Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 Thème IV : Physique : Electrocinétique TABLE DES MATIERES Rappels Electrostatique (3e année) Electricité (2e année) Chapitre 1 : Le courant électrique A. Le générateur et le récepteur B. L’intensité du courant Lois des intensités en série et en parallèle C. La tension ou différence de potentiel Lois des tensions en série et en parallèle D. L’énergie et la puissance électrique Chapitre 2 : Les récepteurs thermiques a) La résistance électrique Loi d’Ohm b) Association de résistances En série En parallèle c) L’effet Joule Chapitre 3 : Installation électrique et sécurité PHYSIQUE - THEME IV - 1 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 Extrait du programme BIBLIOGRAPHIE & LIENS http://www.restode.cfwb.be/download/programmes/220-2003-240.pdf http://matheux.ovh.org/PH/PH002.htm « Physique 5e – Option de Base » - Y.Verbist et coll – Ed. DeBoeck 1998 PHYSIQUE - THEME IV - 2 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 Physique 2 : Electrocinétique ELECTROSTATIQUE (3E ANNEE) EXPÉRIENCE DU BARREAU FROTTÉ QUI ATTIRE DES BOUTS DE PAPIER Connaissant la nature de la matière, les frottements arrachent des électrons ; un des corps gagne des électrons et devient ………………..……………………….. l'autre les perd (en même nombre) et devient ………………………………………. On dit de ces corps qu'ils ont été électrisés. Par frottement, on fait passer des électrons d’un corps sur un autre. Un corps est chargé négativement s’il a gagné un ou plusieurs électrons. Un corps est chargé positivement s’il a perdu un ou plusieurs électrons. 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. ELECTRICITE (2E ANNEE) NOTION D’ISOLANT ET DE CONDUCTEUR Un conducteur est une matière à travers laquelle le courant électrique peut circuler. On dit qu'une telle matière conduit le courant électrique. Un isolant est l'opposé dans conducteur : c'est une matière à travers laquelle le courant électrique ne peut circuler. Test de conductivité : Il repose sur l'utilisation d'un circuit électrique simple (une lampe) dans lequel on insère la matière à tester. Si la lampe brille : le matériau est ……………………..…………… car le courant peut circuler dans le circuit. Si la lampe ne brille pas : le matériau est …………………………………………. car le courant électrique ne peut pas circuler. D'une manière générale tous les métaux sont conducteurs (fer, cuivre, PHYSIQUE - THEME IV - 3 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 aluminium, zinc …). La plupart des autres matières solides sont isolantes (bois, papier, verre, tissus, plastiques …) avec quelques exceptions comme le graphite (que l'on trouve dans les mines de crayon). Certains liquides sont conducteurs mais ce test n'est pas toujours assez sensible pour détecter les courants qui peuvent y circuler. Le corps humain se classe parmi les corps conducteurs. CIRCUIT ELECTRIQUE SIMPLE Complète les phrases suivantes : Un circuit électrique est une suite ininterrompue de ……………………………………… Pour qu’un circuit électrique fonctionne il doit obligatoirement comporter au moins un …………………………………………. qui fournit le courant, d’un ……………………………………….. qui transporte l’électricité, d’un ……………………………………….. qui permet de fermer ou d’ouvrir le circuit et d’un …………………………………………….. qui consomme l’énergie électrique afin de la transformer en une autre source d’énergie (lampe, moteur, …). Un élément d’un circuit électrique qui possède deux bornes s’appelle un …………………………………. Pour que le courant électrique puisse circuler dans un circuit il faut donc non seulement que celui-ci soit fermé mais aussi qu'il ne soit constitué que d'une succession de matières conductrices. La présence d'un isolant dans la boucle que forme un circuit a un effet comparable à un interrupteur ouvert. Relie le dipôle à son symbole normalisé : Si un circuit électrique est relié à un générateur, les électrons libres du circuit sont attirés par la borne positive, repoussés par la borne négative de la pile. Ils circulent donc de la borne négative vers la borne positive. Il s’agit là du sens réel du déplacement des électrons. PHYSIQUE - THEME IV - 4 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 Malheureusement, dans la pratique (et pour des raisons historiques), on ne parle jamais du sens du déplacement des électrons, mais bien du sens du déplacement du courant. Par convention (datant de l’époque où les électrons n’avaient pas encore été découverts) c’est l’inverse que l’on représente : le sens conventionnel du courant va de la borne positive vers la borne négative. Inscris sur le schéma la borne + et – de la pile puis le sens du courant : Court-circuit : Que va-t-il se passer si on ferme l’interrupteur dans les circuits ci-dessous ? Circuit 1 : …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Circuit 2 : ………………………………………………………………………………………………………..