Physique-chimie · Première · Électricité et circuits · 3e Trimestre

Générateurs réels de tension

Les élèves étudient les caractéristiques des générateurs réels et leur résistance interne.

• Programmes Officiels
• EDNAT.PC.605

À propos de ce thème

Un generateur reel de tension se distingue d'un generateur ideal par sa resistance interne r. La tension a ses bornes chute lorsque le courant debite augmente, selon la relation U = E - rI, ou E est la force electromotrice (f.e.m.) et I l'intensite du courant. Cette chute de tension explique pourquoi une pile 'fatiguee' ne maintient plus sa tension nominale sous charge.

Le programme de l'Education Nationale demande aux eleves de tracer la caracteristique U(I) d'un generateur, d'en extraire E et r, et de comprendre l'impact de la resistance interne sur les performances du circuit. Cette notion est essentielle pour les bilans de puissance et le dimensionnement de circuits reels.

Le passage du modele ideal au modele reel est un moment formateur ou les eleves confrontent la theorie aux mesures. En constatant que la tension diminue quand on augmente la charge, ils construisent une comprehension concrette des limites de tout generateur. Le travail experimental en groupe facilite cette transition du modele simplifie au modele realiste.

Questions clés

1. Pourquoi la tension d'une pile s'effondre-t-elle quand on lui demande trop de courant?
2. Comment déterminer la force électromotrice et la résistance interne d'un générateur?
3. Analysez l'impact de la résistance interne sur la puissance fournie par un générateur.

Objectifs d'apprentissage

• Calculer la force électromotrice (f.e.m.) et la résistance interne d'un générateur à partir de sa caractéristique expérimentale U(I).
• Expliquer la chute de tension aux bornes d'un générateur réel en fonction de l'intensité du courant débité.
• Analyser l'impact de la résistance interne sur la puissance maximale fournie par un générateur à un circuit extérieur.
• Comparer le comportement d'un générateur réel à celui d'un générateur idéal en utilisant la relation U = E - rI.

Avant de commencer

Générateurs idéaux de tension

Pourquoi : Les élèves doivent maîtriser le concept de générateur idéal pour comprendre les différences introduites par la résistance interne.

Loi d'Ohm pour un circuit simple

Pourquoi : La compréhension de la loi d'Ohm (U=RI) est fondamentale pour analyser les relations de tension et de courant dans un circuit.

Puissance électrique

Pourquoi : L'étude de l'impact de la résistance interne sur la puissance fournie nécessite une connaissance préalable des formules de puissance électrique (P=UI, P=RI²).

Vocabulaire clé

Force électromotrice (f.e.m.)	Tension à vide aux bornes d'un générateur, représentant l'énergie qu'il peut fournir par unité de charge. Elle est notée E.
Résistance interne	Résistance propre au générateur, notée r, qui cause une perte de tension lorsque le courant circule. Elle s'exprime en ohms (Ω).
Caractéristique U(I)	Graphique représentant la tension U aux bornes d'un générateur en fonction de l'intensité I du courant qu'il débite. Elle est généralement linéaire pour un générateur réel.
Tension à vide	Tension mesurée aux bornes d'un générateur lorsqu'aucun courant n'est débité (I=0). Elle est égale à la f.e.m. (E).

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

La f.e.m. d'un generateur est la tension mesuree a ses bornes.

Ce qu'il faut enseigner à la place

La f.e.m. E est la tension a vide (quand aucun courant ne circule). Des que le generateur debite, la tension U est inferieure a E a cause de la chute rI dans la resistance interne. Mesurer la tension a vide puis sous charge permet aux eleves de constater directement cette difference.

Idée reçue courante

Une pile usee a une f.e.m. plus faible qu'une pile neuve.

Ce qu'il faut enseigner à la place

La f.e.m. d'une pile usee peut rester proche de sa valeur nominale. C'est surtout sa resistance interne qui augmente fortement, provoquant une chute de tension importante des que le courant circule. Les mesures comparatives en TP revelent ce phenomene clairement.

Idée reçue courante

La resistance interne est negligeable pour tous les generateurs.

Ce qu'il faut enseigner à la place

La resistance interne est negligeable pour certains generateurs (alimentation de laboratoire), mais significative pour les piles, batteries et cellules solaires. Ignorer r conduit a des erreurs importantes dans le calcul de la puissance reellement delivree. Les bilans de puissance en groupe ancrent cette distinction.

