Série ou parallèle: pourquoi les deux lampes s'éteignent-elles ensemble?
Dans le cadre de la fête de la science, un élève de 3e du collège de Fianarantsoa construit une maquette de maison. Il dispose d'une pile plate de 4,5 V, de deux lampes identiques marquées 3,5 V / 0,2 A, d'un interrupteur et de fils. Il relie la pile, l'interrupteur et les deux lampes en série. À l'allumage, les lampes brillent faiblement. Lorsqu'il dévisse une lampe, l'autre s'éteint aussi. Il conclut que la pile est usée. Le professeur sait que la pile est neuve et que les lampes ne sont pas grillées. Il veut faire comprendre la différence entre série et parallèle, puis valider un montage où chaque lampe peut s'allumer séparément. Il ne reste qu'un interrupteur supplémentaire dans la boîte.
1. Expliquez pourquoi les deux lampes s'éteignent quand on en dévisse une, et pourquoi elles brillent faiblement. Votre explication doit distinguer circuit ouvert et répartition de la tension.
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Dans un montage en série, il n'y a qu'une seule boucle: le courant passe par la pile, l'interrupteur, puis les deux lampes l'une après l'autre. Si on dévisse une lampe, on crée un circuit ouvert: le courant ne peut plus circuler, donc l'autre lampe s'éteint aussi. Ce n'est pas la preuve que la pile est usée. Pour la faible brillance, la tension de 4,5 V se répartit entre les deux lampes identiques: chacune reçoit environ 2,25 V, alors qu'elle est prévue pour 3,5 V. Elles sont donc sous-alimentées et brillent moins. Le courant est le même dans les deux lampes, mais la tension disponible est partagée.
2. Décrivez en mots le montage correct avec les deux interrupteurs pour que chaque lampe s'allume séparément. Précisez les branches et la position des interrupteurs.
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Il faut monter les deux lampes en dérivation, c'est-à-dire en parallèle, sur les deux bornes de la pile. On forme deux branches: la première contient la lampe 1 en série avec l'interrupteur 1; la seconde contient la lampe 2 en série avec l'interrupteur 2. Les deux branches sont reliées aux mêmes bornes de la pile. Ainsi, fermer l'interrupteur 1 allume seulement la lampe 1, et fermer l'interrupteur 2 allume seulement la lampe 2. Chaque lampe reçoit alors la tension de la pile, soit 4,5 V, ce qui est supérieur à sa tension nominale de 3,5 V: il faudrait ajouter une résistance ou utiliser une pile de 3,5 V pour éviter de les user trop vite. Le montage permet bien un fonctionnement indépendant.
3. Un camarade propose de garder le montage en série et d'ajouter un interrupteur en série avec chaque lampe. Cela suffit-il? Justifiez.
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Non. Même avec deux interrupteurs, si les lampes restent en série, il n'y a toujours qu'une seule boucle. Ouvrir l'interrupteur d'une lampe coupe la boucle entière, donc l'autre lampe s'éteint aussi. Les deux interrupteurs seraient alors inutiles pour un fonctionnement séparé: ils commanderaient tous les deux l'ensemble du circuit. Pour allumer une lampe sans l'autre, il faut que chaque lampe ait sa propre branche reliée directement à la pile, donc un montage en parallèle avec un interrupteur par branche.