Deux siècles d’électricité I. L’électromagnétisme A. Deux histoires séparées : Electricité : Ensemble de phénomènes physico-chimiques dus à la présence, dans les atomes, de particules dites chargées (protons et électrons) Magnétisme : Ensemble des phénomènes que présentent les matériaux aimantés Epoque Antiquité Moyen âge XVI XVIII Magnétisme Le phénomène du magnétisme est connu depuis l’Antiquité : la magnétite (oxyde de fer de formule Fe3O4, appelée également « pierre d’aimant »), pierre trouvée en Magnésie est capable d’attirer le fer ou les pierres de même espèce. Les Grecs, mais aussi les Romains et les Chinois avaient constaté que la magnétite avait la faculté d’attirer les objets contenant du fer, et qu’un morceau de fer mis en contact avec la magnétite acquérait la même propriété. Electricité Le phénomène électrique le plus anciennement connu est la propriété que l'ambre jaune acquiert, par le frottement, d'attirer les corps légers. D'autre part, les anciens Indiens remarquent que certains cristaux chauffés attirent les cendres chaudes. C’est au XIème siècle qu’apparaît la première application du magnétisme : la boussole : une aiguille aimantée indique la direction du Nord. Au XVIème siècle William Gilbert reconnaît la propriété de l'ambre dans diverses substances : le verre, la résine, le soufre, etc., ce qui amène à distinguer les matériaux isolants des matériaux conducteurs. Otto von Guericke invente la première machine électrostatique, comportant un globe de soufre tournant et qui permet d'obtenir la première étincelle électrique. En 1727, Stephen Gray observe que les conducteurs peuvent être électrisés, pourvu qu'ils soient isolés, et Charles François de Cisternay Du Fay met en évidence l'existence de deux sortes d'électricité, vitrée (positive) et résineuse (négative). En 1745, Petrus Van Musschenbroek découvre la condensation électrique en inventant la bouteille de Leyde, qui permet d'augmenter considérablement les effets des A la fin du XVIIIème siècle Charles Augustin de Coulomb mesure les forces qui s’exercent entre deux aimants et établit que ces forces sont inversement proportionnelles au carré de la distance qui sépare les aimants. COULOMB et ses successeurs étincelles, tandis que Benjamin Franklin remarque le pouvoir des pointes et l'applique à la protection contre la foudre (paratonnerre). Charles Augustin de Coulomb montre que les répulsions et attractions électriques sont inversement proportionnelles au carré de la distance (1785) et il découvre que l'électrisation des conducteurs est superficielle. Les résultats expérimentaux de Coulomb, retrouvés analytiquement par Pierre Simon Laplace, JeanBaptiste Biot, Carl Gauss et Siméon Poisson, La théorie de l'influence de Michael Faraday marquent le couronnement de l'électrostatique. B. La réunion de deux sciences : l’électromagnétisme En 1820, Hans Christian Œrsted observe qu’une aiguille magnétique est déviée par un courant électrique traversant un fil conducteur. Cette découverte, qui relie électricité et magnétisme, est à la base de la théorie de l’électromagnétisme, élaborée par André-Marie Ampère puis par James Maxwell. UN COURANT ELECTRIQUE PEUT CREER UN CHAMP MAGNETIQUE L’expérience historique d’Oersted : Vidéos de présentation : https://www.youtube.com/watch?v=2eXD9nv8Fb0 https://www.youtube.com/watch?v=n7EWhEYOa0o Vidéo historique : https://www.youtube.com/watch?v=k--zu9JIckw Application directe l’électro-aimant : un enroulement de fil conducteur isolé (une « bobine » ; un « solénoïde », se comporte comme un aimant quand il est parcouru par un courant électrique. (Le champ magnétique est plus intense quand il y a plus de spires et/ou si le courant est plus intense) C. Une question importante : est-ce que le contraire est possible ? Expérience de Faraday Vidéos de présentation : https://www.youtube.com/watch?v=Yo1rnIm5EUI Vidéo historique : https://www.youtube.com/watch?v=4XR6pLJrhaI UN CHAMP MAGNETIQUE PEUT CREER UN COURANT ELECTRIQUE Étant donné un circuit placé dans un champ magnétique et en mouvement par rapport à ce champ. 