Circuits en série et en dérivation
Le circuit en série : une seule boucle, un seul chemin
Reprenons le circuit le plus simple que tu connais : une pile, des fils, et des lampes. La première façon de relier plusieurs lampes consiste à les placer les unes à la suite des autres, sur une unique boucle. C'est le circuit en série.
Dans un circuit en série, les composants sont branchés les uns à la suite des autres sur une seule boucle. Le courant n'a qu'un seul chemin possible pour circuler.
Imagine une file d'élèves qui se tiennent par la main pour former une seule ronde fermée autour de la pile : le courant part d'une borne de la pile, traverse la première lampe, puis la deuxième, puis revient à l'autre borne. Il n'y a pas de croisement, pas d'embranchement : un seul fil conducteur fait tout le tour.
Exemple 1. Une pile, deux lampes et un interrupteur reliés en une seule boucle forment un circuit en série. Si tu suis le fil avec le doigt en partant de la pile, tu repasses par la pile sans jamais avoir eu de choix de direction.
Comment reconnaître un montage en série
La question à te poser est toujours la même : « y a-t-il un seul chemin, ou plusieurs ? » Si, en suivant le fil du doigt depuis la pile, tu traverses obligatoirement tous les récepteurs l'un après l'autre avant de revenir, c'est un circuit en série.
Un circuit en série, c'est une seule boucle et un seul chemin pour le courant : il traverse tous les composants à la file.
Le circuit en dérivation : plusieurs branches
La seconde façon de relier les lampes est différente. Au lieu de les mettre à la file, on les place côte à côte, sur des fils séparés qui partent du même point et reviennent au même point. C'est le circuit en dérivation, qu'on appelle aussi circuit parallèle.
Dans un circuit en dérivation, le circuit comporte plusieurs branches reliées entre deux points communs appelés nœuds. Le courant se partage entre les branches au premier nœud, puis se rassemble au second.
Reprends l'image de la file d'élèves, mais cette fois, au lieu d'une seule ronde, deux chemins partent d'un même carrefour et se rejoignent plus loin. Une partie du courant passe par la première branche, l'autre partie par la seconde. Chaque lampe est sur sa propre branche.
Un nœud est un point du circuit où au moins trois fils se rejoignent. C'est là que le courant se partage ou se rassemble.
Exemple 2. Deux lampes branchées chacune sur sa propre branche, entre les deux mêmes bornes de la pile, forment un circuit en dérivation. Le courant qui sort de la pile se sépare en deux au premier nœud : une part pour chaque lampe.
Branche et boucle : deux mots à ne pas confondre
Une branche est la portion de circuit entre deux nœuds (par exemple le morceau qui porte une seule lampe). Une boucle est un trajet fermé complet. Dans un circuit en dérivation, il y a plusieurs branches, et donc plusieurs boucles possibles ; dans un circuit en série, il n'y a qu'une seule boucle et aucun nœud.
En dérivation, le courant se partage entre des branches indépendantes ; en série, le courant est unique et traverse tout à la file.
Si une lampe grille : le test décisif
Voici l'expérience qui révèle d'un coup la nature d'un circuit. Que se passe-t-il si une seule lampe grille (son filament se casse, donc le courant ne peut plus la traverser) ?
En série : tout s'éteint
Dans un circuit en série, il n'y a qu'un seul chemin. Si une lampe grille, ce chemin unique est coupé : le courant ne peut plus circuler nulle part. Résultat, toutes les lampes s'éteignent, même celles qui sont parfaitement intactes.
En série, si une seule lampe grille, le circuit est coupé et toutes les lampes s'éteignent.
C'est exactement le défaut de l'ancienne guirlande de Yasmine : une ampoule morte, et toute la rangée s'éteint. Pire, on ne sait même pas laquelle est coupable, puisqu'elles sont toutes éteintes.
