Electricité au Brevet d’études professionnelles

Nombreux sont les élèves qui ont une expérience dans ce domaine: l'enseignement théorique doit permettre d'expliquer des savoir-faire concrets et vécus, ce qui constitue une motivation forte renforcée par la technique de la classe laboratoire. Elle est particulièrement propre à la mise en oeuvre des différents aspects de la démarche scientifique. L'expérimentation est souvent simple, les mesures suffisamment précises pour faire induire des lois expérimentales ou vérifier celles qui sont obtenues par déduction ou par analogie. Les calculs développés à partir de connaissances théoriques permettent de prévoir ce qui se passera dans une situation pratique ce qui valorise l'enseignement scientifique théorique. Il faut réactualiser les connaissances étudiées au collège, les élargir et surtout rendre les élèves capables de les utiliser. La formation à la sécurité est un souci permanent du professeur; elle doit être abordée dès le début et répartie ensuite dans le cours et les manipulations; on ne se limite pas à l'utilisation des tensions inférieures ou égales à 24 V car les élèves utilisent chez eux et à l'atelier les tensions du réseau: l'enseignement des sciences ne doit pas être coupé de la vie.

1 - Puissance, intensité, lois d'additivité.

Ces notions ont été étudiées au collège, il faut en tenir compte. Il s' agit de préciser et de structurer les connaissances à partir d'approches multiformes:
- recherche des domaines d'utilisation de l'énergie électrique en les classant par type d'effet.
- travail sur des schémas (Elaboration de schémas simples, lecture de schémas empruntés à des installations domestiques, à l'automobile, à des appareils simples) pour comprendre les circuits électriques.
- classification de différents types d'appareils (générateurs, récepteurs de divers types, organes de protection...)
- analyse des transferts et des transformations d'énergie.
- réalisation de circuits électriques à partir desquels on précise les notions de tension, d'intensité (la tension comme cause de courant, l'intensité comme caractéristique du courant) et de puissance consommée. .

On privilégie l'approche énergétique et le travail à partir de schémas. On insiste sur les notions de tension nominale, d'intensité nominale, de puissance nominale.
On utilisera de préférence des appareils à lecture directe (ex: appareils numériques).
A l'occasion des rappels on se donne les moyens de faire manipuler les élèves en continu et en alternatif, afin de s'adapter au laboratoire et aux utilisations de la vie réelle. On utilise l'intensité et la tension en continu, l'intensité efficace et la tension efficace en alternatif.
Les rappels sur le courant sinusoïdal ne servent pas de prétexte à une étude mathématique de la fonction sinus; ils ont une base expérimentale.
Si l'on établit le rapport entre la tension maximale et la tension efficace, on le fait à partir de mesures effectuées à l'aide d'un oscilloscope et d'un voltmètre.

2 - Lois d'Ohm et de Joule

L'étude peut être menée de différentes façons. Deux méthodes sont proposées ci-dessous:

Méthode 1
Etude des dipôles passifs
On étudie expérimentalement la relation entre U et l pour un résistor (la résistance de ce récepteur est constante dans le domaine d'étude). On constate que:

La constante K dépend du résistor. On définit la résistance  du résistor.
On formule la loi d'Ohm .

On mesure les résistances à l' ohmmètre, par la méthode voltampèremétrique. L'utilisation du code de couleurs se prète à des exercices intéressants.
On étudie expérimentalement les courbes représentatives de I(U) pour d'autres dipôles (non linéaires) afin d'établir un modèle ou un schéma équivalent dans leur domaine d'emploi.
Etude de l'effet Joule
De P=UI et U=RI, on déduit P=RI². On vérifie cette relation à l' aide d'un ampèremètre, d'un wattmètre et d'un résistor dont la résistance est constante dans le domaine d'étude. On traite les conséquences et applications de l'effet Joule.

Méthode 2
Etude de l'effet Joule
On étudie expérimentalement la relation entre P et I pour un résistor (la résistance de ce récepteur est constante dans le domaine d'étude) à l'aide d'un ampèremètre et d'un wattmètre. On établit que:

La constante K dépend du récepteur thermique. On définit la résistance du résistor.

