ÉLECTROCINÉTIQUE Électrostatique – Rappels
publicité
ÉLECTROCINÉTIQUE Électrostatique – Rappels def électrisation EXPÉRIENCE DU BARREAU FROTTÉ QUI ATTIRE DES BOUTS DE PAPIER Interprétation immédiate : connaissant la nature de la matière, les frottements arrachent des électrons ; un des corps gagne des électrons (devient -) et l'autre LES perd (en même nombre) (devient +). On dit de ces corps qu'ils ont été électrisés. Cette « découverte » est antérieure à la connaissance de l'atome ! En réalité, il a fallu tenir compte de cette observation lorsque les premiers modèles atomiques ont été conçus (Thomson 1897) Électriser signifie rompre la neutralité de la matière en séparant les électrons du reste de l'atome (et non « créer » des charges électriques) EXPÉRIENCE DU BARREAU FROTTÉ QUI REPOUSSE UN AUTRE BARREAU FROTTÉ DE MANIÈRE IDENTIQUE Les corps chargés de même signe se repoussent. Les corps chargés de signes contraires s'attirent. def isolants et conducteurs EXPÉRIENCE DE LA CHARGE D'UN ÉLECTROSCOPE Un électroscope est constitué d'une tige métallique terminée par deux lamelles légères, en métal également, capables de s'écarter. Souvent, le dispositif est enfermé dans une enceinte en verre pour le soustraire aux effets perturbateurs de l'environnement. En état normal, donc neutre, les deux lamelles sont jointes sous l'effet de la gravitation. Si on touche l'extrémité supérieure de l'électroscope avec un barreau frotté, on observe que les lamelles se disjoignent, même après le retrait du barreau, ce qui signifie : 1. Que des charges de même signe les occupent, et sont à l'origine de la répulsion observée... 2. Qu'il y a eu transfert de charges entre le barreau et la tête de l'électroscope 3. Que les charges sont « descendues » depuis la tête de l'électroscope vers les lamelles, donc qu'elles sont mobiles au sein de ce corps. Dès lors, il est logique de penser que les charges ne « tombent » pas vers le sol, mais se répartissent partout sur l'électroscope en vertu des répulsions qu'elles présentent les unes pour les autres. 4ème Sciences de base Électrocinétique page 1 EXPÉRIENCE DE LA DÉCHARGE D'UN ÉLECTROSCOPE Une fois l'électroscope chargé, on peut toucher sa tête avec un barreau de plastique neutre : il ne se passe rien, avec un barreau de métallique : les lamelles retombent, avec le doigt : les lamelles retombent, ce qui signifie : 1. Que certains corps ne permettent pas aux charges de se déplacer – de tels corps sont qualifiés d'isolants 2. Que certains corps offrent la possibilité aux charges de se déplacer – ils sont dits conducteurs 3. Que le corps humain se classe parmi les corps conducteurs. EXPÉRIENCE DE LA CHARGE D'UN ÊTRE HUMAIN Cette jeune fille est placée sur un socle isolant. On lui donne un grande quantité de charges électriques. Comment expliquer l'aspect de sa chevelure ? Pourquoi l'avoir placée sur un socle isolant ? Que signifie « mise à la terre » ? def courant électrique Dans certaines situations, un corps isolant, comme l'air sur cette photo, peut perdre cette propriété et devenir conducteur. Une humble étincelle, voire un violent éclair révèle alors un transfert massif de charges ! A une autre échelle, le fait de toucher avec son doigt un électroscope chargé – et d'ainsi le décharger – met également en évidence un transfert de charges dans un sens bien défini, depuis l'électroscope jusqu'au possesseur dudit doigt. On désigne par courant un déplacement ordonné de charges électriques. Dans les deux situations illustrées, le courant est très bref ; une fois l'équilibre des charges atteint, le déplacement s'arrête. Nous avons tous eu l'occasion d'expérimenter un tel transfert de charges dans notre vie quotidienne, qu'il s'agisse de la « drine » subie sur la joue en embrassant son condisciple un froid matin d'hiver, ou de celle subie après avoir enlevé son pull ou en sortant d'une voiture... Tous ces phénomènes résultent de l'accumulation de charges électriques, domaine que décrit l'électrostatique. Et tous ces phénomènes sont excessivement brefs ! Cette année, nous allons étudier les courants électriques, domaine de l'électrocinétique. Et notre premier problème sera de trouver un dispositif capable d'entretenir dans la durée les fameux petits courants évoqués plus haut. Car si les charges ont naturellement tendance à se disperser lorsqu'elles sont de même signe, ou à se rejoindre lorsqu'elles sont de signe contraire, on peut difficilement imaginer qu'elles vont spontanément et sans contrainte revenir en arrière pour retrouver la situation instable qu'elles possédaient au départ ! Or, en électrocinétique, nous aurons besoin d'un courant électrique entretenu ! 