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Une pile 9 volts, une ampoule allumée, une carte microcontrôleur, une LED, une résistance, une plaque de montage et un multimètre sur fond blanc.
Physique · 5 étapes

L’électricité, une rivière d’électrons

Dans un fil, des milliards d’électrons avancent ensemble, poussés par la pile. On ne les voit pas, alors on va les montrer. À la fin, tu allumeras une LED sur une carte Arduino, sans la griller.

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01

Le courant

Des électrons qui avancent

Un fil de métal est rempli d’électrons, de minuscules particules. La pile les pousse : c’est la tension, en volts. Le nombre d’électrons qui passent chaque seconde, c’est l’intensité, en ampères. Ce qui les freine, c’est la résistance, en ohms. Joue avec les trois.

Le circuit
9 V
100 Ω
9 Vtension U
120 Ωrésistance totale R
75 mAintensité I
électronélectron qui chauffe

La tension = la pente

Imagine de l’eau dans un tuyau. La pile, c’est une pompe qui crée une pente : plus elle est forte, plus l’eau est poussée.

en volts · V

L’intensité = le débit

La quantité d’eau qui passe chaque seconde. Ici, le nombre d’électrons qui traversent le fil chaque seconde.

en ampères · A (ou milliampères, mA)

La résistance = le rétrécissement

Un tuyau étroit freine l’eau. Une résistance freine les électrons, qui s’y bousculent et la font chauffer.

en ohms · Ω

Même vitesse partout : les électrons avancent tous ensemble, comme les billes d’un tuyau plein. L’intensité est la même à chaque endroit du circuit.

Les électrons vont du − vers le +. Par convention historique, on dessine pourtant le courant du + vers le −. Les deux sont justes : c’est juste une convention.

Le court-circuit : sans rien pour freiner, l’intensité explose, le fil chauffe et la pile se vide. Ne le fais jamais en vrai !

02

La loi d’Ohm

Ce qui se passe dans la résistance

Une résistance, de l’extérieur, c’est un petit cylindre à rayures. Mais que se passe-t-il dedans ? On zoome un million de fois pour voir les électrons la traverser. Quatre étapes, et tu auras trouvé toi-même la loi d’Ohm.

1

Regarde à l’intérieur

Dans le fil de cuivre, la voie est libre : les électrons filent. Dans la résistance, le chemin est encombré d’atomes qui bloquent le passage. Les électrons les percutent sans arrêt.

Observe les atomes à chaque choc. Que devient l’énergie de l’électron ?

2

Pousse plus fort

La tension, c’est la force avec laquelle la pile pousse les électrons. On garde la même résistance (220 Ω).

Mission : règle la pile sur 3 V, puis sur 6 V. Regarde le compteur d’électrons, à droite.

☐ 3 V☐ 6 V
3

Mets plus d’obstacles

Une résistance plus grande, c’est plus d’atomes sur le chemin. La pile reste à 6 V.

Mission : essaie les trois résistances, 100, 220 et 470 Ω, et compare le compteur.

☐ 100 Ω☐ 220 Ω☐ 470 Ω
4

La loi d’Ohm

Tu viens de la découvrir : l’intensité grandit avec la tension et diminue avec la résistance. En une formule :

I = U ÷ R

Georg Ohm l’a trouvée en 1827. On l’écrit souvent U = R × I. Clique une lettre du triangle pour la cacher : il reste la formule pour la calculer.

URI
Clique une lettre

Défi final : règle la pile et la résistance pour obtenir 20 mA (à 1 mA près). Il y a trois solutions.

Tes mesures · intensité selon la tension
3 V
3 Vtension U
220 Ωrésistance R
14 mAintensité I

Pourquoi ça chauffe ? À chaque choc, l’électron donne son énergie à l’atome, qui se met à vibrer : c’est ça, la chaleur. Un grille-pain ou un radiateur, ce sont des résistances qui chauffent exprès.

Tout le circuit ralentit, pas seulement la résistance. Comme un péage sur l’autoroute : les voitures roulent moins vite avant et après. L’intensité est la même partout.

Bonus, la puissance : P = U × I, en watts. C’est l’énergie consommée chaque seconde. Un chargeur de téléphone : environ 10 W. Une bouilloire : plus de 2 000 W.

03

Série ou dérivation

Le mystère de la guirlande

Pourquoi, sur certaines guirlandes, quand une ampoule grille, tout s’éteint ? Et pourquoi chez toi, éteindre la lampe du salon n’éteint pas le frigo ? Tout dépend de la façon de brancher. Clique sur une ampoule pour la dévisser.

—intensité dans la pile
—ampoule 1
—ampoule 2

En série, il n’y a qu’un seul chemin : le même courant traverse tout, et la tension de la pile se partage. En dérivation, chaque ampoule a son propre chemin et reçoit toute la tension : les courants s’additionnent dans la pile.

04

Mission Arduino

Allumer une LED sans la griller

Une carte Arduino est un petit ordinateur qui pilote de l’électricité. Chacune de ses broches peut donner 5 V. Ta mission, en cinq étapes : câbler, orienter, protéger, programmer, puis doser la lumière. C’est toi qui fais tout, directement sur la maquette 3D.

1

Branche les fils

Il faut un chemin complet : le courant sort d’une broche de la carte (le +), traverse la plaque, puis revient au − de la carte, la broche GND. Notre programme utilisera la broche 13.

Choisis un fil, puis clique une broche sur la carte en 3D (ou ci-dessous).

2

Le sens de la LED

Une LED ne laisse passer le courant que dans un sens : sa patte longue (+) doit être côté broche 13. Clique sur la LED en 3D pour la retourner, puis allume.

3

Protège-la avec une résistance

La LED utilise environ 2 V. Il reste 5 − 2 = 3 V pour la résistance, et la LED supporte 20 mA au maximum (0,02 A).

Résistance minimum : R = U ÷ I = 3 ÷ 0,02 = Ω
4

Programme un battement de cœur

L’Arduino lit tes blocs de haut en bas, puis recommence, sans fin. Pour l’instant, la LED clignote lentement (1 seconde). Modifie les blocs pour reproduire le modèle : deux battements rapides, puis une pause.

Voir le vrai code Arduino
5

Dose la lumière

Une broche ne donne que 0 ou 5 V. Pour une lumière douce, l’Arduino allume et éteint la LED des centaines de fois par seconde : ton œil voit la moyenne. On a déplacé le fil sur la broche ~9, qui sait faire ça.

255

La LED est allumée 100 % du temps.

Défi : règle la LED pour qu’elle soit allumée 25 % du temps.

broche : 0 Vcourant LED : 0 mA
Clique une broche · glisse pour tourner
05

À toi de jouer

U = R × I, I = U ÷ R, R = U ÷ I, et P = U × I. Attention aux unités : 1 A = 1 000 mA.

Tension · U

La poussée donnée par la pile. En volts (V).

Intensité · I

Le débit d’électrons. En ampères (A). Même valeur partout en série.

Résistance · R

Ce qui freine le courant et chauffe. En ohms (Ω).

Loi d’Ohm

U = R × I. Pour protéger une LED : R = (U − 2) ÷ I.

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