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U4 · chapitre 1 Chapitre offert

Les bases de l'électricité

Ce que tu sauras faire : Nommer et mesurer sur le papier les grandeurs électriques (courant, tension, résistance, puissance, énergie), appliquer la loi d'Ohm et les lois de Kirchhoff à un circuit en courant continu, calculer une association de résistances et présenter un résultat de mesure avec son incertitude.

2 h 30 de cours 10 exercices corrigés 10 questions de quiz

1. Pourquoi ces bases comptent

Tout le métier d’électrotechnicien repose sur cinq grandeurs : le courant, la tension, la résistance, la puissance et l’énergie. Ce chapitre les présente une par une, avec leurs unités et des ordres de grandeur concrets, puis les lois qui les relient. Il se limite au courant continu, le plus simple ; le courant alternatif arrive au chapitre suivant.

AInès et l’armoire de la ligne 3

Inès Morand est en 2e année de BTS Électrotechnique. Elle fait son stage au bureau d’études de Calvérac Électricité, une entreprise d’électricité industrielle et tertiaire installée au Mans. Sa tutrice, Sandrine Peltier, est chargée d’affaires. Le responsable du bureau d’études, Antoine Rivaud, lui confie une première mission sur le projet de la ligne 3 des Papeteries Ternevault, une usine de carton ondulé à Sablé-sur-Sarthe.

La ligne 3 comprendra des convoyeurs, un palettiseur et une armoire électrique (repérée ARM-L3) qui contient l’automate (automate programmable : le petit ordinateur industriel qui commande la ligne), les relais (des interrupteurs commandés par une bobine) et une alimentation 24 V en courant continu. Antoine demande à Inès une note de calcul de cette alimentation :

  • « Combien de courant consomment tous les appareils alimentés en 24 V ? »
  • « Quelle tension restera-t-il au bout d’un câble de plusieurs dizaines de mètres ? »
  • « Combien d’énergie cette armoire consomme-t-elle en un an, et combien cela coûte-t-il ? »

Pour répondre, Inès doit manier sans erreur les grandeurs électriques, leurs unités et quelques lois. Ce chapitre suit sa démarche. Bilal Ouazzani, apprenti de 2e année dans l’équipe chantier et maintenance, apparaît aussi : il prépare et lit des relevés de mesure.

Définition

Courant continu

Un courant continu garde toujours le même sens et, en régime établi, la même valeur. C’est le courant fourni par une pile, une batterie ou une alimentation « 24 V continu ». On le note DC (de l’anglais direct current) ou par le symbole « = ». Le courant alternatif (AC, symbole « ~ ») change de sens 100 fois par seconde sur le réseau français (fréquence de 50 Hz, soit 50 allers-retours par seconde) : c’est le sujet du chapitre U4-02.

BCe que tu vas apprendre

À la fin du chapitre, tu sauras :

  • nommer chaque grandeur avec son symbole, son unité et un ordre de grandeur ;
  • flécher un courant et une tension sur un schéma, avec les bonnes conventions ;
  • appliquer la loi d’Ohm, calculer une puissance et une énergie ;
  • appliquer la loi des nœuds et la loi des mailles ;
  • calculer une résistance équivalente en série et en parallèle ;
  • modéliser un générateur réel et calculer une chute de tension dans un câble ;
  • lire un relevé de mesure, l’écrire avec son incertitude et le comparer à une valeur attendue.

Ce que l’épreuve E4 attend. L’E4 est un écrit de 4 heures corrigé par un professeur de physique-chimie et un professeur de sciences et techniques industrielles. On y attend des calculs justes, posés, avec les unités, et une démarche scientifique : comprendre la situation, choisir un modèle, calculer, puis vérifier que le résultat est vraisemblable. Ce chapitre t’entraîne à ces quatre gestes.

CUne règle avant tout : la sécurité

L’électricité peut blesser ou tuer, même sous une tension qui paraît faible, et un court-circuit peut provoquer un arc électrique très violent. Dans ce chapitre, toutes les mesures et toutes les interventions sur une installation sont décrites comme faites par une personne habilitée par son employeur pour cette opération, avec du matériel adapté. Toi, tu comprends, tu prépares, tu calcules et tu analyses des relevés.

Piège

Ce chapitre n'est pas un mode d'emploi

Les schémas de mesure de ce chapitre montrent un principe, pas une manipulation à reproduire. Ne fais aucune mesure sur une installation sans y avoir été formé et habilité. Les risques et les règles de prévention sont expliqués au chapitre U6-01 « Prévenir le risque électrique », l’habilitation au chapitre U6-02 « Comprendre l’habilitation électrique ».

2. Le courant électrique

Le courant électrique est un déplacement de charges électriques. On mesure son intensité en ampères. C’est la première grandeur que l’on calcule pour choisir un câble, une protection ou une alimentation.

ADes charges qui se déplacent

À quoi ça sert : savoir ce qu’est un courant permet de comprendre pourquoi il faut un circuit fermé et pourquoi le courant est le même tout le long d’un fil.

La matière contient des charges électriques. Dans un métal comme le cuivre, certains électrons (des particules de charge négative) peuvent se déplacer librement. Quand on relie les deux bornes d’une batterie par un fil, ces électrons se mettent en mouvement tous ensemble : c’est le courant électrique.

Définition

Charge électrique

La charge électrique, notée Q, se mesure en coulombs (symbole C). La plus petite charge libre est celle d’un électron, appelée charge élémentaire e. Depuis la révision du Système international d’unités (SI) entrée en vigueur en 2019, sa valeur est fixée exactement : e = 1,602 176 634 × 10−19 C.

Un courant ne circule que dans une boucle fermée : de la source, à travers les appareils, et retour à la source. Si on ouvre la boucle (un interrupteur ouvert, un fil coupé, un fusible fondu), le courant s’arrête partout dans la boucle.

BL’intensité du courant

Définition

Intensité du courant

L’intensité d’un courant, notée I, est la quantité de charge qui traverse une section du conducteur par seconde. Elle se mesure en ampères (symbole A), unité de base du SI. En courant continu : I = Q / t, avec Q en coulombs et t en secondes.

Dans le langage courant, on dit « le courant » pour « l’intensité du courant ». Un courant de 1 A correspond au passage d’environ 6,24 × 1018 électrons par seconde (1 divisé par 1,602 176 634 × 10−19). Ce nombre énorme explique pourquoi on raisonne en coulombs et en ampères, jamais en électrons.

Exemple — La charge d’une batterie de 9 Ah. L’ASI de la supervision de la ligne 3 (alimentation sans interruption : un appareil qui prend le relais en cas de coupure du réseau) contient des batteries de 9 Ah (ampères-heures). Cette unité pratique est une charge : 1 Ah = 1 A pendant 1 h.

  1. Conversion de la durée : 1 h = 3 600 s.
  2. Charge de 1 Ah : Q = I × t = 1 A × 3 600 s = 3 600 C.
  3. Charge de 9 Ah : Q = 9 A × 3 600 s = 32 400 C.

Ordre de grandeur : une batterie de 9 Ah peut fournir environ 1 A pendant 9 h, ou 3 A pendant 3 h, en première approximation.