4ème Sciences de base Électrocinétique page 2 Le courant électrique Le générateur Ou le mythe de Sisyphe, à l'image de ce pauvre hère qui doit remonter un rocher le long d'une pente, pour finalement le voir la dévaler et devoir recommencer son travail, éternellement... Car c'est de cela qu'il s'agit : un générateur est un appareil muni de deux pôles, un pôle positif déficitaire en électrons, et un pôle négatif excédentaire, généralement appelés « bornes ». Si les deux bornes sont reliées entre elles, les charges accumulées du côté négatif auront tendance, par le double effet de leur répulsion mutuelle et de l'attraction que les charges de l'autre côté exercent sur elles, à rejoindre sans retard (mais pas nécessairement sans détour, comme nous le verrons avec le concept de circuit) la borne positive. Pour maintenir un courant constamment entre les deux bornes, il faut entretenir la ségrégation des charges entre les deux bornes du générateur ! Et cela n'est pas gratuit : pensons au travail de frottement du barreau lors des expériences précédentes. Car il faut dépenser de l'énergie pour séparer les charges d'un corps neutre ! Dans notre exemple, voici ce que cela donne : Énergie mécanique Travail de séparation des charges Énergie électrique Et si nous désirons généraliser : Un générateur est un appareil qui transforme une énergie d'origine quelconque en énergie électrique. De la sorte, les bornes du générateur sont toujours « alimentées » en charges. Il existe différentes sortes de générateurs, selon la nature de l'énergie qu'ils transforment : Panneau solaire Énergie électrique Transformateur GSM Énergie électrique Pile Énergie électrique Cellule photovoltaïque Énergie électrique Dynamo Énergie électrique Éolienne Énergie électrique Pile à combustible Énergie électrique Alternateur Énergie électrique Groupe électrogène Soit des générateurs mécaniques, chimiques et photovoltaïques... Énergie électrique Le circuit électrique Pour avoir un courant, il faut relier les deux bornes du générateur. Relier signifie offrir un chemin physique pour que les charges puissent se mouvoir d'un côté à l'autre du générateur. Offrir une telle ouverture aux charges n'a guère de sens en soi : autant gaspiller un litre d'essence en y mettant le feu ! Par contre, utiliser ce carburant dans le moteur d'une grue permettra de faire des travaux, de transférer de l'énergie potentielle à des briques... L'énergie électrique mérite d'être utilisée : aussi placerons-nous sur le trajet des charges des appareils qui seront capables de transformer l'énergie électrique en une autre énergie ! Appelons-les des récepteurs. Un circuit électrique est une suite ininterrompue de conducteurs comprenant au moins un générateur et un récepteur. 4ème Sciences de base Électrocinétique page 3 Le récepteur Les récepteurs se distinguent en fonction du type d'énergie utile qu’ils transforment depuis l’énergie électrique. Citons : Des récepteurs thermiques : Des récepteurs thermiques & lumineux : Des récepteurs chimiques : Des récepteurs mécaniques : Des récepteurs électromagnétiques : Des récepteurs luminescents : grille-pain, chauffages et bouilloires électriques, … ampoules à incandescence, lampes IR, … cuves d’électrolyse, accumulateurs (en charge),… moteurs, haut-parleurs, sonnettes,… fours à micro-ondes, GSM, routeurs Wi-Fi,… voyants lumineux d'appareils ménagers, écrans TV. La représentation schématique du circuit Inutile de dessiner des fils torsadés et d'indiquer le nom de chaque appareil illustré : il existe une représentation conventionnelle des parties les plus incontournables d'un circuit électrique. Remplaçons ceci par cela Le sens du courant Il va sous le sens : les charges négatives portées par les électrons savent seules se déplacer dans un solide. Donc le sens réel des charges est : depuis la borne négative du générateur vers sa borne positive. Sauf que l'attribution de l'électricité de charge négative à la plus petite masse constitutive de la matière, nos fameux électrons, est postérieure à la découverte des caractéristiques du courant électrique et à l'énoncé de ses lois. Et, manque de chance, toutes les propriétés du courant ont été correctement décrites en supposant que c'était les charges positives