chap 1 et chap 2

Chap1. Introduction: L’électricité dans le monde d’hier et
d’aujourd’hui
Le mot électricité provient du mot grec  (êlektron). En effet les premières études de
phénomènes électriques ont été rapportées autour de l’an -600 par Thalès de Milet (ville
située aujourd’hui en Turquie). A cette époque, on rapporte en effet que l’ambre jaune (une
résine de conifère), après avoir été frottée à l’aide d’un tissus, possède la propriété de déplacer
des objets légers.
Figure 1.2 : une baguette isolante frottée
attire des objets légers
Figure 1.1 : Portrait de Thalès et photo d'un
morceau d'ambre jaune
L’électricité continuera de fasciner pendant des siècles sans que la compréhension du
phénomène ne progresse réellement. A partir du XVIIème siècle, les scientifiques européens
développeront cette nouvelle science qui convergera au XIXème avec l’étude du magnétisme.
On crée d’abord des générateurs électrostatiques par frottement qui permettent de reproduire
précisément des expériences consistant à charger et décharger divers objets, et même des
homme ou des femmes dans les salons parisiens.
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Figure 1.3: Machine électrostatique
En faisant tourner un disque de verre en contact avec un tissus, on pouvait créer des charges
électriques importantes.
William Gilbert emploie le mot électricité pour la première fois en 1600, Charles Du Fay met
en évidence deux types d’électricité positive et négative (alors appelées vitreuse et résineuse),
Charles de Coulomb énonce les lois de forces électrostatiques en 1785, Alessandro Volta
réalise la première pile électrique 1799 ouvrant ainsi la voie à l’étude de courants continus.
André-Marie Ampère (Né à Lyon, un musée lui est dédié à Poleymieux au mont d’Or dans sa
maison natale) jette les bases de l’électromagnétisme qui seront complétées par la suite par
James Clerk Maxwell.
Figure 1.5 : table d'expériences d'Ampère
Figure 1.4 : Schéma de la balance de Coulomb
ayant servi pour quantifier la force
électrostatique
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Ainsi au XIXème et au XXème siècle les applications des phénomènes électriques (on devrait
plutôt dire électromagnétiques) se sont développées et répandues très rapidement : l’éclairage
public puis domestique s’est très largement répandu après l’invention de l’ampoule électrique
ou du tube néon ; les moteurs électriques se sont perfectionnés et ont permis la création de
machines industrielles toujours plus perfectionnées automatisant les tâches répétitives et aussi
des transports en commun moins polluants (train, métro, tram…).
Figure 1.6 : ampoule de Thomas Edison
Figure 1.7 : En 1870 Zénobe Gramme invente
la dynamo
Vers le milieu du XXème siècle on découvre le phénomène de supraconductivité à basse
température qui permet de construire des électro-aimants extrêmement puissants avec des
applications en recherche (LHC au CERN par ex.), en médecine (IRM, RMN,…).
Figure 1.8 : Aimant supraconducteur le plus Figure 1.9 : Application médicales des aimants
puissant au monde (expérience CMS au supraconducteurs : l'IRM
CERN)
La compréhension des phénomènes électriques et magnétiques va ouvrir aussi la voie à
l’électronique et à la miniaturisation des circuits électriques avec les applications que l’on
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connaît tous aujourd’hui dans le domaine des télécommunications et des technologies de
l’information
Les applications de l’électricité dans la vie quotidienne, l’industrie et la recherche sont
innombrables et il est donc impossible de les citer toutes dans cette introduction. Cependant,
étant donné l’importance de ce sujet, les enjeux sociétaux de la production et de la
consommation de l’énergie électrique, il apparaît indispensable pour un étudiant dans un
domaine scientifique d’en maîtriser au moins les connaissances élémentaires.
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Chap2. Lesnotionsdebasedel’électricité
1. Lachargeélectrique
1.1. Chargeélémentaire
La matière est constituée de particules élémentaires possédant (au moins) deux propriétés
intrinsèques : une masse noté m et une charge électrique notée q.
La matière macroscopique se constitue à partir de ces particules élémentaires, notamment les
plus stables d’entre elles que sont l’électron, le neutron et le proton, pour former atomes et
molécules.
La charge de l’électron (en valeur absolue) est considérée comme l’unité de charge
élémentaire, exprimée en Coulomb (C) elle vaut :
e  1,602 10 19 C
Contrairement à la masse, toujours positive, on affecte arbitrairement un signe + ou – à une
charge électrique selon le sens de la force qu’elle subit lorsqu’on la place dans un champ
électrique. Ainsi un électron possède une charge –e, un proton une charge +e et un neutron
une charge nulle.