CLe sens conventionnel du courant

Les électrons, de charge négative, se déplacent de la borne − vers la borne + à l’extérieur de la source. Mais, pour des raisons historiques, on a choisi un sens conventionnel inverse : à l’extérieur d’une source, le courant va de la borne + vers la borne −. Tous les schémas et tous les calculs utilisent ce sens conventionnel.

Sur un schéma, on représente le courant par une flèche posée sur le fil. Dans un circuit à une seule source continue, le courant sort par la borne + de la source, traverse les récepteurs et rentre par la borne −.

Un circuit élémentaire en courant continu
Un circuit élémentaire en courant continu + − G1 24 V F1 R1 480 Ω A B I = 50 mA I U = 24 V UAB = 24 V courant (sens conventionnel) tension (la pointe montre la borne du premier indice)
La batterie G1 de 24 V alimente, à travers le fusible F1, une bobine de relais modélisée par la résistance R1 de 480 Ω. Le courant de 50 mA sort par la borne + et revient par la borne −.

Ce schéma utilise des symboles normalisés (série de normes CEI 60617) : la batterie est un trait long (borne +) et un trait court épais (borne −) ; la résistance est un rectangle ; le fusible est un rectangle traversé par un trait. Chaque appareil porte un repère (G1, F1, R1) qui permet de le retrouver sur l’armoire et dans les documents.

Un appareil de protection en tête. Remarque la place du fusible F1 : juste après la source, en tête du circuit. En cas de court-circuit, c’est lui qui coupe. Sur tous les schémas d’installation, chaque circuit commence par un appareil de protection. Le choix des protections est traité au chapitre U4-12.

DLes ordres de grandeur du courant

Un électrotechnicien doit savoir si un résultat est vraisemblable. Le tableau ci-dessous donne des repères, tirés des installations de Calvérac et de ses clients.

Quelques intensités de courant (ordres de grandeur)
Situation Intensité Écriture en A
Un détecteur de position sur un convoyeur 30 mA 0,030 A
La bobine d’un relais 24 V 50 mA 0,050 A
L’automate et ses modules de la ligne 3 1,5 A 1,5 A
Une prise de courant domestique de 16 A (courant assigné) 16 A 16 A
Le moteur de 132 kW de l’onduleuse de Ternevault (400 V) ≈ 232 A 232 A
Le secondaire du transformateur de 1 000 kVA (kilovoltampères, unité vue en U4-03) de Ternevault ≈ 1 408 A 1 408 A
Un court-circuit aux bornes de ce transformateur jusqu’à ≈ 23,5 kA 23 500 A
À retenir

Les préfixes à connaître

  • m (milli) = 10−3 : 50 mA = 0,050 A.
  • µ (micro) = 10−6 : 20 µA = 0,000 020 A.
  • k (kilo) = 103 : 23,5 kA = 23 500 A.
  • M (méga) = 106 ; G (giga) = 109.
Piège

Les erreurs de conversion

L’erreur la plus fréquente à l’écrit est un préfixe oublié : 50 mA écrit « 50 A » dans un calcul donne un résultat mille fois trop grand. Convertis toujours en unités de base (A, V, Ω, W) avant de calculer, puis compare le résultat au tableau d’ordres de grandeur.

3. La tension électrique

La tension est la « poussée » qui fait circuler le courant. Elle se mesure en volts, toujours entre deux points. Bien flécher une tension sur un schéma évite la moitié des erreurs de signe.

AUne différence entre deux points

À quoi ça sert : la tension disponible aux bornes d’un appareil décide s’il fonctionne correctement. Un automate prévu pour 24 V peut s’arrêter si on ne lui fournit que 19 V.

Une image aide à comprendre. Dans un circuit d’eau, une pompe crée une différence de pression qui fait circuler l’eau dans les tuyaux. Dans un circuit électrique, la source crée une différence de potentiel électrique entre ses bornes, qui fait circuler le courant dans les fils. Cette image a des limites, mais elle suffit pour débuter.

Définition

Tension électrique

La tension entre deux points A et B, notée UAB, est la différence de leurs potentiels électriques : UAB = VA − VB. Elle se mesure en volts (symbole V). Le volt est une unité dérivée du SI : 1 V = 1 W / 1 A (un watt par ampère).

Le potentiel d’un point est une sorte d’« altitude électrique ». Il n’a de sens que par rapport à un point de référence, souvent appelé 0 V ou masse sur les schémas d’automatisme. Ce qui compte en pratique, ce n’est jamais un potentiel seul, mais la tension entre deux points.

Conséquence : UBA = VB − VA = − UAB. Inverser l’ordre des lettres change le signe.

BFlécher une tension

En France, on représente une tension par une flèche à côté du dipôle. Pour UAB, la flèche est dirigée vers le point A (le premier indice). Un dipôle est un composant à deux bornes : une résistance, une batterie, une lampe, une bobine de relais.

Méthode

Flécher un courant et une tension

  1. Repère les deux bornes du dipôle (A et B).
  2. Dessine la flèche du courant sur le fil, dans le sens où il circule (de + vers − à l’extérieur de la source).
  3. Dessine la flèche de la tension à côté du dipôle, pointée vers le point dont le nom vient en premier (A pour UAB).
  4. Vérifie la convention : récepteur, flèches opposées ; générateur, flèches de même sens.

CRécepteur ou générateur

Un récepteur reçoit de l’énergie électrique et la transforme (en chaleur, en mouvement, en lumière). Un générateur fournit de l’énergie électrique (batterie, alimentation). On choisit le fléchage selon le rôle du dipôle.

Convention récepteur et convention générateur
Convention récepteur Convention générateur A B I UAB I et U de sens opposés P = U × I : puissance reçue + − N P I UPN I et U de même sens P = U × I : puissance fournie courant (sens conventionnel) tension (la pointe montre la borne du premier indice)
Pour un récepteur, la flèche du courant et celle de la tension sont de sens opposés ; pour un générateur, elles sont de même sens. Avec ces conventions, U et I sont positifs et le produit U × I est la puissance reçue (récepteur) ou fournie (générateur).
Définition

Les deux conventions

  • Convention récepteur : la flèche de tension est de sens opposé à la flèche du courant. Le courant entre dans le dipôle par la borne de plus haut potentiel.
  • Convention générateur : la flèche de tension est de même sens que la flèche du courant à travers le dipôle. Le courant sort du générateur par sa borne +.

Exemple — Le circuit de la bobine de relais. Sur le schéma du circuit élémentaire, le courant entre dans R1 par le haut (point A) et sort par le bas (point B). En convention récepteur, la flèche de UAB pointe vers A, donc vers le haut, et la flèche du courant dans R1 descend : elles sont bien opposées. Pour la batterie G1, le courant la traverse de la borne − vers la borne + et la flèche de tension pointe vers la borne + : même sens, convention générateur.

Piège

Une tension négative n'est pas une erreur

Si tu flèches une tension « à l’envers », le calcul donne simplement une valeur négative. Par exemple, UBA = −24 V signifie que A est 24 V au-dessus de B. Garde tes flèches du début à la fin du calcul et interprète le signe à la fin, au lieu de corriger au hasard.