Idées d'apprentissage actif

Cercle de recherche: Radiographie d'une pile

Chaque groupe recoit une pile differente (1,5 V neuve, 1,5 V usagee, 9 V, pile rechargeable). En faisant varier la resistance de charge et en mesurant U et I, les eleves tracent la caracteristique et determinent E et r pour chaque pile. La comparaison revele l'impact de l'usure et du type de pile.

45 min·Petits groupes

Penser-Partager-Présenter: Pourquoi la lampe faiblit ?

L'enseignant montre une video d'une lampe torche qui faiblit progressivement. Chaque eleve propose individuellement une explication, puis en discute avec son voisin. La mise en commun introduit la notion de resistance interne qui augmente avec l'usure de la pile.

15 min·Binômes

Enseignement par les pairs: Lire E et r sur un graphique

Un eleve montre a son partenaire comment extraire la f.e.m. (ordonnee a l'origine) et la resistance interne (oppose de la pente) sur la droite U(I). Le partenaire applique ensuite la methode sur un graphique different et verifie la coherence avec U = E - rI.

15 min·Binômes

Débat formel: Pile neuve vs pile rechargeable

Deux groupes comparent les avantages d'une pile alcaline neuve (faible r initiale) et d'une batterie lithium-ion rechargeable (r stable, nombreux cycles). Les arguments doivent s'appuyer sur les caracteristiques tracees en TP et sur des considerations environnementales.

20 min·Classe entière

Liens avec le monde réel

• Les techniciens en maintenance électronique utilisent la caractéristique U(I) pour diagnostiquer l'état des batteries de véhicules électriques ou des piles à combustible, identifiant une résistance interne trop élevée qui limite l'autonomie.
• Les ingénieurs concepteurs de téléphones portables doivent choisir des batteries dont la résistance interne est faible pour assurer une puissance suffisante aux composants gourmands en énergie, même lorsque la batterie est peu chargée.
• Les électriciens évaluent la performance des groupes électrogènes dans les hôpitaux. Une résistance interne importante limiterait la capacité du groupe à fournir la puissance nécessaire lors de coupures de courant.

Idées d'évaluation

Vérification rapide

Après avoir tracé la caractéristique U(I) d'une pile en laboratoire, demandez aux élèves de calculer la f.e.m. et la résistance interne à partir de deux points du graphique. Posez la question : 'Que se passerait-il si la résistance interne était deux fois plus grande ?'

Question de discussion

Présentez aux élèves le scénario d'une lampe de poche dont l'éclairage faiblit rapidement. Demandez-leur d'expliquer ce phénomène en utilisant les concepts de f.e.m., de résistance interne et de chute de tension. Encouragez-les à proposer des solutions pour améliorer la durée de vie de la lampe.

Billet de sortie

Sur un post-it, demandez à chaque élève d'écrire la relation mathématique qui lie la tension aux bornes d'un générateur réel (U), sa f.e.m. (E), sa résistance interne (r) et l'intensité du courant (I). Ils doivent ensuite donner un exemple concret où cette relation est importante.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que la force electromotrice d'un generateur ?

La force electromotrice (f.e.m.) E est la tension maximale que peut delivrer un generateur, mesuree lorsque aucun courant ne circule (circuit ouvert). Elle correspond a l'energie fournie par le generateur a chaque coulomb de charge. Des que le generateur debite, la tension a ses bornes descend sous E a cause de la resistance interne.

Comment determiner la resistance interne d'une pile ?

On trace la caracteristique U(I) en faisant varier la charge du circuit. La courbe est une droite decroissante : l'ordonnee a l'origine donne la f.e.m. E et la pente (en valeur absolue) donne la resistance interne r. On peut aussi mesurer U pour deux valeurs de I differentes et calculer r = (E - U)/I.

Pourquoi la tension d'une pile diminue-t-elle quand on branche plus d'appareils ?

Chaque appareil supplémentaire augmente le courant total débité par la pile. La chute de tension rI dans la résistance interne augmente proportionnellement. La tension utile U = E - rI diminue donc. C'est pourquoi une pile alimentant plusieurs appareils s'epuise plus vite et maintient moins bien sa tension.

Comment aborder les generateurs reels avec des methodes actives ?

Le TP comparatif (pile neuve vs usagee, alcaline vs rechargeable) est tres parlant. Les eleves tracent les caracteristiques, extraient E et r, et constatent les differences. Le Penser-Partager-Présenter sur la lampe qui faiblit mobilise l'intuition avant la formalisation. Le debat pile vs batterie ancre les concepts dans un contexte concret et environnemental.