qui se déplaçaient dans un conducteur solide... Soit le contraire de la réalité qui apparut un siècle plus tard ! Problème ! Finalement, la nature des charges en mouvement n'influençant pas la description des phénomènes électriques, il fut décidé de conserver le sens qui avait été convenu au départ : du + vers le -. On l'appelle le sens conventionnel du courant lorsqu'on veut le différencier du sens réel des électrons. Mais désormais, il sera le sens du courant « tout court ». Le courant va de la borne + du générateur à la borne – du générateur. Le court-circuit Voici un circuit. On distingue un générateur, des conducteurs et deux récepteurs. En traversant les récepteurs, les charges transforment une bonne partie de l'énergie que le générateur leur a octroyée, sous forme de chaleur et de lumière par exemple. En absence de récepteur, l'énergie des charges ne serait pas dispersée dans le circuit mais provoquerait la destruction du générateur voire du circuit tout entier : on désigne l'absence de récepteur sur le trajet des charges par le terme de « court-circuit ». Nous verrons que des dispositifs existent pour empêcher de tels dégâts. 4ème Sciences de base Électrocinétique page 4 Grandeurs électriques La charge électrique En chimie, nous avons attribué une charge unitaire au proton et à l'électron. C'est une solution très pratique puisque les atomes possèdent un nombre entier de ces particules. En physique, l'unité de charge électrique est tout autre : il s'agit d'une unité dérivée à partir des unités de base que sont le mètre, le newton et l'ampère. Une charge s'exprime en coulomb. Symbole : q Unité : C Un coulomb , noté C, correspond à la charge combinée de 6,241×1018 électrons. Ou, un électron possède une charge de - 1,6x10-19 C. Ordre de grandeur : Une pile rechargeable peut offrir 9000 C Un barreau de PVC frotté avec une peau de chat devient porteur d'une charge de l'ordre du microcoulomb. ☺Quelle est la charge électrique d'un ion calcium ? (réponse chimique et physique attendue) L'intensité du courant Devant les flots tumultueux d'une rivière, nous pouvons nous inquiéter de l'intensité du courant. Nous l'appellerons débit, et nous l'estimerons en mesurant quel volume d'eau passe par unité de temps au-dessous d'une ligne imaginaire tracée d'une rive à l'autre. De façon analogue, l'intensité d'un courant électrique correspond à la quantité de charges qui traverse une section de conducteur par unité de temps. Symbole : I Formule : I = q /t Unité : A A pour Ampère. Si un circuit est parcouru par un courant d'un ampère, cela signifie qu'une quantité de charges de 1 coulomb passe à chaque seconde en une section du conducteur. Soit un « débit » de six milliards de milliards d'électrons à chaque seconde. Ordre de grandeur : Une ampoule à incandescence de puissance moyenne : 0,4 A. Une machine à laver en pleine puissance : 4 A. Le démarreur d'une automobile : 50 A Mesure : L'intensité du courant se mesure avec un ampèremètre. Cet appareil mesure la quantité de charges qui le traverse par seconde : il doit donc être placé de telle sorte que tout le courant que l'on désire mesurer le traverse. On dit qu'il doit être placé en série sur le circuit (=comment), mais peu importe où puisque les charges qui quittent le générateur y reviennent nécessairement (pas de perte ni d'accumulation !). Des récepteurs sont placés en série lorsqu'ils sont mis bout à bout, les uns à la suite des autres. Sinon, on dit qu'ils sont placés en parallèle : ils partagent alors les mêmes nœuds d'entrée et de sortie (un nœud étant la jonction d'au moins trois fils conducteurs) 4ème Sciences de base Électrocinétique page 5 La tension du générateur Aussi décrite comme la différence de potentiel électrique entre les deux bornes du générateur. Devant une chute d'eau tumultueuse, nous pouvons nous questionner sur la quantité d'énergie hydraulique qu'il serait possible d'en retirer, en disposant d'une roue à aube par exemple. Nous rechercherions la valeur de l'énergie potentielle de gravitation et nous l'estimerons notamment à partir de la hauteur de la chute. Interrogeons nous quelques instants sur ces deux schémas. Dans un instant, quelques électrons vont emprunter le fil conducteur pour passer d'un côté à l'autre. Ces électrons sont identiques, pourtant, on peut deviner qu'ils vont avoir un enthousiasme différent dans chacun des deux dispositifs. Car les forces électriques attractives et répulsives qui