DLes ordres de grandeur de la tension

Quelques tensions rencontrées dans le métier
Source ou réseau Tension Type
Une pile bâton 1,5 V continu
Une batterie au plomb « 12 V » 12 V (valeur nominale) continu
Les circuits de commande et les automates 24 V continu le plus souvent
Une prise de courant en France 230 V alternatif
Le réseau industriel triphasé de Ternevault 400 V entre phases alternatif
Le raccordement de l’usine Ternevault (HTA, haute tension A) 20 kV = 20 000 V alternatif

La réglementation classe les installations en domaines de tension (très basse tension, basse tension, haute tension), qui fixent les règles de prévention et d’habilitation. Ces domaines sont présentés au chapitre U6-01. Retiens dès maintenant qu’une tension « basse » n’est pas une tension « sans danger » : un courant de court-circuit élevé peut circuler même sous 24 V.

4. La résistance et la loi d’Ohm

La résistance mesure la difficulté qu’a le courant à traverser un matériau. La loi d’Ohm relie tension, courant et résistance : c’est la loi la plus utilisée du métier, pour une bobine de relais comme pour un câble de 35 m.

ACe qu’est une résistance

À quoi ça sert : connaître la résistance d’un appareil ou d’un câble permet de prévoir le courant qui le traverse et la tension qu’il « consomme ».

Quand le courant traverse un matériau, les charges en mouvement se heurtent aux atomes. Le matériau s’oppose plus ou moins au passage du courant : c’est sa résistance. Ces chocs produisent de la chaleur, c’est l’effet Joule (partie 5).

Définition

Résistance électrique

La résistance, notée R, se mesure en ohms (symbole Ω, la lettre grecque oméga). Le mot « résistance » désigne aussi le composant qui présente cette propriété. Son inverse est la conductance G = 1 / R, en siemens (S).

Quelques résistances (ordres de grandeur)
Élément Résistance
Un conducteur en cuivre de 1,5 mm² et de 25 m ≈ 0,29 Ω
Une résistance chauffante 24 V de 50 W ≈ 11,5 Ω
La bobine d’un relais 24 V ≈ 480 Ω
Une résistance d’un pont diviseur de mesure 10 kΩ à 15 kΩ
L’isolant d’un câble en bon état au moins plusieurs MΩ (millions d’ohms)

BLa loi d’Ohm

Définition

Loi d'Ohm

Pour un conducteur ohmique fléché en convention récepteur, la tension à ses bornes est proportionnelle au courant qui le traverse : U = R × I, avec U en volts, R en ohms et I en ampères. On en déduit I = U / R et R = U / I.

Un conducteur ohmique est un dipôle dont la résistance reste constante quand le courant varie (à température constante). Les fils de cuivre, les résistances de chauffage et, en première approximation, une bobine de relais en courant continu se comportent ainsi.

Exemple

Le courant dans la bobine d'un relais

Les relais d’interface de l’armoire ARM-L3 ont une bobine de 480 Ω alimentée en 24 V continu.

Données : U = 24 V ; R = 480 Ω. Formule : I = U / R. Calcul : I = 24 V / 480 Ω = 0,05 A. Résultat : I = 0,050 A = 50 mA. Vérification : 50 mA correspond bien à l’ordre de grandeur d’une bobine de relais du tableau de la partie 2.

CLa caractéristique d’un dipôle

La caractéristique d’un dipôle est la courbe qui donne la tension U en fonction du courant I (ou l’inverse). Pour un conducteur ohmique, c’est une droite qui passe par l’origine : si le courant double, la tension double.

La caractéristique d'un conducteur ohmique
Caractéristique U = f(I) d'un conducteur ohmique (R = 480 Ω) I (mA) U (V) 0 10 20 30 40 50 0 4 8 12 16 20 24 50 mA ; 24 V 25 mA ; 12 V 10 mA ; 4,8 V pente = U / I = 24 V / 0,050 A = 480 Ω : c'est la résistance R
Pour la bobine de 480 Ω, les points (10 mA ; 4,8 V), (25 mA ; 12 V) et (50 mA ; 24 V) sont alignés avec l'origine. La pente de la droite, U / I, est égale à la résistance.

Méthode — Vérifier qu’un dipôle est ohmique à partir de relevés.

  1. Calcule le rapport U / I pour chaque relevé, en convertissant I en ampères.
  2. Si les rapports sont égaux (aux incertitudes près), le dipôle est ohmique et ce rapport est sa résistance.
  3. Sinon, le modèle « U = R × I » ne s’applique pas sur ce domaine : il faut un autre modèle (c’est le cas d’une lampe à incandescence, dont la résistance augmente quand le filament chauffe).

C’est une première démarche scientifique : on propose un modèle (la loi d’Ohm), puis on vérifie qu’il décrit bien les mesures. Un modèle n’est jamais « vrai » partout : il est valide sur un domaine (ici, à température à peu près constante).

DLa résistance d’un conducteur

À quoi ça sert : un câble n’est pas parfait. Sa résistance provoque une chute de tension et des pertes. Il faut savoir la calculer pour choisir la section du câble.

La résistance d’un fil augmente avec sa longueur et diminue quand sa section (l’aire du disque de cuivre) augmente. Elle dépend aussi du matériau, par sa résistivité.

Définition

Résistance d'un conducteur et résistivité

R = ρ × L / S, avec R en ohms, ρ (lettre grecque rhô) la résistivité du matériau en Ω·mm²/m, L la longueur en mètres et S la section en mm². Pour le cuivre à 20 °C, ρ ≈ 0,0172 Ω·mm²/m, soit environ 1,72 × 10−8 Ω·m dans les unités du SI.

Ce qui fixe la résistance d'un conducteur
Ce qui fixe la résistance d'un conducteur S cuivre : ρ ≈ 0,0172 Ω·mm²/m à 20 °C longueur L (m) section S (mm²) R = ρ × L / S (R en Ω, L en m, S en mm²)
La résistance augmente avec la longueur L, diminue quand la section S augmente et dépend du matériau par sa résistivité ρ.
Exemple

Le câble vers la boîte du convoyeur C1

La boîte de jonction BJ-C1 du premier convoyeur de la ligne 3 est à 25 m de l’armoire. Inès calcule la résistance d’un conducteur en cuivre de 1,5 mm², puis de 2,5 mm².

Données : ρ = 0,0172 Ω·mm²/m ; L = 25 m ; S = 1,5 mm² puis 2,5 mm². Formule : R = ρ × L / S. Calcul en 1,5 mm² : R = 0,0172 × 25 / 1,5 = 0,430 / 1,5 ≈ 0,287 Ω. Calcul en 2,5 mm² : R = 0,0172 × 25 / 2,5 = 0,430 / 2,5 = 0,172 Ω. Interprétation : la section est 2,5 / 1,5 ≈ 1,67 fois plus grande, la résistance est 1,67 fois plus petite. Ces valeurs de quelques dixièmes d’ohm sont normales pour un conducteur de quelques dizaines de mètres.

Piège

L'aller et le retour

En courant continu, le courant fait l’aller par un conducteur et le retour par un autre. La résistance de la boucle est donc celle de 2 × L de conducteur. Oublier le retour divise par deux la chute de tension calculée : c’est une erreur classique.

EL’effet de la température

La résistance d’un métal augmente avec la température. Pour le cuivre, elle augmente d’environ 0,4 % par degré Celsius autour de 20 °C. Un conducteur qui passe de 20 °C à 70 °C voit sa résistance multipliée par environ 1 + 0,00393 × 50 ≈ 1,20 : le conducteur de 0,287 Ω monte à environ 0,343 Ω.