………………………………………………………. Circuit en série et circuit en dérivation Retrouve le circuit en série et celui en dérivation. Indique dans chaque cas si la lampe L2 est éteinte lorsque L1 est grillée. Circuit 3 : ……………………………………………………… …………………………………………………………………………. Circuit 4 : ……………………………………………………… …………………………………………………………………………. Analyse d’un circuit Indique les lampes qui s'allument. ……………………………………………………………………………….. PHYSIQUE - THEME IV - 5 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin Exercices sur les rappels 2013-2014 Nom : ……………………………………… 1) Représente les circuits suivants par un schéma respectant les symboles normalisés. 2) Le circuit schématisé ci-dessous contient 6 interrupteurs (I.1 à I.6) et 3 lampes (L1, L2, L3). Dans ce circuit, quelles lampes brillent ? a) Y a-t-il une ou plusieurs lampes qui brillent ? si oui lesquelles ? …………………………………………………………… b) Si seulement I.1 est ouvert (les 5 autres sont fermés) : ……………………………………………………………….………. c) Si seulement I.4 est ouvert : ………………………………………………………………………………………………………………………… d) Si seulement I.5 est ouvert : ………………………………………………………………………………………………………………………… e) Si seulement I.4 et I.5 sont ouverts : ………………………………………………………………………………………………………… f) Quels sont les interrupteurs qui doivent obligatoirement être fermés pour que L1 et L2 brillent ?................................................................................................................................................................... g) Quels sont les interrupteurs qui doivent être fermés et ceux qui doivent être ouverts pour que L2 et L3 brillent mais que L1 reste éteinte ?................................................................................................. PHYSIQUE - THEME IV - 6 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 1. Le courant électrique A. Le générateur et le récepteur Imaginons que nous relions par un fil conducteur deux sphères métalliques : l’une est chargée négativement (excès d’électrons) et l’autre est chargée positivement (défaut d’électrons), la quantité de charges étant la même sur les deux sphères. La force électrostatique provoque un déplacement d’électrons de la sphère négative vers la sphère positive. Ce déplacement ne dure qu’un moment et cesse dès que les deux sphères sont devenues neutres. Analogie hydraulique On peut comparer ce déplacement d’électrons dans un conducteur au déplacement d’eau dans une conduite reliant deux réservoirs, l’un plein, l’autre presque vide. Dès qu’on ouvre le robinet, l’eau s’écoule ; l’écoulement cesse lorsque les deux réservoirs ont le même niveau d’eau. Comment obtenir un déplacement permanent d’eau ? Pour cela, il faudra maintenir entre les deux réservoirs une différence de niveau permanente de telle sorte que le niveau du réservoir de droite soit toujours plus haut que le niveau de celui de gauche. On peut obtenir cela en reliant les deux réservoirs à une pompe qui assure le retour de l’eau dans le réservoir de droite. PHYSIQUE - THEME IV - 7 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 Il en est de même pour les électrons : pour produire un courant électrique c’est-à-dire un déplacement permanent d’électrons, il faut un dispositif qui maintient la différence au niveau des électrons. Ce dispositif qui va permettre de produire du courant est appelé générateur. Il est composé de deux pôles, l’un riche en électrons (pôle négatif) et l’autre pauvre en électrons (pôle positif). Pour produire un courant permanent, il faut absolument maintenir cette différence en électrons aux pôles. Cela n’est pas « gratuit » : il faudra dépenser de l’énergie pour séparer les charges d’un corps neutre ! Il existe différents types de générateurs : des générateurs chimiques (piles, accumulateurs,…), mécaniques (dynamo, …), solaires, … Un générateur électrique est un appareil qui transforme une énergie d’origine variée en énergie électrique. Pour avoir du courant, il faut relier les deux bornes du générateur pour offrir un chemin physique aux électrons. Cette énergie électrique doit être utilisée, aussi placerons-nous sur le trajet des charges des appareils qui seront capables de transformer l’énergie électrique en une autre énergie. Ces appareils se nomment des récepteurs. Un circuit électrique est une suite ininterrompue de conducteurs comprenant au moins un générateur et un récepteur. Les récepteurs se distinguent en fonction du type d’énergie qu’ils font apparaître. Par exemple : - Récepteurs thermiques : ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. - Récepteurs lumineux : ………………………………………………………………………………………………………..