agissent sur les électrons sont différentes dans les deux cas. Pour un même chemin (déplacement) à réaliser, les forces résultantes sont différentes, et donc le travail mis en œuvre est différent. La variation de l'énergie potentielle électrique que portent les électrons sera différente chaque fois. Et ceci dépend de la situation initiale, donc du générateur. Nous définirons la tension (ou différence de potentiel) aux bornes d'un générateur, comme la mesure de l'énergie qui est fournie par le générateur à chaque charge, et qui sera dissipée par la charge lorsqu'elle traversera le circuit. Symbole : U U dépend du générateur, et pas du circuit. Le générateur propose, le circuit dispose : l'énergie perdue par les charges sera transformée en une autre forme d'énergie au sein du récepteur. L'énergie totale se conserve. Formule : U = ΔEp /q Unité : V V pour Volt. Une différence de potentiel de 1 volt signifie qu'une énergie de 1 joule est placée dans chaque unité de charge, et sera dissipée dans le circuit. Ordre de grandeur : Une pile : 1,5 V. Une prise de courant : 230 V. Ligne à haute tension : 150 000 V Une grosse étincelle électrostatique (=rendre un centimètre d'air conducteur) nécessite 10 000 V. Mesure : La tension du générateur se mesure avec un voltmètre. Cet appareil mesure la différence d'énergie dont disposent les charges entre la borne d'entrée et la borne de sortie du générateur. Un voltmètre, qui mesurerait la situation avant et après la chute d'eau dans une analogie hydraulique, ne peut pas être lui-même une « cascade ». Il ne laisse presque pas passer de torrent courant. Il peut être placé dans une situation de court-circuit puisque le courant ne le traverse quasiment pas ! Un voltmètre se place en parallèle du circuit, aux bornes du générateur si on mesure la tension de celui-ci, ou aux bornes du récepteur si on veut avoir une idée de la transformation de l'énergie qui s'y déroule... 4ème Sciences de base Électrocinétique page 6 Applications Problème 1. Patrick veut brancher un voltmètre et un ampèremètre à ce circuit : Dans quel schéma l'a-t-il fait correctement ? Problème 2 Dans ce circuit, Anne veut mesurer la tension du générateur et le courant circulant à travers le moteur. Dans lequel de ces schémas a-t-elle placé les instruments de mesure au bon endroit ? Problème 3 (lié à 2) Quel schéma mesure la tension du générateur et le courant traversant l'ampoule ? Problème 4 (lié à 2) Quel schéma mesure la tension du générateur et le courant traversant le moteur et la lampe ? Problème 5 Maria veut mesurer l'intensité du Problème 6 Gérard veut mesurer en même temps la courant à travers l'ampoule. Dessine les fils corrects. tension du générateur et le courant circulant dans Inscris dans l'ordre les lettres des fils l'ampoule. Dessine les fils corrects. Inscris dans l'ordre les lettres des fils. Solution : 1,2,3,4 forment un moyen de locomotion, 5 un chiffre, 6 un prénom féminin 4ème Sciences de base Électrocinétique page 7 Manipulation Groupe n°..... Sujet: ...................................................... Composition du groupe: 1........................................ 2........................................ Date de début du travail:............... 3........................................ Précautions: ne reliez jamais directement les deux bornes du générateur (court-circuit !) ne reliez qu'une seule borne au générateur avant le montage vissez/dévissez les ampoules avec douceur : soquets fragiles ! appelez le professeur avant de réaliser la connexion complète entre votre montage et le générateur (fermeture du circuit) 1. Réalisez un circuit simple avec un récepteur (une ampoule) et un interrupteur (ici, un dispositif de coupure du courant, via un fil). Le dispositif doit être fonctionnel ! Complétez la figure ci-contre pour illustrer votre montage. Schématisez le circuit ci-dessous, de manière épurée, en utilisant les symboles conventionnels. 2. Sans modifier votre montage, mesurez la différence de potentiel aux bornes du générateur (sur la plaque) et ensuite réalisez la même mesure aux bornes de l'ampoule, circuit fermé puis ouvert. Notez et commentez ces valeurs. Pour réaliser la mesure, placez la fiche noire (convention) dans la broche « terre » et la fiche rouge dans « T-R-I ». Réglez l'appareil sur « tension continue » en face de 20 V, car il faut toujours indiquer une échelle plus grande que la mesure à réaliser pour ne pas l'endommager. Ugén = ............ V Ua f = ............ V Ua o = ............ V .............................................................................................. .............................................................................................. .............................................................................................. .............................................................................................. .............................................................................................. .............................................................................................. .............................................................................................. .............................................................................................. 3. Comment mesurer l'intensité du courant qui parcourt ce circuit ? Il faut que le courant passe dans l'ampèremètre et dans l'ampoule. Le plus simple est de le connecter à la place du fil qui sert d'interrupteur ! Pour réaliser la mesure, placez la fiche noire (convention) dans la broche « Terre » et la fiche rouge dans « I>0,2A ». Réglez l'appareil sur « Intensité > 0,2A ». Attention, un ampèremètre ne peut pas être placé comme un voltmètre : risque de destruction ! Connectez-le comme indiqué dans le texte écrit à l'envers ci-dessus. Notez la valeur de l'intensité du courant : I1 = ............. A 4ème Sciences de base Électrocinétique page 8 4. Réalisez le montage avec deux ampoules placées en série comme figuré sur le schéma. Comparez la brillance de ces deux ampoules, entre-elles et avec celle du montage précédent. Mesurez la tension au générateur, et la tension aux bornes de chacune des deux ampoules, puis la tension de l'ensemble des deux ampoules. Commentez vos résultats. Notez les conséquences résultant de la présence d'une ampoule défectueuse (il suffit de dévisser légèrement une ampoule pour simuler cet incident). Explication ? Ugén = .......... V Uamp1 = .......... V Uamp2 = .......... V Uamp12 = .......... V ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 5. Mesurez l'intensité du courant qui parcourt ce circuit, et comparez-en la valeur avec le premier. I2s = ............. A ........................................................................................................................................................... 6. Recherchez comment connecter deux ampoules en parallèle, notez puis réalisez le montage. Relevez les différentes tensions. Ugén = .......... V Uamp1 = .......... V Uamp2 = .......... V Testez la défection d'une ampoule. ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 7. Mesurez l'intensité totale du courant qui parcourt ce circuit, et comparez-en la valeur avec les deux autres. Pouvez-vous avancer une explication ? I1 = ............. A ............................................................................................................ I2s = ............. A ............................................................................................................ I2p = ............. A ............................................................................................................ ........................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................... 8. Il est possible avec ce matériel de connecter trois ampoules en série et en parallèle. Recherchez comment, complétez puis réalisez les montages. Série 4ème Sciences de base Parallèle Électrocinétique page 9 La puissance La puissance se définit comme le rapport entre le travail réalisé et le temps qu'il a fallu pour le réaliser. P = W /t La puissance, en version électrique, marque le même concept : capacité d'un récepteur de transformer à chaque seconde une certaine quantité d'énergie. Symbole : P Formule : P=U.I puisque U = ΔEp /q et I = q /t Unité : W W pour Watt. Si un récepteur affiche une puissance de 1 Watt, c'est qu'il transforme une énergie de 1 Joule à chaque seconde. Ordre de grandeur : Une ampoule à incandescence de puissance moyenne : 60 W (attention, tend à disparaître du commerce). Une machine à laver : 2 kW (2000 W). Un PC « de bureau » : vers 300 W (ou plus selon la bête). Mesure : Indirecte : avec un ampèremètre, lorsque la tension est connue, puisque P=UI. La plupart du temps, la puissance des appareils électriques est renseignée sur une plaquette fixée au dos. L'énergie électrique L'énergie demeure une réserve de travail. Unité : J ou kWh Elle s'exprime en Joule. L'énergie, en version électrique, possède une unité plus « pratique » (car un Joule représente finalement une très petite quantité d'énergie) : il s'agit du kilowattheure. Cette unité dérive directement de la formule de la puissance, si on isole le travail : W=P.t énergie = produit de la puissance et du temps. Si P s'exprime en W et t s'exprime en s, W s'exprime en Joule. Mais si P en kW (1000 fois plus) et t en h (3600 fois plus), W peut s'exprimer en kiloWattheure ! (bonjour les W : ne les confondons pas !) 