C’est une limite du modèle : la valeur de ρ « à 20 °C » ne convient que si le câble reste à peu près à cette température. Les méthodes de dimensionnement des câbles en tiennent compte (chapitre U4-12).

5. La puissance et l’énergie

La puissance dit à quelle vitesse un appareil consomme ou fournit de l’énergie ; l’énergie dit combien il en a consommé au total. C’est l’énergie que l’on paie sur une facture, c’est la puissance qui fixe la taille des équipements.

ALa puissance électrique

À quoi ça sert : la puissance permet de choisir une alimentation, d’estimer l’échauffement d’un appareil et de faire un bilan de puissance.

Définition

Puissance électrique en courant continu

La puissance reçue par un récepteur (ou fournie par un générateur), notée P, vaut P = U × I, avec P en watts (symbole W), U en volts et I en ampères. Un watt correspond à un joule d’énergie par seconde : 1 W = 1 J/s.

Pour une résistance, on peut combiner P = U × I et U = R × I :

  • P = R × I² (pratique quand on connaît le courant, par exemple dans un câble) ;
  • P = U² / R (pratique quand on connaît la tension, par exemple pour une résistance chauffante).

Exemple — Deux puissances de l’armoire ARM-L3. Une bobine de relais : U = 24 V ; I = 0,050 A. P = U × I = 24 V × 0,050 A = 1,2 W. Contrôle avec P = U² / R = 24² / 480 = 576 / 480 = 1,2 W.

L’alimentation 24 V de 10 A : la puissance maximale qu’elle peut fournir est P = 24 V × 10 A = 240 W.

Quelques puissances (ordres de grandeur)
Appareil Puissance
Une bobine de relais 24 V 1,2 W
Une colonne lumineuse de signalisation 24 V 2,4 W
Un luminaire LED d’atelier de Ternevault 150 W
Une borne de recharge triphasée de Ternevault 22 kW
Le moteur de l’onduleuse de Ternevault 132 kW

BL’effet Joule

Toute résistance parcourue par un courant chauffe. Cette puissance transformée en chaleur, P = R × I², est parfois voulue (radiateur, résistance anti-condensation d’une armoire) et parfois une perte (câble, contacts).

Exemple — Les pertes dans le câble du convoyeur C1. La boîte BJ-C1 consomme 1,2 A. Le câble aller-retour en 1,5 mm² a une résistance de boucle R = 2 × 0,287 ≈ 0,573 Ω (valeur non arrondie : 0,5733 Ω).

Calcul : P = R × I² = 0,5733 Ω × (1,2 A)² = 0,5733 × 1,44 ≈ 0,83 W. Interprétation : moins de 1 W perdu en chaleur, c’est faible. Mais la perte croît avec le carré du courant : avec un courant dix fois plus grand, elle serait cent fois plus grande.

Piège

Le carré du courant

Dans P = R × I², c’est I qui est au carré, pas R. Doubler le courant quadruple les pertes. C’est pour cela qu’on transporte l’énergie sous haute tension : à puissance égale, le courant est plus faible et les pertes dans les lignes aussi.

CL’énergie électrique

Définition

Énergie électrique

L’énergie, notée E (ou W dans certains documents), consommée par un appareil de puissance constante pendant une durée t vaut E = P × t. Dans le SI, E est en joules (J), P en watts et t en secondes. En électricité, on utilise surtout le kilowattheure (kWh) : P en kW et t en heures. 1 kWh = 1 000 W × 3 600 s = 3 600 000 J = 3,6 MJ.

Exemple — L’énergie stockée dans les batteries de l’ASI. L’ASI de la supervision utilise deux batteries de 12 V et 9 Ah montées en série (partie 7), soit 24 V et 9 Ah.

  1. Énergie en wattheures : E = U × Q = 24 V × 9 Ah = 216 Wh.
  2. En kilowattheures : 216 Wh = 0,216 kWh.
  3. En joules : 216 Wh × 3 600 s/h = 777 600 J (environ 0,78 MJ).

Ordre de grandeur : de quoi alimenter un appareil de 100 W pendant un peu plus de deux heures, en théorie. En pratique, une batterie ne se décharge pas entièrement et son énergie utile est plus faible.

Exemple

Le relamping de l'atelier de Ternevault

Ternevault remplace 140 luminaires de 400 W par 140 luminaires LED de 150 W. L’éclairage fonctionne 5 200 h par an. Le prix d’achat de l’électricité retenu pour l’exemple est fictif : 0,16 € HT par kWh.

  1. Puissance économisée par luminaire : 400 W − 150 W = 250 W.
  2. Pour 140 luminaires : 140 × 250 W = 35 000 W = 35 kW.
  3. Énergie économisée par an : E = P × t = 35 kW × 5 200 h = 182 000 kWh.
  4. Économie : 182 000 kWh × 0,16 €/kWh = 29 120 € HT par an.

Vérification : 182 000 kWh, c’est environ 7 % des 2 600 MWh consommés par le site en 2025. C’est vraisemblable pour l’éclairage d’un grand atelier.

L’éclairage fonctionne en courant alternatif ; mais la relation E = P × t s’applique à toute puissance constante, quel que soit le type de courant. Les puissances en alternatif sont étudiées au chapitre U4-03.

DLe rendement

Un appareil qui convertit l’énergie en perd toujours une partie, le plus souvent en chaleur. Le rendement mesure la part utile.

Définition

Rendement

Le rendement, noté η (lettre grecque êta), est le rapport entre la puissance utile fournie et la puissance absorbée : η = Pu / Pa. Il est sans unité, toujours inférieur à 1 (ou à 100 %). Les pertes valent Pa − Pu.

Exemple — Le rendement de l’alimentation 24 V. La notice de l’alimentation indique un rendement de 92 % à pleine charge. À pleine charge, elle fournit Pu = 240 W.

  1. Puissance absorbée : Pa = Pu / η = 240 W / 0,92 ≈ 260,9 W.
  2. Pertes : 260,9 W − 240 W ≈ 20,9 W, dissipés en chaleur dans l’armoire.

Interprétation : ces 21 W chauffent l’armoire. Le bureau d’études en tient compte dans le bilan thermique de l’armoire.

Piège

Le rendement se divise

Pour trouver la puissance absorbée, on divise la puissance utile par le rendement (Pa = Pu / η). Multiplier donnerait une puissance absorbée plus petite que la puissance utile, ce qui est impossible. Vérifie toujours que Pa > Pu.

6. Les lois de Kirchhoff

Dès qu’un circuit a plusieurs branches, la loi d’Ohm ne suffit plus. Les deux lois de Kirchhoff permettent de calculer tous les courants et toutes les tensions d’un réseau : la loi des nœuds pour les courants, la loi des mailles pour les tensions.

ANœud, branche et maille

À quoi ça sert : ce vocabulaire permet de décrire n’importe quel schéma et d’appliquer les lois sans rien oublier.

Définition

Nœud, branche, maille

  • Un nœud est un point du circuit où se rejoignent au moins trois conducteurs (un point noir sur les schémas).
  • Une branche est une portion de circuit entre deux nœuds consécutifs ; le même courant la parcourt d’un bout à l’autre.
  • Une maille est une boucle fermée de branches, que l’on parcourt en revenant au point de départ.

