Karamö, le prof virtuelLeçon 16 sur 17
Le détecteur de courant
Je sais fabriquer et utiliser un détecteur de courant (bobine et aiguille aimantée) pour savoir si un courant passe, dans quel sens, et s'il est plus ou moins intense.
- 45 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire la constitution d'un détecteur de courant
- Expliquer son fonctionnement grâce au champ magnétique d'une bobine
- Utiliser le détecteur pour mettre en évidence un courant, son sens et son intensité
- Comparer le détecteur à une lampe témoin et faire le lien avec les appareils de mesure à aiguille
Avant de commencer : Les aimants et la boussole, les bobines (faces nord et sud selon le sens du courant), l'intensité du courant.
1Je découvre
Pour la journée scientifique de son collège à Labé, Hawa fabrique une « pile au citron » : elle plante une lame de cuivre et une lame de zinc dans un citron et les relie à une petite lampe. La lampe ne s'allume pas. « Ta pile ne marche pas », se moque son camarade Mamadou.
Le professeur ne se décourage pas. Il enroule une vingtaine de tours de fil isolé autour d'une boussole, puis relie les deux bouts du fil aux lames du citron. L'aiguille de la boussole tourne nettement ! « Tu vois, un courant passe bien. Il est seulement trop faible pour allumer la lampe. » Il inverse les fils : l'aiguille tourne de l'autre côté.
Hawa est fascinée : avec une boussole et un peu de fil, on peut voir un courant invisible, même très faible, et savoir dans quel sens il circule. Comment fonctionne ce détecteur de courant ?
2Je comprends
1. Le problème : comment savoir si un courant passe ?
En 7e, tu as utilisé une lampe témoin : si elle s'allume, un courant passe. Mais cette méthode a des limites :
- un courant trop faible ne fait pas briller la lampe (pile au citron, petite pile usée) ;
- la lampe n'indique pas le sens du courant ;
- elle peut griller si la tension est trop forte.
On a donc besoin d'un appareil plus sensible : le détecteur de courant.
2. Constitution
Un détecteur de courant simple est formé :
- d'une aiguille aimantée (une boussole) qui peut tourner librement sur un pivot ;
- d'une bobine de fil conducteur isolé, enroulée autour de la boussole ;
- de deux bornes (les deux extrémités du fil) pour le brancher dans le circuit.
Réglage important : avant de brancher, on tourne l'ensemble pour que les spires soient parallèles à l'aiguille au repos (l'aiguille, orientée vers le Nord, est alors dans le même plan que les spires). Ainsi, le champ créé par la bobine est perpendiculaire à l'aiguille, et la fait tourner le plus possible.
- 1Poser une boussole sur la table et attendre que l'aiguille indique le Nord.
- 2Enrouler 20 à 50 tours de fil isolé autour de la boîte de la boussole, parallèlement à l'aiguille.
- 3Dénuder les deux extrémités du fil : ce sont les bornes du détecteur.
- 4Brancher le détecteur en série dans le circuit à tester et observer l'aiguille.
3. Fonctionnement
- Sans courant : l'aiguille aimantée indique le Nord, comme une boussole ordinaire.
- Quand un courant traverse la bobine : la bobine crée un champ magnétique (elle se comporte comme un aimant, avec une face nord et une face sud). Ce champ agit sur l'aiguille aimantée, qui dévie.
- Quand on inverse le sens du courant : les faces de la bobine s'inversent, et l'aiguille dévie dans l'autre sens.
- Quand l'intensité augmente : le champ de la bobine est plus fort, et l'aiguille dévie davantage.
C'est une application directe de l'expérience d'Œrsted et de l'analogie entre un aimant et une bobine.
- l'aiguille ne bouge pas
- l'aiguille dévie
- elle dévie dans l'autre sens
- elle dévie plus fort
- aucun courant ne passe (ou il est extrêmement faible)
- un courant traverse le circuit
- le courant circule dans l'autre sens
- l'intensité est plus grande
4. Comment brancher le détecteur ?
Le détecteur doit être traversé par le courant qu'on veut détecter : on le branche donc en série dans le circuit, comme un ampèremètre.
Méthode
Pour utiliser un détecteur de courant :
- Je l'oriente pour que l'aiguille, au repos, soit parallèle aux spires, loin de tout objet en fer et de tout aimant.
- Je le branche en série dans le circuit, circuit ouvert.
- Je ferme le circuit et j'observe l'aiguille : déviation ou non.
- Je note le côté de la déviation ; si j'inverse les bornes du générateur, la déviation doit changer de côté.
- Je compare l'importance des déviations pour comparer des intensités, avec le même détecteur.
Exemple
Sékou branche en série une pile, un interrupteur et un détecteur de courant. Circuit fermé, l'aiguille dévie de 30° vers la droite. Il retourne la pile. Puis il remplace la pile par deux piles identiques en série, bien orientées. Que va-t-il observer ?
Pile retournée : le courant change de sens, les faces de la bobine s'inversent, l'aiguille dévie vers la gauche.
Deux piles en série : la tension est plus grande, l'intensité du courant aussi ; l'aiguille dévie davantage.
Exemple
Aïssatou veut savoir quelle est la borne + d'une pile dont les marques sont effacées. Elle possède un détecteur de courant dont elle sait que l'aiguille dévie vers la droite quand le courant entre par sa borne rouge. Comment faire ?