1 kWh vaut 3 600 000 J Si un récepteur 1 kiloWatt fonctionne durant 1 heure, une énergie de 1 kWh a été transformée, soit 3,6 10 6 J. Prix : Les fournisseurs d'énergie facturent notre consommation en kWh – le Joule est trop petit pour exprimer la consommation d'un ménage. Un client moyen a une consommation d'électricité de 4800 kWh / an hors chauffage (compteur bi-horaire) www.ef4.be/documents/cwape/cwape_consommation_moyenne_des_clients_residentiels_types.pdf Le prix «tout-compris» du kWh tourne autour de 0,21 €, selon le lieu, le fournisseur et le type de contrat. Application chiffrée ➢ Recherche le coût de fonctionnement global d'un ordinateur portable affichant une page Facebook (300 W), d'une paire ampoules économiques de 17 W, d'une dock station Ipod de 32 W diffusant en boucle des mp3 et d'un chargeur GSM oublié (2 W). Montre à tes parents que cela ne valait pas la peine de crier si fort pour avoir laissé tout cela allumé durant les 20 petites minutes de ton souper (parce que bien-sûr, tu es remonté(e) dans ta chambre tout juste après, sans débarrasser, ingrat(e) !). 4ème Sciences de base Électrocinétique page 10 La loi d'Ohm ✗ La tension est l'énergie fournie/dissipée par unité de charge par le générateur/récepteur. ✗ L'intensité d'un courant est le nombre de charges traversant une section de circuit par unité de temps. Il doit exister une relation entre-elles : selon l'énergie en jeu, le courant pourrait être différent. Recherchons la relation entre la tension et l'intensité, expérimentalement, et mettons-la en graphique. Nous tracerons le graphique de l'intensité en fonction de la tension, selon la logique y=f(x) I (A) U (V) I (A) U (V) Interprétation : I est directement proportionnel à U ou I=kU Ohm a mis cette relation en évidence : U/I = cste Énoncé de la loi d'Ohm : Le rapport entre la différence de potentiel U aux bornes d'un récepteur et l'intensité I du courant qui le traverse est constant. Il a appelé résistance ce rapport constant, qui est une propriété du récepteur (ou du circuit selon le contexte). La résistance Dernier concept à gérer en électrocinétique, dernier plat avant le dessert : la résistance. Si la conductance est la propriété que présentent des corps à être bons conducteurs de courant, la résistance est la propriété inverse. Il s'agit de la propriété qu'ont des corps à s'opposer au passage des charges électriques, à résister au passage des charges. Un corps isolant présente une grande résistance. La résistance d'un récepteur se définit comme le rapport constant entre la tension qui est appliquée à ses bornes et l'intensité du courant qui le traverse. Symbole : R Formule : R=U/I ou U = R.I Unité : Ω Ω pour Ohm, du nom de Georg Ohm physicien allemand découvreur de la relation entre U et I. Un récepteur possède une résistance de 1 Ohm si, soumis à une tension de 1 V, il est traversé par un courant d'une intensité de 1 Ampère. Ordre de grandeur : Une ampoule à incandescence de puissance moyenne : 800 Ω (attention, tend à disparaître du commerce). Un fer à repasser : 40 Ω Mesure : Avec un ohmmètre. Cet appareil contient une pile, de tension connue, qui envoie du courant dans le récepteur à tester. Il mesure l'intensité qui le traverse et affiche le résultat du calcul R = U/I (en Ohm). 