1.2. Quantitésdechargemacroscopique
En électricité, on considérera toujours des quantités de matière chargée tellement grandes,
qu’on pourra approximer les déplacements de charges à un fluide électrique. On notera
souvent q, Q ou q une telle quantité de charge.
Les ordres de grandeur pour les quantités de charges dépendent de la taille des circuits
étudiés, cela peut aller du pC (10-12 C) dans des circuits intégrés miniaturisés de téléphone
mobile par exemple, à des C dans des lignes de transports d’électricité. Dans des circuits
étudiés sur une table de TP, l’ordre de grandeur est le µC (10-6 C).
Dans un circuit électrique, on considérera toujours un déplacement de charges positives.
Aussi, même si l’on sait que dans un métal, ce sont des électrons de charge –e qui sont
responsables de la conduction, on raisonnera comme s’il s’agissait de particules de charges +e
se déplaçant en sens inverse.
2. Lecourantélectrique
2.1. Observation
Toujours dans un métal, le mouvement des électrons est freiné par les collisions sur le réseau
cristallin, et provoque un échauffement du métal. Cet échauffement, quasiment inévitable
(excepté dans les supraconducteurs) est appelé effet Joule. Il implique une transformation de
l’énergie électrique en chaleur. Pour maintenir un courant constant, cette énergie perdue doit
être compensé par un générateur. La Figure 2.1 montre que pour maintenir une ampoule
allumée, il faut la relier à un générateur (pile) pour former un circuit fermé.
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Dans ce circuit, pour une durée raisonnable, le courant électrique est maintenu
approximativement constant par le générateur.
Figure 2.1 - Courant dans un ampoule
2.2. Intensitéducourant
Dans le circuit de la Figure 2.2, on place deux piles en série pour alimenter la même ampoule
que dans le circuit de la Figure 2.1. Par rapport à la situation de la Figure 2.1, on observe une
augmentation de l’intensité lumineuse qui traduit une augmentation de la quantité de charges
électriques qui la traverse par unité de temps.
Figure 2.2 - Alimentation à l'aide de deux générateurs en série
On définit Q la quantité de charge qui traverse l’ampoule dans le temps t et on définit
l’intensité I courant électrique par :
I
Q
t
Eq. 1
Si on considère un intervalle de temps infinitésimal dt, alors la définition du courant devient :
I
dQ
dt
Eq. 2
Dans le cas de la Figure 2.2, on montre que l’intensité du courant est deux fois plus grande
que dans le cas de Figure 2.1.
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L’unité de courant est l’Ampère, noté A, défini comme une quantité de charge de 1 coulomb
traversant une portion de circuit en 1 seconde :
1A  1C / s
Eq. 3
2.3. Mesuredel’intensitéducourant
Pour mesurer l’intensité d’un courant dans une branche d’un circuit on utilise un
ampèremètre. L’ampèremètre se branche en série dans le circuit. Il est symbolisé par un
cercle avec la lettre A.
Figure 2.4 : Symbole pour un ampèremètre
Figure 2.3 : Fonction ampèremètre d’un
multimètre numérique
Pour ne pas modifier la valeur du courant à mesurer, un ampèremètre idéal doit posséder une
résistance interne nulle. En réalité, un ampèremètre possède toujours une faible résistance
interne. On devra donc veiller à ce que cette résistance interne reste faible devant la résistance
des éléments qui compose le circuit étudié.
2.4. Descriptionmicroscopique
Dans un conducteur, il existe des particules chargées libres de se déplacer. Ce peut-être des
électrons dans un métal ou des ions dans une solution (Ex : Na+, Cl- dans l’eau salée). Leur
déplacement est dû à une force électrique induite par le générateur.
Cette force électrique est proportionnelle à la charge électrique q de ces particules et l’on peut
écrire la force électrique sous la forme :


F qE
Eq. 4

On définit ainsi le champ électrique E créé par le générateur pour mettre en mouvement les
particules chargées. En première approximation, on considérera dans ce cours que ce champ
électrique est uniforme (même direction, sens et norme) dans tout le conducteur.
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3. Latensionélectrique
3.1.
Lepotentielélectrique
a. Analogieaveclaforcedepesanteur
La force électrique est une force conservative, comme la force de pesanteur (poids) sur un



corps de masse m : P  m g (ou g est le champ d’accélération de la pesanteur qui peut être
considéré comme approximativement uniforme à la surface de la Terre).