BLa loi des nœuds

Définition

Loi des nœuds

En un nœud, la somme des courants qui arrivent est égale à la somme des courants qui repartent. Rien ne s’accumule et rien ne se perd.

Loi des nœuds au bornier 24 V
Loi des nœuds : ce qui arrive en N repart en N ~ G1 alimentation 230 V ~ / 24 V = + − F1 N E1 automate I₁ = 1,50 A E4 colonnes I₂ = 0,20 A E3 relais I₃ = 0,40 A I = 2,10 A 0 V +24 V 2,10 = 1,50 + 0,20 + 0,40 (A)
Le courant de 2,10 A qui arrive au nœud N se partage entre l'automate E1 (1,50 A), les colonnes lumineuses E4 (0,20 A) et les relais E3 (0,40 A), repérés comme dans l'armoire ARM-L3. Le fusible F1 protège le départ en tête (dans le dossier de la ligne 3, son repère complet est =L3+ARM-L3-F1, U7-05). Le même courant total revient à l'alimentation par la ligne 0 V.

Exemple — Le courant fourni par l’alimentation. Au bornier 24 V (la rangée de bornes où l’on raccorde les fils) d’une partie de l’armoire, Inès additionne les courants des départs : automate I1 = 1,50 A ; deux colonnes lumineuses I2 = 0,20 A ; huit relais I3 = 0,40 A.

Loi des nœuds au nœud N : I = I1 + I2 + I3 = 1,50 A + 0,20 A + 0,40 A = 2,10 A.

L’alimentation doit donc fournir au moins 2,10 A à ces départs.

Une conséquence utile. Dans une branche sans nœud, le courant est le même partout : il ne « s’use » pas en traversant les appareils. Ce qui diminue le long du circuit, c’est le potentiel, pas le courant.

CLa loi des mailles

Définition

Loi des mailles

Quand on parcourt une maille en revenant au point de départ, la somme algébrique des tensions est nulle. On compte une tension positive si sa flèche est dans le sens de parcours, négative sinon.

Autrement dit, dans un circuit simple : la tension fournie par la source est égale à la somme des tensions aux bornes des récepteurs. C’est logique : on revient à la même « altitude électrique » après un tour complet.

Loi des mailles sur la liaison vers la boîte BJ-C1
Loi des mailles : la somme des tensions sur une boucle est nulle ~ G1 + − F1 câble aller 0,287 Ω BJ-C1 charge câble retour 0,287 Ω I = 1,2 A U = 24,0 V 0,344 V U 23,312 V 0,344 V sens de parcours 24,0 − 0,344 − 23,312 − 0,344 = 0 (V)
Parcourue dans le sens horaire, la maille donne 24,0 − 0,344 − 23,312 − 0,344 = 0 : la tension de l'alimentation se répartit entre le câble aller, la charge et le câble retour ; la chute de tension dans le fusible F1 est négligeable.
Méthode

Appliquer la loi des mailles

  1. Flèche toutes les tensions (convention récepteur pour les récepteurs, générateur pour les sources).
  2. Choisis un sens de parcours de la maille (par exemple le sens horaire).
  3. Écris la somme : + U si la flèche va dans le sens de parcours, − U sinon ; égale-la à zéro.
  4. Remplace les tensions connues, en utilisant U = R × I pour les résistances, et résous.
  5. Vérifie le signe et l’ordre de grandeur du résultat.
Exemple

La tension disponible à la boîte BJ-C1

Données : alimentation UG = 24,0 V ; câble 1,5 mm² de 25 m, soit 0,2867 Ω par conducteur ; courant I = 1,2 A.

  1. Chute de tension dans le câble aller : Ua = R × I = 0,2867 Ω × 1,2 A ≈ 0,344 V.
  2. Chute de tension dans le câble retour : même calcul, Ur ≈ 0,344 V.
  3. Loi des mailles : UG − Ua − UC − Ur = 0, donc UC = UG − Ua − Ur.
  4. Calcul : UC = 24,0 − 0,344 − 0,344 = 23,312 V, soit environ 23,3 V.
  5. Chute de tension relative : (0,344 + 0,344) / 24,0 = 0,688 / 24,0 ≈ 2,9 %.

Interprétation : la boîte reçoit 23,3 V au lieu de 24 V. Il faut vérifier, dans la notice des appareils, que cette tension reste dans leur plage de fonctionnement.

Bilan de puissance de la maille.

  • Puissance fournie par l’alimentation : 24,0 V × 1,2 A = 28,8 W.
  • Puissance perdue dans le câble : 0,5733 Ω × (1,2 A)² ≈ 0,83 W.
  • Puissance reçue par la boîte : 23,312 V × 1,2 A ≈ 27,97 W.
  • Contrôle : 0,83 + 27,97 = 28,8 W. La puissance aussi se conserve.

7. Les associations de dipôles

Les appareils d’une installation sont reliés en série (les uns à la suite des autres) ou en parallèle (tous sous la même tension). Savoir remplacer un groupe de résistances par une seule résistance équivalente simplifie beaucoup les calculs.

AEn série

À quoi ça sert : un câble et l’appareil qu’il alimente sont en série ; deux batteries montées bout à bout aussi.

Des dipôles sont en série quand ils sont parcourus par le même courant, sans nœud entre eux.

Définition

Résistances en série

La résistance équivalente de résistances en série est leur somme : Réq = R1 + R2 + … La tension totale est la somme des tensions : U = U1 + U2 + … (loi des mailles).

Exemple — Deux résistances en série sous 24 V. R1 = 10 Ω et R2 = 30 Ω sont en série sous U = 24 V.

  1. Résistance équivalente : Réq = 10 + 30 = 40 Ω.
  2. Courant : I = U / Réq = 24 V / 40 Ω = 0,6 A.
  3. Tensions : U1 = 10 Ω × 0,6 A = 6 V ; U2 = 30 Ω × 0,6 A = 18 V.
  4. Vérification : 6 V + 18 V = 24 V.

La plus grande résistance reçoit la plus grande part de la tension.

BEn parallèle

À quoi ça sert : presque tous les récepteurs d’une installation sont en parallèle, pour recevoir tous la même tension.

Des dipôles sont en parallèle (on dit aussi en dérivation) quand ils sont branchés entre les deux mêmes nœuds : ils ont la même tension à leurs bornes.

Définition

Résistances en parallèle

L’inverse de la résistance équivalente est la somme des inverses : 1 / Réq = 1 / R1 + 1 / R2 + … Pour deux résistances seulement : Réq = (R1 × R2) / (R1 + R2). Le courant total est la somme des courants des branches (loi des nœuds).

Association en série et en parallèle
En série En parallèle A B R1 R2 I U1 U2 U = U1 + U2 même courant I partout Req = R1 + R2 A B R1 R2 I I1 I2 U (même tension aux bornes de R1 et R2) I = I1 + I2 1/Req = 1/R1 + 1/R2
En série, le courant est le même et les tensions s'ajoutent. En parallèle, la tension est la même et les courants s'ajoutent.
Exemple

Les huit bobines de relais

Les 8 relais de l’armoire ont chacun une bobine de 480 Ω, toutes branchées entre le +24 V et le 0 V : elles sont en parallèle.