En dérivation : les autres continuent
Dans un circuit en dérivation, chaque lampe est sur sa propre branche, indépendante des autres. Si une lampe grille, seule sa branche est coupée. Le courant continue de passer par les autres branches : les autres lampes restent allumées.
En dérivation, les branches sont indépendantes : si une lampe grille, les autres continuent de briller normalement.
Exemple 3. Trois lampes en dérivation. La deuxième grille. Combien en reste-t-il d'allumées ? Deux : la première et la troisième, chacune sur sa branche intacte.
La luminosité : un éclat qui dépend du montage
Le montage ne change pas seulement ce qui arrive quand une lampe grille. Il change aussi l'intensité de l'éclat de chaque lampe.
En série : plus de lampes, moins de lumière
En série, les lampes doivent se partager l'effet du courant sur l'unique boucle. Plus tu ajoutes de lampes en série, moins chacune brille : la lumière s'affaiblit, car le même courant unique est « freiné » par tous les récepteurs successifs.
En série, ajouter une lampe fait pâlir toutes les lampes. Elles ne brillent jamais plus fort en étant plus nombreuses, bien au contraire.
En dérivation : chaque branche garde son éclat
En dérivation, chaque branche est alimentée directement entre les deux mêmes nœuds. Ajouter une lampe sur une nouvelle branche ne change pas l'éclat des lampes déjà présentes : chacune reçoit ce dont elle a besoin sur sa propre branche.
En dérivation, ajouter une lampe sur une nouvelle branche ne modifie pas la luminosité des autres. Chaque branche reste indépendante.
Exemple 4. Tu as deux lampes en série qui brillent faiblement. Tu en retires une : la lampe restante brille plus fort. À l'inverse, en dérivation, retirer une lampe ne change rien à l'éclat de celles qui restent.
Le court-circuit d'un récepteur
Terminons par une situation surprenante. Que se passe-t-il si on relie directement les deux bornes d'une lampe par un simple fil, c'est-à-dire si on place un fil en parallèle par-dessus la lampe ? On dit qu'on court-circuite la lampe.
Court-circuiter un récepteur, c'est relier ses deux bornes par un fil conducteur. Le courant emprunte alors ce fil sans résistance plutôt que de traverser le récepteur.
Le courant est « paresseux » : il passe par le chemin le plus facile. Or un simple fil oppose beaucoup moins de gêne au passage du courant qu'une lampe. Le courant abandonne donc la lampe et file par le fil. La lampe court-circuitée s'éteint, alors même que le circuit reste fermé.
Une lampe court-circuitée s'éteint : le courant passe par le fil sans résistance placé en parallèle, et délaisse la lampe.
C'est pour cette raison qu'un court-circuit est dangereux : sans rien pour freiner le courant, celui-ci devient très intense et échauffe les fils. Tu verras dans la suite du programme pourquoi on protège les installations avec des fusibles et des disjoncteurs.
Pièges classiques
Piège 1 : confondre série et dérivation. La question décisive n'est pas le nombre de lampes, mais le nombre de chemins. Série = une seule boucle, un seul chemin, aucun nœud. Dérivation = plusieurs branches entre deux nœuds, le courant se partage. Suis toujours le fil du doigt depuis la pile : as-tu un choix de direction, oui ou non ?
Piège 2 : croire qu'en série une lampe grillée laisse les autres allumées. En série, le chemin est unique. Une lampe grillée coupe ce chemin, donc toutes les lampes s'éteignent. C'est l'inverse de l'intuition « les autres sont intactes, donc elles brillent » : intactes ou non, elles ne reçoivent plus de courant.
Piège 3 : croire qu'en dérivation une lampe grillée éteint tout. En dérivation, chaque lampe est sur sa propre branche indépendante. Une lampe grillée ne coupe que sa branche ; les autres branches continuent d'alimenter leurs lampes, qui restent allumées.