On rappelle que pour la force de pesanteur, on définit l’énergie potentielle de pesanteur Ep (à
une constante près) par : E p  mgz  C te . Si le sol à l’altitude z=0 est choisi comme référence
pour l’énergie potentielle E p  z  0   0 , alors la constante est nulle et il vient : E p  mgz .
Lors de la chute libre d’un corps de masse m dans le champ de pesanteur entre deux points A
et B situés aux altitudes zA et zB, la conservation de l’énergie totale impose que la différence
d’énergie potentielle entre A et B se transforme en énergie cinétique Ec (la vitesse augmente) :
 E p  E p  z A   E p  z B   EC  z B   EC  z A 
Eq. 5
Par analogie avec la force de pesanteur, on peut définir l’énergie potentielle électrique (en
supposant un champ électrique dirigé dans la direction Oz) :
E p  q E z  C te
Eq. 6
où la charge q joue le rôle de m, E est la norme du champ électrique et joue le rôle de g.
De même, il est possible de choisir la référence de potentiel électrique de sorte que
E p  z  0   0 et que la constante soit nulle.
Ep  q E z
Eq. 7
Ainsi, entre deux points A(zA) et B (zB), on peut définir la différence d’énergie potentielle
par :
 E p  E p  z A   E p  z B   qE  z A  z B 
Eq. 8
Remarque : La différence d’énergie potentielle ne dépend pas du choix de la constante.
Dans un circuit électrique, les charges positives se déplaceront donc des points où leur énergie
potentielle est la plus grande vers les points où elle est la plus faible. L’énergie potentielle
électrique impose donc le sens réel du courant dans un circuit.
b. Lepotentielélectrique
On définit le potentiel électrique, noté par la lettre V de façon générale en isolant la charge q
dans l’expression de l’énergie potentielle :
8
E p  qV
Eq. 9
L’unité de potentiel électrique est le Volt (V).
Pour définir le volt, on peut écrire qu’un volt correspond au potentiel électrique d’une charge
de 1 Coulomb placée en un point de l’espace où son énergie potentielle est de 1 Joule :
1V  1 J / 1C
Eq. 10
c. Latensionoudifférencedepotentiel
Au paragraphe 3.1, nous avons vu que lors du déplacement d’une charge entre deux points A
et B dans un champ électrique homogène son énergie potentielle varie de la quantité
 E p  qE  z A  z B  .
A partir de la définition du potentiel, ci-dessus, on peut écrire qu’il existe une différence de
potentiel électrique entre les points A et B. Cette différence de potentielle (souvent notée par
l’acronyme d.d.p.) s’écrit sous la forme :
V 
E p
q
 E  z A  zB 
Eq. 11
Dans un circuit électrique, au passage de chaque composant (lampe, générateur, résistance,
moteur, etc…), les charges électriques voient leur énergie potentielle électrique changer d’une
quantité  E p .
On définit ainsi la tension U aux bornes d’un composant de circuit, par la différence de
potentiel correspondant à cette variation d’énergie potentielle :
U  V 
E p
q
Eq. 12
L’unité de la tension U est la même que celle du potentiel électrique : le volt (V).
3.2. Mesuredelatension
Pour mesurer une tension électrique, on utilise un voltmètre.
Le voltmètre se branche en parallèle. Il est symbolisé par un cercle contenant la lettre V.
Le voltmètre idéal possède une résistance interne infinie. Lorsqu’il est branché aux bornes
d’un composant, il ne passe aucun courant dans le voltmètre afin de ne pas perturber le
circuit.
En réalité, un voltmètre possède une résistance interne finie et l’on doit veiller à ce qu’elle
reste très supérieure aux résistances présentes dans le circuit.
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Figure 2.6: Symbole pour un voltmètre
Figure 2.5 : Multimètre utilisé
fonction voltmètre
dans sa
4. Loisd’additivitéetd’unicitédescourantsetdestensions
4.1. Dansunmontageensérie
On réalise l’expérience suivante : à l’aide d’une pile de 1,5 V, on alimente deux ampoules de
puissances différentes L1 et L2 montées en série. A l’aide de trois voltmètres et trois
ampèremètres, on mesure la tension aux bornes des différents éléments et les courants dans
les câbles reliant chacun des éléments.