  1. Pour n résistances identiques R en parallèle : Réq = R / n = 480 Ω / 8 = 60 Ω.
  2. Courant total : I = 24 V / 60 Ω = 0,40 A.
  3. Contrôle par la loi des nœuds : 8 × 0,050 A = 0,40 A.

Exemple — Deux résistances différentes en parallèle. R1 = 40 Ω et R2 = 120 Ω en parallèle :

Réq = (40 × 120) / (40 + 120) = 4 800 / 160 = 30 Ω.

Contrôle par les inverses : 1/40 + 1/120 = 3/120 + 1/120 = 4/120 = 1/30.

Piège

Le résultat d'une association parallèle

La résistance équivalente de résistances en parallèle est toujours plus petite que la plus petite d’entre elles. Si tu trouves 160 Ω pour 40 Ω en parallèle avec 120 Ω, tu as additionné au lieu d’appliquer la formule.

CLe pont diviseur de tension

Deux résistances en série forment un pont diviseur : elles se partagent la tension dans le rapport de leurs valeurs. On s’en sert pour abaisser une tension avant de la mesurer.

Définition

Formule du pont diviseur

Si R1 et R2 sont en série sous une tension U, et si aucun courant notable ne sort au point milieu, la tension aux bornes de R2 vaut : U2 = U × R2 / (R1 + R2).

Un pont diviseur pour surveiller le 24 V
Un pont diviseur pour surveiller le 24 V +24 V 0 V R1 15 kΩ R2 10 kΩ entrée analogique 0-10 V I = 0,96 mA 24 V U2 = 9,6 V
Sous 24 V, les résistances de 15 kΩ et 10 kΩ donnent 9,6 V aux bornes de R2, une tension compatible avec une entrée analogique 0-10 V de l'automate.
Exemple

Surveiller la tension 24 V avec l'automate

Antoine veut que l’automate surveille la tension de l’alimentation 24 V. Son entrée analogique n’accepte que 0 à 10 V. Il prévoit un pont diviseur R1 = 15 kΩ, R2 = 10 kΩ.

  1. U2 = 24 V × 10 kΩ / (15 kΩ + 10 kΩ) = 24 × 10 / 25 = 9,6 V.
  2. Courant dans le pont : I = 24 V / 25 000 Ω = 0,000 96 A = 0,96 mA, négligeable devant la consommation de l’armoire.
  3. Si l’alimentation est réglée au maximum de sa plage, 28,8 V par exemple, U2 = 28,8 × 10 / 25 = 11,52 V : l’entrée serait dépassée. Le choix des résistances dépend donc de la tension maximale possible.

DAssocier des sources

Deux batteries en série (la borne + de l’une reliée à la borne − de l’autre) additionnent leurs tensions ; elles sont traversées par le même courant, et leur capacité en ampères-heures reste celle d’une seule batterie. Les deux batteries 12 V et 9 Ah de l’ASI donnent ainsi 24 V et 9 Ah.

Les sources en parallèle. Mettre des sources en parallèle ne se fait que si elles sont prévues pour cela par le constructeur. Deux sources de tensions différentes en parallèle échangent un courant entre elles, parfois très élevé. Ce montage relève du bureau d’études et de la notice du matériel, jamais d’une improvisation.

8. Le générateur réel

Une batterie ou une alimentation n’est pas parfaite : sa tension baisse un peu quand elle débite. Un modèle simple, une source idéale en série avec une petite résistance interne, permet de prévoir cette baisse.

ALe modèle du générateur réel

À quoi ça sert : prévoir la tension réelle aux bornes d’une batterie qui débite, et comprendre pourquoi un court-circuit produit un courant énorme.

Définition

Générateur réel (modèle de Thévenin)

Un générateur réel de courant continu se modélise par une source de tension idéale E (sa force électromotrice, en volts, égale à la tension à vide) en série avec une résistance interne r (en ohms) : c’est le modèle de Thévenin. En convention générateur, la tension à ses bornes vaut : U = E − r × I.

Le modèle du générateur réel
Le modèle du générateur réel batterie réelle + E r P N charge I U I U E U = E − r × I la pente vaut − r
La batterie réelle (cadre pointillé) se modélise par une source E en série avec une résistance interne r. La tension U aux bornes P et N diminue quand le courant I augmente : la caractéristique U(I) est une droite de pente − r.
Exemple

Une batterie de 12 V qui débite 8 A

La notice (fictive) d’une batterie de l’ASI donne, chargée : E = 12,8 V et r = 0,025 Ω. Elle débite I = 8 A.

  1. Chute de tension interne : r × I = 0,025 Ω × 8 A = 0,2 V.
  2. Tension aux bornes : U = 12,8 − 0,2 = 12,6 V.
  3. Puissance perdue dans la batterie : r × I² = 0,025 × 64 = 1,6 W.

La batterie chauffe un peu et sa tension baisse de 0,2 V. Le modèle reste valable tant que la batterie est chargée et que le courant reste dans la plage de la notice.

BPourquoi un court-circuit est dangereux

Si l’on relie directement les bornes d’un générateur par un conducteur de résistance quasi nulle, c’est un court-circuit. Le modèle donne alors U ≈ 0, donc E = r × I, d’où Icc = E / r.

Pour la batterie précédente : Icc = 12,8 V / 0,025 Ω = 512 A, soit plus de 10 000 fois le courant d’une bobine de relais. Un tel courant fait fondre des conducteurs, provoque des brûlures et un arc électrique. C’est pourquoi chaque circuit est protégé en tête (fusible, disjoncteur) et pourquoi les interventions suivent les règles de prévention du chapitre U6-01. Ce calcul est un ordre de grandeur : la valeur réelle dépend de l’état de la batterie et des câbles.

CLe point de fonctionnement

Quand un générateur alimente une charge, le courant et la tension s’ajustent jusqu’à un point de fonctionnement commun : la tension aux bornes du générateur (U = E − r × I) est égale à la tension aux bornes de la charge (U = R × I pour une résistance R).

En égalant les deux expressions, on obtient I = E / (r + R) : tout se passe comme si r et R étaient en série. Ce raisonnement, « le générateur et la charge imposent ensemble le courant », sert pour tous les calculs de chute de tension.

Une alimentation régulée. Une alimentation stabilisée 24 V, comme celle de l’armoire ARM-L3, contient une électronique qui maintient sa tension de sortie presque constante tant que le courant reste sous sa valeur assignée (10 A). Sa résistance interne apparente est très faible. Au-delà, elle se protège en limitant son courant. Son fonctionnement est vu au chapitre U4-08.

9. Mesurer et estimer l’incertitude

Un calcul ne vaut que s’il est confronté à la réalité. Les grandeurs électriques se mesurent avec des appareils adaptés, par des personnes habilitées. Toute mesure a une incertitude : savoir l’estimer permet de dire si un écart entre le calcul et la mesure est normal ou s’il révèle un problème.

ALe principe des appareils de mesure

À quoi ça sert : savoir où se place chaque appareil permet de lire un protocole, de vérifier un relevé et de repérer une erreur dans un document.