Etude des dipôles passifs
De P=UI et P=RI², on déduit U=RI.
On vérifie cette relation à l'aide d'un voltmètre, d'un ampèremètre et d'un résistor dont la résistance est constante dans le domaine d'étude.
On définit

On mesure des résistances à l' ohmmètre, par la méthode voltampèremétrique.
L'utilisation du code de couleurs se prête à des exercices intéressants. On étudie expérimentalement les courbes représentatives de I(U) pour d'autres dipôles (non linéaires) afin d' établir un modèle ou schéma équivalent dans leur domaine d'emploi.

Remarques à propos des lois d'Ohm et de Joule:
Pour désigner l'objet, on utilise les trois termes: conducteur ohmique, dipôle résistif et résistor. La grandeur attachée à ce type de dipôle est la résistance.
- Pour l'utilisation de la méthode voltampèremétrique on se place dans les conditions où la consommation des appareils ne perturbe pas la mesure.
- On peut étudier à l'oscilloscope I(U) pour des composants comme diode, diode zener, diac, CTP, CTN, varistance.
- Dans le cas d'étude par la méthode voltampèremétrique pour une diode, prendre garde à la consommation des appareils de mesure.
- Le calorimètre ne se prête pas à l'étude de la loi de Joule mais donne la possibilité d'une mesure de rendement.
- Les conséquences et applications de l'effet Joule permettent la liaison avec la technologie:
         . chauffage électrique, éclairage par incandescence, bilame,temporisation par inertie thermique, limitation du rendement des machines électriques et de leur puissance.

Applications:
       - La liaison avec la technologie permet:
                      . le choix des fusibles
                      . l'étude de schémas d'installations faisant apparaître les protections.

Transformateur:
On montre la nécessité de transporter l'énergie électrique par des lignes à haute tension, d'élever la tension entre l'alternateur et la ligne, de l'abaisser entre la ligne et l'utilisation.
Le transformateur est étudié de façon expérimentale; il fonctionne en alternatif et non en continu; on constate, à l'oscilloscope, que si la tension est sinusoïdale au primaire, elle l'est également au secondaire.
On montre la réversibilité de l'appareil. Le transformateur, utilisé à vide, permet d'établir la relation:

Un transformateur réel utilisé entre la demi-puissance nominale et la puissance nominale sert à établir:

Le professeur ne perdra pas de vue que ces relations n'impliquent nullement ces deux egalités simultanément, car ces relations sont obtenues expérimentalement dans des situations de fonctionnement tout à fait distinctes.

Triphasé:
- Mesure des tensions:
La mesure des tensions entre les 4 douilles d'une prise comportant les 3 fils de phases et le neutre permet leur distinction; on détermine la tension efficace entre phases U et la tension efficace entre phases et neutre V.
On constate expérimentalement que
.
- Montage étoile équilibré 4 fils:
On réalise un montage étoile avec 3 lampes identiques, un ampèremètre sur chaque fil de phase, un ampèremètre sur le fil neutre.
On constate que:
En enlevant le fil neutre (alimentation coupée), le fonctionnement sous tension est le même avec ou sans neutre.
- Montage triangle équilibré:
On réalise un montage triangle équilibré avec des lampes identiques.
On monte en série 2 lampes identiques dans chaque branche du triangle.
On mesure les intensités I1 , I2 , I3 dans chaque fil J12, J23, J31 dans chaque branche du triangle.
On constate que:

- Distribution de l'électricité et sécurité:
On explique les installations domestiques monophasées et triphasées à partir du réseau 220 V entre phases (en voie de disparition) et du réseau 380 V entre phases.
On utilise les plaques signalétiques de machines et d'appareils pour comprendre le montage, choisir les fusibles de protection.
Les dangers d'électrocution doivent être expliqués avec précision.
L'existence simultanée du disjoncteur différentiel de 500mA et de la mise à terre des masses des appareils assure une protection pour un contact de l'utilisateur entre la terre et la masse d'un appareil accidentellement en contact avec un fil de phase; insister sur la bonne mise en oeuvre de cette sécurité (existence de disjoncteur différentiel de 500mA et prise de terre de bonne qualité) et sur les limites de la protection.
Montrer le rôle du disjoncteur différentiel de 20mA ou de 30mA.
Distinguer la fonction disjoncteur (20A, 30A, par exemple) et la fonction disjoncteur différentiel (500mA, 650mA par exemple).
Informer sur les normes de sécurité dans les installations domestiques, en particulier pour les salles de bains.