On symbolise l’expérience sur la Figure 2.7. Cette figure indique aussi les valeurs mesurées
par les voltmètres et les ampèremètres. On constate que les trois ampèremètres indiquent la
même valeur et que la tension aux bornes du générateur est la somme des tensions mesurées
aux bornes des deux lampes.
Figure 2.7 : montage en série
Ainsi, les valeurs mesurées montrent que pour un montage en série, on a deux lois
fondamentales :
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 Unicité du courant
 Additivité des tensions
4.2. Dansunmontageenparallèle
On réalise l’expérience suivante : à l’aide d’une pile de 1,5 V, on alimente deux ampoules de
puissances différentes L1 et L2 montées en parallèle. A l’aide de trois voltmètres et trois
ampèremètres, on mesure la tension aux bornes des différents éléments et les courants dans
les câbles reliant chacun des éléments.
Le schéma de l’expérience est représenté sur la Figure 2.8 avec les valeurs mesurées par les
voltmètres et les ampèremètres. On constate que les voltmètres indiquent la même valeur et
que le courant mesuré dans la branche du générateur est la somme des courants mesurés dans
les branches de chaque lampe.
Figure 2.8 : montage en parallèle
Ainsi, les valeurs mesurées montrent que pour un montage en parallèle, on a deux lois
fondamentales :
 Additivité des courants
 Unicité des tensions
5. Lapuissanceélectrique(unepremièreapproche)
5.1. Uneénergiedetransfertnon‐stockable
Dans un circuit électrique, les charges électriques traversent les composants dits passifs ou
récepteurs dans le sens des potentiels décroissants. L’énergie électrique y est transformée en
un autre type d’énergie, mécanique (moteur électrique), chimique (accumulateur,
électrolyse…) ou en chaleur (effet Joule dans une résistance).
Un circuit électrique comprend toujours au moins un générateur. Les charges électriques
traversent un générateur dans le sens des potentiels croissants de sorte que leur énergie
potentielle est augmentée lors de cette traversée. Pour obtenir cette augmentation d’énergie
potentielle, le générateur transforme soit de l’énergie mécanique (turbine, dynamo, …) soit de
l’énergie chimique (pile, décharge d’accumulateur,…) en énergie potentielle électrique. Le
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générateur transforme aussi une partie de cette énergie mécanique ou chimique en chaleur.
Ceci constitue une perte et l’on pourra définir la notion de rendement.
Ainsi, on remarque que l’énergie électrique produite par un générateur est presque
immédiatement utilisée pour produire un autre type d’énergie (mécanique, chimique ou
chaleur) et ne peut pas être stockée pour une longue durée : on dit qu’il s’agit d’une énergie
de transfert.
5.2. Lapuissanceélectrique
Considérons un composant d’un circuit situé entre les points A et B, parcouru par un courant I
avec une tension U=VA-VB et soit q la quantité de charge traversant ce composant pendant le
temps t.
La variation d’énergie potentielle pour cette quantité de charge est donnée par :
 E p  q VA  VB   qU
Eq. 13
Par définition, la puissance est l’énergie (gagnée ou perdue) par unité de temps :
P
E p
t
Eq. 14
Avec l’équation 13, on obtient :
P
 E p q
U  IU

t
t
Eq. 15
On retiendra donc la relation importante suivante donnant la puissance
électrique :
P U I
Eq. 16
La puissance électrique s’exprime en Watts (W) : 1W = 1J/1s.
5.3. Générateur,Récepteur,signedelapuissance
Comme nous l’avons mentionné au paragraphe 5.1, par convention, les charges électriques
circulent dans le sens des potentiels décroissants dans un récepteur. Aussi U=VA-VB est positif
et donc la puissance P, reçue par le récepteur, est comptée positivement :
Pour un récepteur, on a :
P U I  0
Inversement, pour un générateur, dont le rôle est de fournir de l’énergie électrique au reste du
circuit, les charges évoluent dans le sens des potentiels croissants, donc U=VA-VB est négatif
et la puissance P sera comptée négativement :
Pour un générateur, on a :
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P U I  0
6. Conclusion
Dans cette leçon, nous avons défini les notions de base que nous utiliserons tout au long de ce
cours d’électricité : la charge électrique, le courant et son intensité I, la tension U et la
puissance P.
Nous avons aussi étudié quelques montages électriques en plaçant les composants soit en série
soit en parallèle. Nous avons étudié les lois d’additivité ou d’unicité des tensions ou des
courants dans chacun de ces cas.
Quelques vidéos intéressantes à regarder sur Youtube :
Le multimètre au collège
Le voltmètre Présentation et utilisation
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