Définition

Voltmètre, ampèremètre, ohmmètre

  • Le voltmètre mesure une tension. Il se place en dérivation (en parallèle) entre les deux points dont on veut la tension. Sa résistance interne est très grande : il ne perturbe presque pas le circuit.
  • L’ampèremètre mesure un courant. Il se place en série dans la branche, ce qui impose d’ouvrir le circuit. Sa résistance interne est très faible. En pratique, sur une installation, on utilise surtout une pince ampèremétrique, qui mesure le courant sans ouvrir le circuit, en enserrant un seul conducteur.
  • L’ohmmètre mesure une résistance. Il envoie lui-même un petit courant : la mesure se fait donc hors tension, sur un circuit consigné. Un multimètre regroupe ces trois fonctions.
Principe de branchement des appareils de mesure
Principe : voltmètre en dérivation, ampèremètre en série + − G1 F1 A R V I ampèremètre voltmètre Schéma de principe : les mesures sont réalisées par une personne habilitée, avec un appareil de catégorie de mesure adaptée (voir U6-01, U6-02 et U5-02).
Le voltmètre est en dérivation aux bornes du récepteur R ; l'ampèremètre est en série dans le circuit. Ce schéma montre un principe : les mesures sont réalisées par une personne habilitée, avec un appareil de catégorie adaptée.
Piège

Un ampèremètre en dérivation

Un ampèremètre a une résistance presque nulle. Branché en parallèle sur une source, il crée un court-circuit. C’est l’une des erreurs de protocole les plus graves : tu dois savoir la repérer dans un document, et c’est une raison de plus pour que seules des personnes formées et habilitées réalisent les mesures.

BQui mesure, et avec quoi

Sur une installation, une mesure est une opération au sens de la prévention du risque électrique. Chez Calvérac :

  • elle est réalisée par une personne habilitée par Calvérac pour cette opération, par exemple Fabrice Delorme, chef de chantier, ou un technicien de maintenance de l’équipe d’Élodie Fournel ;
  • l’appareil doit avoir une catégorie de mesure (CAT II, CAT III, CAT IV) et une tension assignée adaptées à l’endroit de la mesure : plus on est près de l’origine de l’installation, plus les surtensions possibles sont fortes et plus la catégorie exigée est élevée. Ces catégories sont définies par la norme CEI 61010-2-030 et détaillées au chapitre U5-02 « Mesurer les grandeurs électriques » ;
  • la personne utilise les équipements de protection prévus et respecte la procédure de l’entreprise (chapitres U6-01 et U6-02).

Bilal, apprenti habilité par Calvérac pour des opérations limitées, peut participer à certaines mesures dans les limites de son titre et sous la responsabilité d’un chargé de travaux. Inès, stagiaire au bureau d’études, n’intervient pas sur les installations : elle prépare le protocole et exploite les relevés.

CLa démarche scientifique

Les correcteurs de physique-chimie de l’E4 évaluent six capacités. Ce chapitre insiste sur la première, s’approprier une situation, et donne une première approche des suivantes.

Les six capacités de la démarche scientifique, appliquées à la note de calcul d’Inès
Capacité Ce qu’elle veut dire Exemple chez Calvérac
S’approprier comprendre la situation, repérer les données utiles et les grandeurs en jeu relever dans le CCTP (cahier des clauses techniques particulières : le document qui fixe les exigences techniques du marché) et les notices les courants, tensions, longueurs et plages admises
Analyser choisir un modèle et justifier qu’il convient modéliser le câble par une résistance R = ρ × L / S à 20 °C
Réaliser mettre en œuvre le modèle ou un protocole, en sécurité calculer la chute de tension ; faire réaliser une mesure par une personne habilitée
Valider critiquer le résultat, estimer l’incertitude, chercher les causes d’écart comparer la tension calculée à la tension mesurée
Communiquer rendre compte clairement, avec les unités rédiger la note de calcul pour Antoine
Être autonome prendre des initiatives raisonnées proposer une section plus grande si la marge est trop faible
Méthode

S'approprier une situation électrique

  1. Repère l’objectif : quelle grandeur faut-il trouver, et pour quelle décision ?
  2. Fais un schéma simple, avec les repères, les flèches de courant et de tension.
  3. Liste les données avec leur unité, convertis-les en unités de base.
  4. Repère les contraintes : plages admises par les notices, exigences du cahier des charges, sécurité.
  5. Note les hypothèses que tu fais (température, courant constant, rendement).

DL’incertitude de mesure

Aucune mesure n’est parfaite : l’appareil a une précision limitée, la grandeur fluctue, l’opérateur lit d’une certaine façon. On ne peut donc jamais dire « la tension est 24,08 V », seulement « la tension est probablement proche de 24,08 V, avec telle incertitude ».

Définition

Incertitude-type

L’incertitude-type, notée u(x), estime la dispersion des valeurs que l’on peut raisonnablement attribuer à la grandeur mesurée x. Elle a la même unité que x. On écrit le résultat sous la forme x = valeur ± u(x), avec u(x) arrondie à un ou deux chiffres significatifs, et la valeur arrondie au même rang que u(x).

Il existe deux façons de l’évaluer.

Définition

Évaluation de type A et de type B

  • Type A (statistique) : on répète N fois la mesure dans les mêmes conditions. Le résultat est la moyenne ; son incertitude-type est u = s / √N, où s est l’écart-type expérimental des N valeurs (calculé avec N − 1 au dénominateur, fonction « écart-type » de la calculatrice).
  • Type B (autre méthode) : on n’a qu’une mesure, ou des mesures identiques. On part de la précision donnée par la notice de l’appareil, de demi-largeur a : si toutes les valeurs de l’intervalle sont jugées également probables, u = a / √3.
Exemple

Une tension lue sur un voltmètre (type B)

Le technicien habilité relève 24,08 V aux bornes de sortie de l’alimentation, avec un multimètre dont la notice indique une précision de « ± (0,5 % de la lecture + 2 unités) » sur ce calibre, où une unité vaut 0,01 V.

  1. Demi-largeur : a = 0,005 × 24,08 V + 2 × 0,01 V = 0,1204 + 0,02 = 0,1404 V.
  2. Incertitude-type : u = a / √3 = 0,1404 / 1,732 ≈ 0,081 V.
  3. Résultat : U = (24,08 ± 0,08) V.
Exemple

Un courant relevé cinq fois (type A)

Le courant de la boîte BJ-PAL du palettiseur est relevé cinq fois à la pince ampèremétrique par le technicien habilité : 2,48 A ; 2,52 A ; 2,50 A ; 2,47 A ; 2,53 A.

  1. Moyenne : (2,48 + 2,52 + 2,50 + 2,47 + 2,53) / 5 = 12,50 / 5 = 2,50 A.
  2. Écart-type expérimental : s ≈ 0,0255 A.
  3. Incertitude-type de la moyenne : u = s / √5 = 0,0255 / 2,236 ≈ 0,011 A.
  4. Résultat : I = (2,500 ± 0,011) A.

EComparer une mesure à une valeur attendue

Pour savoir si une mesure est compatible avec une valeur de référence (une valeur calculée, une valeur de notice), on calcule l’écart normalisé, aussi appelé z-score.

Définition

Écart normalisé

z = |xmesuré − xréférence| / u(x). Si z est de l’ordre de 1 ou 2 au plus, l’écart s’explique par l’incertitude : la mesure est compatible avec la référence. Si z est nettement plus grand (au-delà de 2 ou 3, selon la convention choisie), l’écart est significatif : il faut en chercher la cause.