………………………………………. - Récepteurs mécaniques : ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. - Récepteurs électromagnétiques : ……………………………………………………………………………………………………………………………. B. L’intensité du courant On peut comparer une fois de plus les charges électriques se déplaçant dans un circuit électrique à de l’eau dans un tuyau : le débit représente la quantité de fluide qui passe dans une section du tuyau pendant un temps déterminé (ex : 3 L/seconde). De même, l’intensité du courant représente le débit des charges électriques en un point du circuit. L’intensité du courant (I) en un point correspond à la quantité de charges (q) qui traverse la section du conducteur par unité de temps (par seconde). L’unité d’intensité est …………………………………………(A). PHYSIQUE - THEME IV - 8 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 Un ampère correspond au passage d’une charge électrique soit de 6,241x1018 électrons. La charge électrique (q) s’exprime en coulomb. q = 1 C = 6,241x1018 électrons Pour mesurer l’intensité du courant, nous utilisons un ampèremètre. Comme cet appareil doit mesurer la quantité de charges qui le traverse par seconde, il devra être placé dans le circuit en série / en parallèle mais peu importe où puisque les charges qui quittent le générateur y reviennent nécessairement (ni gain ni perte). Lois des intensités Réalisons un circuit composé d’un générateur et de deux ampoules. Il existe deux façons de brancher deux ampoules dans un circuit : en série ou en parallèle. Dans un circuit en série, le courant passe dans la première lampe ET dans l’autre. Il n’existe qu’un chemin possible. Dans un circuit en parallèle, le courant passe dans la première lampe OU dans la seconde. Il se partage en arrivant au carrefour (= nœud) Si on reprend notre analogie hydraulique, dans le premier cas, en tout point du tuyau le débit est le même, dans le second, le débit se partage à la bifurcation. Dans un montage en série, l’intensité est la même en tout point : I = I1 = I2 = I3 = … Dans un montage en parallèle, l’intensité du circuit principal est la somme des intensités dérivées. I = I1 + I2 + I3 + … La somme des intensités qui entrent par un nœud doit être égale à la somme des intensités qui en sortent. PHYSIQUE - THEME IV - 9 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 Exercices 1) . Le schéma ci-contre montre un circuit contenant deux lampes (X et Y). a) L’interrupteur est ouvert. Nicolas relie le point A au point B à l’aide d’un fil de cuivre. Les lampes s’allument-elles ? Toutes les deux, une seule (laquelle) ou aucune des deux ? …………………………………………………………………………………………………………………………….. b) Nicolas enlève le fil de cuivre et l’utilise maintenant pour relier le point C au point D. L’interrupteur est toujours ouvert. Les lampes s’allument-elles ? Toutes les deux, une seule (laquelle) ou aucune des deux ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….... c) Nicolas enlève le fil de cuivre et ferme l’interrupteur. Les deux lampes s’allument, mais ne brillent pas très fort. Nicolas utilise alors le fil de cuivre pour relier le point B au point C, comme indiqué sur le schéma ci-contre. Qu’arrive-t-il à la lampe X ? brille plus fort / rien ne change / s’éteint Qu’arrive-t-il à la lampe Y ? brille plus fort / rien ne change / s’éteint d) Nicolas enlève le fil de cuivre. L’interrupteur est toujours fermé. Les deux lampes brillent, mais pas très fort. Nicolas utilise maintenant le fil de cuivre pour relier le point A au point B (schéma). Qu’arrive-t-il à la lampe X ? brille plus fort / rien ne change / s’éteint Qu’arrive-t-il à la lampe Y ? brille plus fort / rien ne change / s’éteint 2) Les deux lampes L1 et L2 sont identiques. On mesure I2 = 250 mA. Calcule les intensités du courant en I1 = ………………………………………………………………….. I3 = ………………………………………………………………….. PHYSIQUE - THEME IV - 10 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 3) Calcule les intensités I1, I2, I3 du courant électrique. I1 = ……………………………………………………………….. I2 = ……………………………………………………………….. I3 = ……………………………………………………………….. 