

Lequel des symboles suivants est le symbole correspondant à une batterie ?

Rappelons qu’une batterie est composée de plusieurs piles connectées en série. Parmi les symboles proposés, celui situé tout à droite représente une seule pile. Cette pile unique n’est pas une batterie car une batterie, par définition, est composée de plusieurs piles. Mais nous pouvons nous attendre à ce que le symbole représentant une batterie soit similaire au symbole représentant une seule pile. Parmi les trois autres symboles, le deuxième sur la droite représente deux piles reliées par une ligne en pointillés. Cette ligne en pointillés représente le fait qu’il puisse y avoir d’autres piles connectées entre ces deux piles.

Mais dans tous les cas, toutes les piles représentées sur ce symbole sont connectées les unes après les autres. C’est-à-dire qu’elles sont montées en série. Et en effet, il s’agit bien du symbole représentant une batterie, des piles montées en série. Il est intéressant de mentionner aussi le nom des deux autres symboles que nous avons ici. À gauche de la batterie nous avons une résistance et tout à gauche, une ampoule. C’est utile de savoir que ces symboles sont associés à une résistance et à une ampoule et ici cela nous permet de les éliminer rapidement des réponses possibles.

Après ces deux exemples où nous avons identifié des piles montées en série, essayons maintenant de déterminer la f.é.m. totale d’un montage comprenant trois piles en série.

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

Tout d’abord, rappelons-nous que la f.é.m. est un autre nom pour indiquer la différence de potentiel. C’est une grandeur donnée en volts, c’est plus précisément la tension indiquée pour chaque pile. La f.é.m. fournie par la première pile est donc de trois volts, celle fournie par la deuxième pile de six volts et celle fournie par la troisième pile de deux volts. Alors, nous devons déterminer une f.é.m. totale et il s’agit de la f.é.m. totale délivrée par des piles montées en série. Nous pouvons faire cela en nous rappelant que pour déterminer la f.é.m. totale fournie par un montage en série de piles, il faut simplement additionner les f.é.m. de chacune des piles. La f.é.m. totale indiquée sur le schéma est donc de trois volts plus six volts plus deux volts.

Rappelons-nous que lorsque nous ajoutons des quantités de même unité, il faut ajouter les nombres et conserver l’unité. Donc, trois volts plus six volts, trois plus six, ce qui fait neuf volts. Et de même, neuf volts plus deux volts, l’unité sera en volts. Et neuf plus deux font 11. Le montage en série des piles représentées sur le schéma fournit donc une f.é.m. totale de 11 volts.

Maintenant que nous avons étudié plusieurs exemples, résumons ce que nous avons appris dans cette leçon.

Dans cette leçon, nous avons vu que lorsque des piles sont connectées les unes après les autres dans un circuit et qu’elles ont toutes la même orientation, alors on dit que ces piles sont montées en série. Nous avons également vu que plusieurs piles montées en série peuvent aussi être appelées une batterie. Il s’agit du même terme que pour les batteries que nous utilisons couramment pour nos appareils électroniques, car ces batteries sont en fait composées de plusieurs piles connectées en série. Enfin, nous avons dessiné des schémas représentant des piles montées en série et nous avons vu que la f.é.m. totale, ou la force électromotrice totale, des piles montées en série est égale à la somme des f.é.m. fournies par chacune des piles.

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