Mesure, incertitude-type et valeur attendue
Mesure, incertitude-type et valeur attendue I (A) 2,42 2,44 2,46 2,48 2,50 2,52 moyenne 2,50 A attendu 2,45 A bleu : ± 1 u ; vert : ± 2 u (u = 0,011 A) z = |2,50 − 2,45| / 0,0114 ≈ 4,4 > 2 : écart significatif, il faut chercher la cause
La moyenne mesurée de 2,50 A a une incertitude-type de 0,011 A. La valeur calculée de 2,45 A est à plus de quatre incertitudes-types : l'écart est significatif.
Exemple

La boîte BJ-PAL consomme-t-elle ce qui était prévu ?

La note de calcul prévoyait 2,45 A pour une première version de la boîte BJ-PAL ; la mesure donne (2,500 ± 0,011) A.

z = |2,500 − 2,45| / 0,0114 ≈ 4,4.

z est bien supérieur à 2 : l’écart de 0,05 A ne vient pas de l’incertitude de mesure. Inès cherche la cause et la trouve dans la liste du matériel : un distributeur pneumatique supplémentaire a été ajouté. Elle met la note de calcul à jour avec 2,50 A.

Les chiffres significatifs. Ne recopie pas les huit chiffres de la calculatrice. Un résultat se donne avec un nombre de chiffres cohérent avec les données : si les données ont trois chiffres significatifs (24,0 V ; 1,20 A), le résultat en garde trois ou quatre. Garde en revanche toutes les décimales pendant le calcul et n’arrondis qu’à la fin.

Erreurs fréquentes

Les erreurs à éviter
Erreur Ce qu’il faut faire
Calculer avec des mA ou des kΩ sans convertir convertir en A, V, Ω, W avant le calcul
Oublier le conducteur de retour dans une chute de tension prendre 2 × L pour la boucle en continu
Flécher une tension « au hasard » UAB pointe vers A ; récepteur : flèches opposées ; générateur : même sens
Corriger un signe négatif sans réfléchir garder les flèches et interpréter le signe à la fin
Additionner des résistances en parallèle 1/Réq = 1/R1 + 1/R2 ; le résultat est plus petit que la plus petite
Écrire P = R² × I P = R × I² : c’est le courant qui est au carré
Multiplier par le rendement pour trouver la puissance absorbée Pa = Pu / η, et Pa > Pu
Confondre kW (puissance) et kWh (énergie) l’énergie se paie en kWh, la puissance dimensionne les équipements
Placer un ampèremètre en parallèle ou mesurer une résistance sous tension ampèremètre en série (ou pince) ; ohmmètre hors tension, par une personne habilitée
Donner un résultat de mesure sans incertitude écrire x = valeur ± u(x), avec la même unité
Conclure « la mesure est fausse » dès qu’elle diffère du calcul calculer l’écart normalisé z avant de conclure
Appliquer ρ à 20 °C à un câble chaud sans le dire signaler l’hypothèse ou corriger avec la température

L’essentiel du chapitre

À retenir

À retenir

  • Courant I en ampères (A) : I = Q / t ; sens conventionnel de + vers − à l’extérieur de la source ; le même tout le long d’une branche.
  • Tension U en volts (V) : UAB = VA − VB, flèche pointée vers A ; convention récepteur (flèches opposées) et générateur (même sens).
  • Résistance R en ohms (Ω) : loi d’Ohm U = R × I ; conducteur R = ρ × L / S (cuivre : ρ ≈ 0,0172 Ω·mm²/m à 20 °C) ; R augmente avec la température.
  • Puissance P en watts (W) : P = U × I = R × I² = U² / R ; effet Joule ; rendement η = Pu / Pa < 1.
  • Énergie E = P × t : en joules (W × s) ou en kWh (kW × h) ; 1 kWh = 3,6 MJ.
  • Loi des nœuds : ce qui arrive à un nœud en repart. Loi des mailles : la somme algébrique des tensions d’une maille est nulle.
  • Série : Réq = R1 + R2 ; même courant. Parallèle : 1/Réq = 1/R1 + 1/R2 ; même tension. Pont diviseur : U2 = U × R2 / (R1 + R2).
  • Générateur réel : U = E − r × I ; court-circuit Icc = E / r, très élevé : protection en tête de chaque circuit.
  • Mesure : voltmètre en dérivation, ampèremètre en série (ou pince), ohmmètre hors tension ; mesures faites par une personne habilitée avec un appareil de catégorie adaptée (U6-01, U6-02, U5-02).
  • Incertitude : type A u = s / √N ; type B u = a / √3 ; résultat x ± u(x) ; écart normalisé z = |x − xréf| / u.

Sources et références

  • Arrêté du 21 février 2020 portant définition et fixant les conditions de délivrance du BTS « Électrotechnique », modifié notamment par l’arrêté du 30 mars 2026 (épreuves de la session 2027) : compétence C6, définition de l’épreuve E4 (lus sur Légifrance au cadrage du 22/10/2026).
  • BIPM, Le Système international d’unités (SI), 9e édition (2019), et son résumé : définition de l’ampère par la valeur fixée de la charge élémentaire, unités dérivées (watt, coulomb, volt, ohm, siemens) ; résumé consulté le 22/10/2026. Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), page « L’ampère » (lne.fr, lue le 22/10/2026).
  • Ministère de l’Éducation nationale, ressource Éduscol Physique-chimie, Mesure et incertitudes au lycée (mai 2021), fondée sur le Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure (GUM) : incertitude-type, évaluations de type A et B, écriture du résultat, écart normalisé (lue le 22/10/2026).
  • CEI 60617, Symboles graphiques pour schémas (base de données de la CEI, library.iec.ch) : résistance (04-01-01), élément de pile et batterie (06-15-01, trait long pour le pôle positif), redresseur (06-14-03), fusible, appareil indicateur (fiches consultées le 22/10/2026) ; symboles redessinés par FuturBTS.
  • CEI 61010-2-030:2023, Exigences de sécurité pour appareils électriques de mesurage, de régulation et de laboratoire, partie 2-030 : exigences particulières pour les appareils équipés de circuits d’essai ou de mesure, 3e édition (fiche de la publication consultée le 22/10/2026, texte non consulté) ; description des catégories de mesure d’après le guide de l’association professionnelle GAMBICA sur les catégories de surtension et de mesure.
  • Résistivité et conductivité de référence du cuivre recuit (environ 58 MS/m, soit 1,724 µΩ·cm à 20 °C) et coefficient de température du cuivre (0,00393 par °C à 20 °C) : documentation technique en ligne de constructeurs et de sites spécialisés (lue le 22/10/2026) ; étalon international de résistance du cuivre CEI 60028 (fiche consultée).
  • Chapitres liés : U4-02 (courant alternatif), U4-03 (puissances en alternatif), U4-08 (électronique de puissance), U4-12 (câbles et protections), U5-02 (mesures et appareils), U6-01 (prévenir le risque électrique), U6-02 (habilitation électrique), MATH-01 (calcul numérique, puissances de dix).

Contenu original FuturBTS. Les entreprises et les personnes citées sont fictives. Aucun passage, exemple ou exercice n’est repris d’un manuel existant. Les prix et les notices de matériel cités sont fictifs.

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