Elle branche la pile, un interrupteur (ou une petite résistance pour limiter le courant) et le détecteur en série.
Si l'aiguille dévie vers la droite, le courant entre dans le détecteur par la borne rouge : la borne de la pile reliée (par le fil) à la borne rouge est la borne +.
Si l'aiguille dévie vers la gauche, c'est l'autre borne de la pile qui est la borne +.
5. Du détecteur aux appareils de mesure
Le détecteur de courant détecte un courant, mais ne donne pas une valeur précise en ampères. En perfectionnant ce principe (une bobine mobile entre les pôles d'un aimant, un ressort de rappel et une échelle graduée), on obtient le galvanomètre, très sensible, puis les ampèremètres et voltmètres à aiguille que tu as utilisés. Tous reposent sur la même idée : un courant qui traverse une bobine crée un champ magnétique qui fait tourner une aiguille.
| Lampe témoin | Détecteur de courant |
|---|---|
| s'allume seulement si le courant est assez fort | détecte des courants très faibles |
| n'indique pas le sens | indique le sens du courant |
| peut griller | ne grille pas avec les petites piles |
| très simple, sans réglage | doit être orienté (spires parallèles à l'aiguille) |
Précaution : un détecteur de courant ne doit pas être utilisé sur le courant du secteur (220 V) : c'est dangereux, et avec le courant alternatif l'aiguille, trop lente, ne pourrait pas suivre.
3Je retiens
Je retiens
Un détecteur de courant est formé d'une aiguille aimantée entourée d'une bobine ; on le branche en série.
Au repos, les spires doivent être parallèles à l'aiguille.
Si un courant passe, la bobine crée un champ magnétique qui fait dévier l'aiguille.
Le sens de la déviation indique le sens du courant ; l'importance de la déviation augmente avec l'intensité.
Il détecte des courants trop faibles pour allumer une lampe témoin.
C'est le principe du galvanomètre et des appareils de mesure à aiguille.
4Erreurs fréquentes
- Placer les spires perpendiculairement à l'aiguille : le champ de la bobine est alors dans l'axe de l'aiguille et elle dévie très peu, ou pas du tout.
- Utiliser le détecteur près d'un aimant ou d'un objet en fer : l'aiguille est déjà déviée et la lecture est fausse.
- Conclure qu'aucun courant ne passe parce qu'une lampe reste éteinte : le courant peut être seulement trop faible.
- Croire que le détecteur donne une valeur en ampères : il indique la présence, le sens et une comparaison, pas une mesure précise.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Complète.
a) Un détecteur de courant comprend une ……… entourée d'une ……… .
b) On le branche en ……… dans le circuit.
c) Si on inverse le sens du courant, l'aiguille dévie ……… .
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Un détecteur de courant comprend une aiguille aimantée entourée d'une bobine.
b) On le branche en série dans le circuit.
c) Si on inverse le sens du courant, l'aiguille dévie dans l'autre sens.
2Exercice 2
Explique pourquoi l'aiguille d'un détecteur de courant dévie quand un courant traverse la bobine.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Le courant qui traverse la bobine crée un champ magnétique : la bobine se comporte comme un aimant, avec une face nord et une face sud. Ce champ agit sur l'aiguille aimantée (attraction et répulsion de ses pôles), qui tourne et s'écarte de la direction du Nord.
3Exercice 3
Donne deux avantages du détecteur de courant par rapport à une lampe témoin.
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(Deux au choix) Il détecte des courants très faibles qui n'allument pas une lampe ; il indique le sens du courant ; il permet de comparer des intensités ; il ne grille pas avec de petites piles.
4Exercice 4
Ibrahima teste trois « piles » faites maison avec le même détecteur : pile au citron, pile à la pomme de terre, pile à l'eau salée. Il observe des déviations de 10°, 15° et 5°.
a) Laquelle donne le courant le plus intense ? Le plus faible ?
b) Pourquoi doit-il utiliser le même détecteur et les mêmes fils pour comparer ?
c) Une lampe témoin s'est-elle forcément allumée avec la pile qui donne 15° ? Justifie.
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a) La déviation la plus grande (15°) correspond au courant le plus intense : la pile à la pomme de terre. La plus faible (5°) : la pile à l'eau salée.
b) La déviation dépend aussi du détecteur (nombre de spires, réglage) et du circuit. Pour que la comparaison soit juste, il ne faut changer qu'une seule chose : la pile.
c) Non. Le détecteur est beaucoup plus sensible qu'une lampe : une déviation de 15° peut correspondre à un courant bien trop faible pour faire briller une lampe.
5Exercice 5
(Démarche) Mariama a fabriqué un détecteur, mais quand elle ferme le circuit, l'aiguille ne bouge presque pas, alors que la pile est neuve et que le circuit est bien fermé.
a) Donne deux causes possibles liées à la fabrication ou au réglage du détecteur.
b) Pour chaque cause, propose une correction.
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a) et b)
- Cause 1 : les spires ne sont pas parallèles à l'aiguille au repos (le détecteur est mal orienté). Correction : tourner le détecteur pour que l'aiguille, au repos, soit parallèle aux spires.
- Cause 2 : trop peu de spires, ou fil non isolé (le courant passe d'une spire à l'autre). Correction : enrouler davantage de tours avec un fil bien isolé.
- (Autre cause acceptée) Présence d'un objet en fer ou d'un aimant tout près : l'éloigner.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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