4) L’ampèremètre A1 indique un courant d’intensité 0,3 A. Que va indiquer l’ampèremètre A2 ? une intensité inférieure / égale / supérieure à 0,3 A ? Que va indiquer l’ampèremètre A3 ? une intensité inférieure / égale / supérieure à 0,3 A ? 5) L’ampèremètre A1 indique un courant d’intensité 0,83 A et l’ampèremètre A3 indique un courant de 0,27 A. Que va indique l’ampèremètre A2 ? ………………………… Que va indique l’ampèremètre A4 ? ………………………… C. La tension ou différence de potentiel La différence de potentiel exprime le « déséquilibre électrique » entre deux points, déséquilibre engendrant le courant électrique. Par analogie hydraulique, cette tension est l’équivalent de la différence de pression entre deux récipients. Tant qu’il y a une différence de pression, il y a un déplacement du fluide dans le tuyau qui les relie. Plus la différence de pression est importante, plus le courant est intense… La tension est notée U et s’exprime en Volts (V). L’appareil qui permet de mesurer une différence de potentiel (ddp) ou une tension est le voltmètre. Il se place en série / en parallèle puisqu’il mesure une différence entre deux points. PHYSIQUE - THEME IV - 11 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 Lois des tensions Il existe deux façons de brancher deux ampoules dans un circuit : en série ou en parallèle. Dans un circuit en série, où les récepteurs sont reliés à un générateur, la somme des tensions de tous les récepteurs est égale à la tension du générateur. La tension aux bornes de dipôles branchés en dérivation est la même. Dans un circuit où tous les dipôles sont en dérivation toutes les tensions sont alors égales à celle du générateur. Dans un montage en série, les tensions s’additionnent : U = U1 + U2 + U3 + … Dans un montage en parallèle, toutes les tensions sont égales à celle du générateur : U = U1 = U2 = U3 = … PHYSIQUE - THEME IV - 12 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 Exercices 1) Pour les circuits suivants, indique les valeurs des tensions manquantes. 2) Indique les valeurs des intensités dans chaque lampe des circuits suivants. 3) Calcule les tensions électriques U1, U2, U3 et U4. 4) Le voltmètre V1 indique une tension de 9 V et le V2 une tension de 5,8 V. Quelle est la tension indiquée par le voltmètre V3 ? Quelle est la tension indiquée par le voltmètre V4 ? PHYSIQUE - THEME IV - 13 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 5) Le voltmètre V1 indique une tension de 12 V et le V2 une tension de 3,48 V. Quelle est la tension indiquée par le voltmètre V3 ? 6) Le voltmètre V1 indique une tension de 12 V. Quelle est la tension indiquée par le voltmètre V2 ? V3 ? V4 ? 7) Le voltmètre V1 indique une tension de 9 V et le V3 une tension de 5,3 V. Quelle est la tension indiquée par le voltmètre V2 ? V4 ? PHYSIQUE - THEME IV - 14 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 D. L’énergie et la puissance électrique Sur les appareils électriques, on indique souvent une puissance (sèche-cheveux 1000 W ; aspirateur 1800 W…). Les ampoules électriques sont catégorisées selon leur puissance (60 W, 75 W, 100 W). La puissance électrique (P) d’un appareil électrique s’obtient en multipliant la tension (U) appliquée par l’intensité (I) du courant. La puissance est exprimée en Watts (W). P=U.I L’énergie électrique consommée (W) par un appareil s’obtient par le produit de sa puissance (P) par la durée de fonctionnement (t). L’unité est le Joule (J). W=P.t Le kilowattheure (kWh) est une unité d’énergie commode car le Joule est trop petit pour exprimer la consommation en électricité d’un ménage. C’est l’énergie consommée (ou produite) par une machine de puissance 1 kW pendant 1 heure (3600 s). 1 kWh = 1000 W . 3600 s = 3,6x106 J Le tarif moyen actuel de l’énergie électrique en Belgique est de ± 0,19 € / kWh. Exercices 1) Une lessiveuse de puissance 2,5 kW est reliée au secteur dont la différence de potentiel est de 220 V. Quelle est l’intensité du courant qui la traverse ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 2) Une ampoule halogène de puissance 50 W fonctionne sous 12 V. Quelle est l’intensité du courant qui la traverse ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 3) Une lampe-témoin est montée en parallèle avec un moteur. Celui-ci a une puissance de 1100 W et est traversé par un courant d’intensité 5 A. Le courant traversant la lampe-témoin a une intensité de 5 mA. Quelle est sa puissance ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. PHYSIQUE - THEME IV - 15 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 4) Détermine la puissance d’un éclair si son intensité est de 104 A et si la ddp entre terre-ciel est de 106 V. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 5) On branche deux ampoules (230 V – 100 W) en parallèle sur le réseau (230 V). Quelle est la puissance totale de ces deux ampoules ? Et si on les branche en série ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 6) Une ampoule à vis ne porte pas d’indications de puissance mais bien de tension et d’intensité (3,5 V – 200 mA). Calcule la puissance de cette ampoule. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 7) Une chambre d’étudiant est équipée d’un ordinateur qui est allumé en moyenne 4 heures par jour. Sa puissance moyenne de fonctionnement est de 160 W avec l’écran. L’ensemble est bien sur branché sur la prise secteur de 230 V. a. Quelle est l’intensité du courant qui est nécessaire au fonctionnement de cet ordinateur ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. b. Quelle est l’énergie électrique dépensée en kWh pendant un an (45 semaines de 7 jours en moyenne) pour cet ordinateur ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. c. Quel est le coût énergétique annuel (en €) pour cet ordinateur ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. PHYSIQUE - THEME IV - 16 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 2.Les récepteurs thermiques a) La résistance électrique N’importe quel matériau peut devenir conducteur, c’est-à-dire laisser passer l’électricité. Lorsque les électrons traversent un matériau, ils se cognent aux atomes du matériau dans lequel ils passent. Toute matière résiste donc au passage du courant. Si la conductance est la propriété que présentent des corps à être bons conducteurs de courant, la résistance est la propriété inverse. On caractérise un matériau par sa résistance : plus un matériau laisse passer facilement le courant, plus petite est sa résistance. Voici le dipôle appelé résistance dans un circuit et sa représentation dans les schémas normalisés : Loi d’Ohm Pour un conducteur donné, on définit la résistance (R) comme le rapport constant entre la différence de potentiel (U) à ses bornes et l’intensité (I) du courant qui le traverse. L’unité de résistance d’un matériau est l’ohm (Ω Omega grec). Si pour une différence de potentiel donnée, le conducteur s’oppose fortement au passage du courant (donc sa résistance est grande), nous observerons un courant faible. Quelques valeurs : rallonge électrique de 100 m : réchaud électrique de 2000 W : filament d’une ampoule de 40 W : R = 0,68 Ω R = 24 Ω R = 1200 Ω Plus les électrons rencontrent une grande résistance, plus ils s’agitent et il sera donc normal d’observer une élévation de température lorsqu’un matériau de grande résistance est parcouru par un courant pendant une certaine durée (c’est le but dans un réchaud ou dans une ampoule). PHYSIQUE - THEME IV - 17 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 Exercices 1) Un fil de cuivre de résistance 0,11 Ω est traversé par un courant de 8,2 A pendant 12 heures. Calcule l’énergie dégagée. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 2) On branche une résistance de 100 Ω sur un générateur de tension 220 V. a. Calcule la quantité d’énergie thermique dissipée après 60 minutes de fonctionnement. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. b. Quel est le coût si le prix du kWh est de 0,19 € ? ……………………………………………………………. 3) Un réchaud fonctionnant sous une tension de 220 V possède une puissance de 2 kW. a. Quelle est l’intensité du courant qui le traverse ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. b. Quelle est la valeur de sa résistance ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. c. Calcule la quantité d’énergie thermique dissipée après 15 minutes d’utilisation. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 4) La lampe halogène d’un projecteur de dias fonctionne sous une différence de potentiel de 12 V. Sa puissance est de 150 W. a. Quelle est l’intensité du courant qui la traverse ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. b. Quelle est la valeur de sa résistance ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. PHYSIQUE - THEME IV - 18 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 b) Association de résistances A. Groupement en série : Si on dispose deux récepteurs en série, on peut écrire : U = U1 + U2 = R1.I + R2.I = (R1 + R2) .I et U = Rtot .I Rtot = R1 + R2 La résistance du groupement en série est égale à la somme des résistances de chaque récepteur. B. Groupement en parallèle : Si on dispose trois récepteurs en parallèle, on peut écrire : U = U1 = U2 = U3 or I=U/R et I = I1 + I2 + I3 U/R = U/R1 + U/R2 + U/R3 1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 La résistance du groupement en parallèle est égale à la somme des inverses des résistances. Exercices 1) A une prise multiple, reliée au réseau 220 V, sont branchés les trois appareils suivants : un radiateur de puissance 1000 W, un lampadaire de puissance 100 W et un fer à repasser de résistance 60 Ω. Quelle est l’intensité du courant traversant les fils reliant la prise multiple au réseau ? Si ce réseau est protégé par un fusible de 6 A, que se passera-t-il ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. PHYSIQUE - THEME IV - 19 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 2) Dans un circuit, on connecte en parallèle 3 résistances valant respectivement 2, 4 et 10 Ω. On désire réaliser dans le circuit principal, une intensité de courant valant 8,5 A. a. Détermine la résistance unique qui, vis-à-vis de la loi d’Ohm, jouerait le même rôle que l’ensemble. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. b. Détermine la mesure de la différence de potentiel qui doit être appliquée aux extrémités du groupement. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. c. Détermine la mesure de l’intensité de chacun des courants dérivés. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 3) Un fer électrique ayant une résistance de 25 Ω est placé en parallèle avec des lampes à incandescence dont la résistance équivalente vaut 15 Ω. Le tout est branché sur le compteur par l’intermédiaire d’un fusible. Sachant que la différence de potentiel utilisable est de 120 V, détermine l’intensité maximale que doit supporter le fusible pour que le circuit ne soit pas coupé quand le fer et les lampes fonctionnent ensemble. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 4) Un récepteur calorifique est conçu pour fonctionner avec une intensité de courant de 5 A, sous une tension de 130 V. On désire l’employer dans un lieu où la tension utilisable est de 220 V. Quelle est la valeur de la résistance qu’il faut placer en série avec lui pour ne pas dépasser l’intensité de courant prévue initialement ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 5) Nous avons à notre disposition les fusibles suivants : 5 A ; 10 A ; 15 A ; 20 A ; 25 A. Quel fusible doit-on prévoir pour protéger le circuit qui alimente un four électrique de 3000 W branché sur du 220 V ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. PHYSIQUE - THEME IV - 20 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 c) L’effet Joule L’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 lorsque le récepteur est parcouru par un courant. Il s’agit : d’un effet indésirable lorsqu’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. Il s’agit d’énergie donc : or P=U.I d’où W=P.t et U=R.I P = R . I . I = R . I2 W = R . I2 . t Cette loi a des conséquences très pratiques: lorsque se produit un court-circuit dans un circuit, l'intensité y augmente fortement. Comme l'énergie calorifique dépend de l'intensité au carré, on comprend aisément que cette énergie dégagée puisse provoquer des incendies. lorsque le corps humain est traversé par un courant électrique, les effets seront plus dangereux si l'intensité est grande mais aussi si le temps pendant lequel le corps est traversé par le courant est grand. PHYSIQUE - THEME IV - 21 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 3. Installation électrique et sécurité La tension du réseau électrique domestique est de 220 ou 230 V. La plupart des récepteurs ménagers exigent cette tension pour fonctionner. Cette exigence nécessite que tous les récepteurs soient disposés en parallèle. Or, 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. 