Sciences · Physique
Caractéristique courant-tension d’un dipôle
La caractéristique d’un dipôle est la courbe qui représente la tension à ses bornes en fonction de l’intensité qui le traverse. Une droite passant par l’origine signale un dipôle ohmique, qui suit la loi d’Ohm.
Mis à jour le 4 min de lecture
Tous les dipôles ne réagissent pas de la même façon à une tension : une résistance laisse passer un courant proportionnel à la tension, une lampe à filament de moins en moins, une diode presque rien puis brusquement beaucoup. La caractéristique d’un dipôle, courbe obtenue en mesurant plusieurs couples (I, U), résume ce comportement. Son tracé est une activité expérimentale classique de 4e et de seconde en France.
Le montage de mesure
Matériel : un générateur de tension réglable (0 à 12 V) ou une pile avec un rhéostat, le dipôle étudié, une résistance de protection si nécessaire, deux multimètres, des fils.
- Brancher en série le générateur, le dipôle et un ampèremètre.
- Brancher un voltmètre en dérivation aux bornes du dipôle (voir multimètre).
- Faire varier la tension du générateur par petites étapes et relever chaque couple (I, U).
- Pour un dipôle non symétrique (diode), inverser ensuite son branchement et recommencer.
- Tracer les points dans un repère, avec U en ordonnée et I en abscisse (ou l’inverse), puis la courbe qui passe au plus près.
Le dipôle ohmique
Pour une résistance (ou conducteur ohmique), les points s’alignent sur une droite passant par l’origine : U est proportionnelle à I. C’est la loi d’Ohm :
U = R × I
Le coefficient directeur de la droite est la résistance R, en ohms.
Exemple de série de mesures sur une résistance :
| I (mA) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 |
|---|---|---|---|---|---|
| U (V) | 0 | 1,0 | 2,1 | 3,0 | 4,0 |
La caractéristique est symétrique : si l’on inverse le branchement, on obtient le prolongement de la droite pour les valeurs négatives.
Les dipôles non ohmiques
| Dipôle | Allure de la caractéristique U = f(I) | Interprétation |
|---|---|---|
| Lampe à filament | Courbe dont la pente augmente : U croît de plus en plus vite avec I | Le filament chauffe, sa résistance augmente avec la température |
| Diode, DEL | I reste quasi nul tant que U est inférieure à la tension de seuil, puis croît très vite ; en inverse, I reste nul | Composant qui ne conduit que dans un sens (voir diode et DEL) |
| Thermistance | Droite ou courbe dont la pente change avec la température | Résistance qui varie avec la température |
| Photorésistance | Pente plus faible quand l’éclairement augmente | Résistance qui diminue à la lumière |
Pour un dipôle non ohmique, le rapport U / I n’est pas constant : parler de « sa » résistance n’a de sens qu’en un point de fonctionnement donné.
La caractéristique d’un générateur
Pour une pile, la tension à ses bornes diminue légèrement quand l’intensité débitée augmente. Sa caractéristique est une droite décroissante :
U = E − r × I
- E : tension à vide (force électromotrice), lue quand I = 0 ;
- r : résistance interne, égale à l’opposé du coefficient directeur.
Une pile plate neuve a typiquement E ≈ 4,5 V et r de l’ordre de 1 Ω ; r augmente quand la pile s’use.
Le point de fonctionnement
Quand on branche un dipôle sur un générateur, l’intensité et la tension qui s’établissent correspondent à l'intersection des deux caractéristiques, tracées dans le même repère : c’est le point de fonctionnement. Cette méthode graphique est utile quand un dipôle n’est pas ohmique et qu’aucune formule simple ne s’applique.
Erreurs fréquentes
- Relier les points par une ligne brisée : on trace la droite ou la courbe moyenne qui passe au plus près des points.
- Oublier de convertir les mA en A avant de calculer le coefficient directeur.
- Conclure qu’un dipôle est ohmique parce que ses points sont alignés sans passer par l’origine : il faut les deux conditions.
- Inverser les axes sans le signaler : la pente vaut R si U est en ordonnée, 1/R si c’est I.
- Brancher l’ampèremètre en dérivation.
Exercice corrigé
Énoncé. On relève pour un dipôle : I = 0 ; 0,05 ; 0,10 ; 0,15 ; 0,20 A et U = 0 ; 1,1 ; 2,2 ; 3,3 ; 4,4 V. 1) Le dipôle est-il ohmique ? 2) Calculer sa résistance. 3) Quelle intensité le traverse sous 6,0 V ? 4) Pour une lampe, on relève U = 1,0 V pour I = 0,10 A et U = 6,0 V pour I = 0,30 A : que dire de sa résistance ?
Corrigé.
- U / I vaut toujours 22 Ω et la courbe passe par l’origine : le dipôle est ohmique.
R = 4,4 / 0,20 = 22 Ω.I = 6,0 / 22 ≈ 0,27 A.U/I = 10 Ωdans le premier cas,20 Ωdans le second : la résistance augmente avec l’intensité, car le filament chauffe. La lampe n’est pas un dipôle ohmique.
Questions fréquentes
Pourquoi la résistance d’une lampe augmente-t-elle quand elle chauffe ?
Dans un métal, l’agitation thermique des atomes gêne le déplacement des électrons libres : la résistivité augmente avec la température. Le filament de tungstène d’une lampe, porté à plus de 2 000 °C, a une résistance environ dix fois plus grande qu’à froid.
Un fil de cuivre est-il un dipôle ohmique ?
Oui, à température constante. Sa résistance est simplement très faible, d’où une caractéristique presque confondue avec l’axe des intensités.
À quoi sert la caractéristique d’un panneau solaire ?
Elle montre comment la tension et l’intensité fournies varient selon la charge branchée et l’éclairement. Les onduleurs ajustent en permanence la charge pour fonctionner au point de puissance maximale. Voir énergie solaire.