4ème Sciences de base Électrocinétique page 11 Tableau récapitulatif grandeur symbole et unité formule intensité I A I = q/t par définition tension U V U = ΔEp/q par définition puissance P W P = U.I résistance R Ω U = R.I énergie W J ou kWh W = P.t ou W = U.I.t ou W = R.I².t Effet Joule Désigne l'échauffement d'un conducteur lorsqu'il est parcouru par un courant. L'effet Joule se définit comme la transformation de l'énergie électrique en énergie thermique lorsqu'un récepteur est parcouru par un courant Il s'agit ➢ d'un effet indésirable, puisqu'il transforme une partie de l'énergie électrique, coûteuse, en chaleur inutilisable donc perdue. ➢ d'un effet recherché, lorsqu'on a besoin d'énergie thermique pour chauffer une casserole, un radiateur, un percolateur. Formule : Il s'agit d'énergie, donc W = P.t, avec P = U.I U = R.I d'où P = R.I.I ou P = R.I² W = R.I².t Commentaires : On voit que le critère le plus important, lorsque l'effet Joule est recherché, est l'intensité du courant. Il faut donc que le courant puisse traverser le récepteur avec une grande facilité, donc que le récepteur présente une faible résistance. Mais gardons à l'esprit que ce récepteur est relié par des fils au générateur. Les fils sont eux aussi soumis à l'effet Joule, ils s'échauffent ... Pour eux, il existe un risque de destruction : ils pourraient fondre, voire s'enflammer ! Application Quelle quantité d'énergie transforme un fer à repasser d'une puissance de 1400 W, fonctionnant sous une tension de 230 V durant 2 heures ? Tu peux aussi jouer à calculer l'intensité du courant qui traverse ce fer à repasser lorsqu'il chauffe. Tu peux aussi t'amuser à deviner la résistance que possède ce fer. Tu peux aussi rechercher son coût de fonctionnement (1 kWh revient à 0,21 €) et constater que c'est finalement la main d'œuvre qui grève le budget repassage... 4ème Sciences de base Électrocinétique page 12 Installation domestique et sécurité Schéma général adapté depuis http://clausschimphycol.chez-alice.fr/Images/Electricite/circuitdomestique.jpg La tension du réseau électrique domestique est de 230 V. La plupart des récepteurs ménagers exigent cette tension pour fonctionner. Nous avons vu au laboratoire (question 4 et 6) que cette exigence nécessite que tous les récepteurs soient disposés en parallèle. Or, lors de la même séance de manipulation, nous avons constaté que l'intensité du courant qui passe dans le circuit principal est plus élevée si les récepteurs sont ainsi disposés : l'intensité totale vaut la somme des intensités qui traversent chacun des récepteurs (question 7). Nous avons étudié l'effet Joule, l'échauffement d'un conducteur qui dépend du carré de l'intensité du courant qui le parcourt. Si tous les récepteurs de la maison devaient faire partie du même circuit, l'intensité totale risquerait de provoquer un échauffement considérable, potentiellement dommageable pour l'intégrité de l'ensemble de l'installation. De plus, toutes ces charges présentent un danger d'électrisation pouvant entraîner l'électrocution ! Dispositifs de sécurité Nom Principe d'action division, depuis le compteur, du circuit principal en plusieurs circuits secondaires Ce dispositif de cloisonnement empêche que trop d'appareils ne soient connectés via les mêmes fils, et génèrent un courant finalement trop intense pour les fils qui le supportent. Le diamètre des fils sera choisi en fonction de la puissance des appareils connectés (cuisinière électrique = 9000 W !). Le nombre de prises de courant est légalement limité (5 ou 8 selon le diamètre des fils). Attention, l'usage d'un multiprise (genre « domino ») contourne cette protection ! 4ème Sciences de base Électrocinétique page 13 Nom Principe d'action fusible Il s'agit d'un fil fragile (fusible) placé dans le circuit et qui va rapidement fondre – et ouvrir le circuit et donc interrompre le courant – si l'intensité du courant qui le traverse est trop forte (ce qui génère un effet Joule important). Voir l'expression « péter les plombs » ! Ce fil relie deux bornes métalliques dans la « boîte à fusibles » placée près du compteur de courant (très anciennement) ou est serti dans une capsule de porcelaine (plus récemment). Il n'a qu'une vie : en cas d'usage, il est détruit et doit être remplacé. Aussi lui préfère-t-on (aujourd'hui) le disjoncteur. disjoncteur Présentant la même protection que le fusible qu'il remplace, le disjoncteur déclenche par un effet magnétique plutôt que thermique (en cas de court-circuit). L'avantage est qu'il n'est pas détruit s'il remplit son rôle, et qu'il peut être réamorcé de nombreuses fois. Il intègre aussi un dispositif contre la surchauffe due à une intensité maintenue trop longtemps élevée (= en cas de surcharge) mise à la terre Il s'agit d'un troisième fil qui permet aux charges de quitter le corps métallique du récepteur sur lequel elles se trouveraient en raison d'une défectuosité de ce dernier – sans passer par le corps d'un utilisateur ! Pour rappel, le corps, qui est un bon conducteur de courant, pourrait fermer le circuit entre