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. http://clausschimphycol.chez-alice.fr/ De plus, toutes ces charges présentent un danger d'électrisation pouvant entraîner l'électrocution ! Les dangers de l'électricité Toucher une pile ne provoque aucun effet. Alors pourquoi est-ce si dangereux de toucher une prise de courant ? Réponse : le courant électrique fourni par les prises de courant de la maison est très fort. Il peut traverser la peau pourtant relativement isolante et induire un choc très dangereux, voire mortel si le contact se prolonge. Quels sont les risques de l'électricité et les moyens de s'en protéger ? I. Le court-circuit d'une pile La lampe à incandescence fonctionne grâce à l'échauffement du filament. Cet échauffement est tel que le filament émet de la lumière. Si nous effectuons un court-circuit avec un fil de connexion aux bornes d'une pile, il y a échauffement du fil et de la pile. Jusqu'où peut aller cet échauffement ? PHYSIQUE - THEME IV - 22 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 • Protocole : un peu de paille de fer est placée dans une assiette résistant à la chaleur. Une pile carrée est placée en contact avec la paille de fer. • Observation : des étincelles sont tout de suite visibles sur la paille de fer qui commence à s'enflammer. La combustion chauffe suffisamment pour que l'incandescence se propage à toute la paille de fer. • Interprétation : cette expérience nous permet de constater que l'échauffement lors d'un court- circuit est très fort. À plus grande échelle, avec le courant du secteur dans la maison, un court-circuit peut provoquer des incendies. En effet, même si les fils conducteurs de la maison sont suffisamment gros pour ne pas s'enflammer en cas de court- circuit, ce n'est pas le cas des circuits électriques dans les appareils ménagers. Les gaines des câbles électriques peuvent également fondre et parfois s'enflammer en provoquant l'incendie de toute une maison ou d'un immeuble. II. Les fusibles • Pour protéger les circuits de la maison contre les risques d'incendies, on équipe les panneaux électriques de fusibles. Ils sont constitués d'un fil conducteur assez fin protégé par un isolant en verre. Le courant électrique traverse le fusible dès qu'un appareil est branché sur une prise de courant. S'il y a un courtcircuit, l'échauffement du fusible provoque la fusion du fil conducteur qui devient liquide et, en coulant vers le bas du fusible, ouvre le circuit électrique. • Pour que ce système fonctionne correctement, il est indispensable de prévoir un fusible adapté à chaque circuit. Il est extrêmement dangereux de remplacer le fusible par un simple fil en cuivre car il n'y aurait plus alors de protection pour la maison. Si un fusible a fondu, il est indispensable de chercher pourquoi avant de le remplacer. Sinon on risque de faire fondre le suivant ! • Actuellement, les fusibles sont de plus en plus remplacés par des disjoncteurs électroniques qui coupent le contact en cas de surtension. Ces derniers ont l'avantage de disposer d'un interrupteur qu'il suffit de refermer pour remettre en fonction le circuit électrique. III. Les risques et la prévention • Le courant électrique peut être très dangereux pour l'être humain. Ce danger vient surtout du courant du secteur car il est très fort et traverse sans problème notre peau pour entrer dans notre corps. Comme tout notre système nerveux fonctionne à l'aide d'impulsions électriques, le contact soudain avec le courant électrique du secteur peut provoquer de très graves dégâts : arrêt du cœur, tétanisation des muscles et même dommages au cerveau. • Il faut donc éviter au maximum le contact avec le courant du secteur. Pour cela, il faut systématiquement couper l'alimentation électrique lorsqu'on souhaite changer une lampe ou travailler PHYSIQUE - THEME IV - 23 Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin 2013-2014 sur un circuit électrique. Il convient également de vérifier la qualité des équipements électriques de la maison et notamment qu'ils portent bien la mention NF électricité. Enfin, si vous êtes témoins d'une électrocution, il ne faut jamais hésiter à appeler les pompiers au 112. Dispositifs de sécurité fusible disjoncteur mise à la terre différentiel PHYSIQUE 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. 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) 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 ! 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. - THEME IV - 24