Piège 4 : penser qu'ajouter des lampes en série les rend plus brillantes. C'est exactement le contraire. En série, plus il y a de lampes, moins chacune brille, car elles se partagent l'unique courant. Ajouter une lampe en série affaiblit tout le monde.
Piège 5 : oublier que le courant est unique en série mais se partage en dérivation. En série, le même courant traverse successivement tous les récepteurs : il est le même partout sur la boucle. En dérivation, le courant se sépare aux nœuds : chaque branche en reçoit une part. Ne transpose pas une règle d'un montage à l'autre.
Piège 6 : confondre « branche » et « boucle ». Une branche relie deux nœuds ; une boucle est un trajet fermé complet (voir plus haut, Branche et boucle : deux mots à ne pas confondre).
Application concrète
Yasmine prépare la décoration d'une fête de famille à Marrakech, puis s'interroge sur l'installation électrique de la maison. Suivons son raisonnement, montage par montage.
Étape 1 — Tester l'ancienne guirlande.
Yasmine branche une vieille guirlande : toutes les ampoules s'allument. Mais une seule ampoule grille, et d'un coup toute la guirlande s'éteint. Elle en déduit que les ampoules sont montées en série : il n'y a qu'un seul chemin, et l'ampoule grillée l'a coupé. Frustrant, car il faut maintenant tester chaque ampoule pour trouver la coupable.
Étape 2 — Tester la guirlande récente.
Elle branche une guirlande moderne. Là encore une ampoule grille, mais cette fois les autres restent allumées. Yasmine comprend que les ampoules sont montées en dérivation : chaque ampoule est sur sa propre branche indépendante, donc une ampoule morte n'éteint que la sienne. Bien plus pratique : on repère immédiatement l'ampoule à changer.
Étape 3 — Comparer la luminosité.
Sur une troisième guirlande montée en série, Yasmine ajoute des ampoules : elle voit que chaque ampoule brille de plus en plus faiblement à mesure qu'elle en ajoute. Sur la guirlande en dérivation, elle ajoute aussi des ampoules : leur éclat ne change pas. Cela confirme la leçon : en série, on se partage la lumière ; en dérivation, chaque branche garde son éclat.
Étape 4 — Comprendre l'installation de la maison.
Yasmine se demande comment est câblée la maison. Si l'installation était en série, éteindre la lampe de la cuisine éteindrait aussi celle du salon, et une seule ampoule grillée plongerait toute la maison dans le noir. Or ce n'est pas le cas : chaque pièce s'allume et s'éteint indépendamment. L'installation est donc en dérivation — chaque pièce, chaque prise, est une branche indépendante reliée aux mêmes deux fils d'arrivée.
Conclusion.
Du même geste — accrocher une guirlande — Yasmine a redécouvert toute la différence entre série et dérivation, et compris pourquoi une maison se câble forcément en dérivation. Ce raisonnement s'appuie sur le fait que le courant ne circule que dans les conducteurs : tu approfondiras cette idée dans le chapitre Conducteurs et isolants, où l'on verra exactement quels matériaux laissent passer le courant et lesquels le bloquent.
À retenir
Avant les exercices, voici les règles essentielles à mémoriser.
Un circuit en série est une seule boucle avec un seul chemin pour le courant : il traverse tous les composants à la file. Un circuit en dérivation comporte plusieurs branches entre deux nœuds, et le courant se partage entre elles.
En série, si une lampe grille, le circuit est coupé et toutes les lampes s'éteignent. En dérivation, les branches sont indépendantes : si une lampe grille, les autres restent allumées.
En série, plus on ajoute de lampes, moins chacune brille. En dérivation, ajouter une lampe sur une nouvelle branche ne change pas l'éclat des autres.
Le courant est unique en série (le même partout) et se partage en dérivation (une part par branche). Une branche relie deux nœuds ; une boucle est un trajet fermé complet.
Court-circuiter une lampe (un fil en parallèle dessus) l'éteint : le courant passe par le fil sans résistance et délaisse la lampe.