le générateur et le sol, avec un risque élevé d'électrocution ! différentiel Ce dispositif, placé au tout début du circuit domestique, déclenche si une légère différence de courant est détectée entre les deux bornes d'entrée et de sortie –> signe qu'il y a une fuite de charges dans le circuit. Applications Montage photo personnel http://www.federationpeche.fr/_m4_actions/4_actions.php http://www.pedagogie.ac-nantes.fr/71701312/0/fiche___re http://www.aquajardin.net/forum/sutra51898.htm&highlig ssourcepedagogique/&RH=1161017596765&RF=116101 ht=7596765 4ème Sciences de base Électrocinétique page 14 http://comaki.wordpress.com/2008/07/01/un-barbecue-bra http://www.hydroquebec.com/arbres/danger_vignes.html nche-dans-la-piscine/ Table des matières Électrocinétique.............................................................1 Électrostatique – Rappels.........................................1 def électrisation..................................................1 def isolants et conducteurs.................................1 def courant électrique.........................................2 Le courant électrique...............................................3 Le générateur......................................................3 Le circuit électrique ...........................................3 Le récepteur........................................................4 La représentation schématique du circuit...........4 Le sens du courant..............................................4 Le court-circuit...................................................4 Grandeurs électriques..............................................5 La charge électrique...........................................5 Symbole : q.............................................5 Unité : C..................................................5 Ordre de grandeur :.................................5 L'intensité du courant.........................................5 Symbole : I..............................................5 Formule :.................................................5 Unité : A..................................................5 Ordre de grandeur :.................................5 Mesure :..................................................5 La tension du générateur....................................6 Symbole : U............................................6 Formule :.................................................6 Unité : V..................................................6 Ordre de grandeur :.................................6 Mesure :..................................................6 4ème Sciences de base Applications.......................................................7 Manipulation......................................................8 La puissance.....................................................10 Symbole : P...........................................10 Formule :...............................................10 Unité : W...............................................10 Ordre de grandeur :...............................10 Mesure :................................................10 L'énergie électrique..........................................10 Unité : J ou kWh...................................10 Prix :......................................................10 Application chiffrée..........................................10 La loi d'Ohm.....................................................11 La résistance.....................................................11 Symbole : R...........................................11 Formule :...............................................11 Unité : Ω................................................11 Ordre de grandeur :...............................11 Mesure :................................................11 Tableau récapitulatif...............................................12 Effet Joule........................................................12 Formule : ..............................................12 Commentaires :.....................................12 Application.......................................................12 Installation domestique et sécurité.........................13 Schéma général................................................13 Dispositifs de sécurité......................................13 Applications.....................................................14 Table des matières.......................................................15 Électrocinétique page 15