1° si le circuit est ouvert, il y a, entre les bornes de la coupure, création d'une force électromotrice ; 2° si le circuit est fermé, un courant induit apparaît ; Ces phénomènes se produisent soit lorsque le circuit est mobile dans un champ d'induction uniforme, soit lorsque le circuit, fixe, est soumis à un champ variable. Vocabulaire : vous devez connaître et pouvoir expliquer/utiliser les mots suivants : Magnétique / magnétisme Electricité/électrique Electromagnétisme Induction/ courant induit Galvanomètre Bobine d’induction/solénoïde A retenir : Dans un circuit conducteur, le courant électrique est la manifestation à l’échelle macroscopique d’une circulation organisée d’un grand nombre d’électrons. Une bobine de fil isolé, parcourue par un courant électrique se comporte comme un aimant (électroaimant) Si un circuit fermé est en mouvement dans un champ magnétique ou si un aimant (ou un électroaimant est en mouvement au voisinage d’un circuit fermé, alors, dans le circuit, apparaît un courant électrique induit. II. Un mode de production d’électricité : l’alternateur A. Constitution d’un alternateur Une des applications majeures de l’induction électrique est la production d’électricité à l’aide d’un alternateur L'alternateur comporte en général : – un induit fixe ou stator, qui est un anneau portant un, deux ou trois enroulements suivant que l'alternateur est monophasé, diphasé ou triphasé. – un inducteur mobile ou rotor, formé de noyaux polaires entourés de bobines alimentées par un courant continu d'excitation, fourni généralement par une dynamo auxiliaire ; Le rotor, en tournant, induit dans l'enroulement du stator un courant alternatif, dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation, et la valeur au courant d'excitation. Schéma d’un alternateur simple : Pour créer la rotation du rotor, il faut trouver une source de mouvement : en général, il s’agit du mouvement d’une turbine ou d’une hélice entraînée par le déplacement d’un fluide (liquide ou d’un gaz) : B. Les alternateurs dans la vie courante vent Turbine éolienne Champ d’éoliennes Energie éolienne Eau des torrents Turbine hydraulique (Pelton) Barrages ; conduites forcées Energie hydraulique Eau des rivières et des fleuves Turbine hydraulique (Banki) barrage Eau de l’océan Turbine hydraulique Usine marémotrice Vapeur sortant de la Terre Turbine à vapeur Vapeur créée par la combustion de charbon ou de pétrole Vapeur créée par des réactions nucléaires Mouvement d’une roue de vélo ou Energie hydraulique Energie géothermique Centrale thermique Energie fossile Centrale nucléaire Energie nucléaire dynamo Energie cinétique Animation explicative https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/faraday/latest/faraday.html?simulation=faraday https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/faraday/latest/faraday.html?simulation=generator animation BELIN -PCCL : https://www.pccl.fr/physique_chimie_college_lycee/troisieme/electricite/aimant_bobine_alternateur_product ion_tension_alternative.htm C. Etude énergétique 1. Puissance et travail électrique puissance électrique : la puissance fournie par un alternateur qui fournit une intensité I avec une tension à ses bornes U est : P=UxI (watts amperes volts) Énergie électrique = l’énergie électrique (on parle plutôt de TRAVAIL électrique) fournit pqr ce générateur pendant une durée Δt est : Welec = P x Δt = U x I x Δt (joules watt seconde) watt-heure watt heure Remarque cette énergie exprimée en joules dans le système international est souvent indiquée en wattheures (ou en kilowattheures) 1 Wh = 3600 J 1 kWh = 3600000 J 2. rendement a) cas général : pertes par transformation d’énergie imaginons une transformation d’énergie : il faut une source d’énergie, un convertisseur (Un convertisseur est un dispositif qui convertit l’énergie d’une forme en une autre.) et un récepteur WA WB Convertisseur Source Récepteur En théorie, si le convertisseur était parfaitement efficace, on aurait W B = WA (toute l’énergie serait intégralement utilisable par le récepteur, sans aucune perte). Mais en pratique, cela ne se produit pas : il y a des pertes ! WA Source WB Convertisseur Récepteur Vocabulaire : vous devez connaître et pouvoir expliquer/utiliser les mots suivants : Alternateur / rotor /stator turbine puissance énergie intensité tension A retenir : On peut produire un courant électrique induit dans un stator par le mouvement de rotation d’un rotor entraîné par une turbine. Pour faire tourner la turbine, on utilise un fluide (gaz ou liquide) en mouvement. Interaction entre atomes et lumière III. A. Interaction : un phénomène quantique B. Les semi-conducteurs 1. Un semi-conducteur Chaque élément du tableau périodique possède un certain nombre d’électrons qui sont agencés autour d’un noyau. C’est cet agencement sous la forme de couches d’électrons, différent selon les éléments, qui est responsable de la conductivité électrique. Les électrons d’un atome peuvent avoir plusieurs rôles au sein d’une structure d’atomes : électrons de cœur : ceux-ci sont proche du noyau et n’interagissent pas vraiment avec les autres atomes ; électrons de valence : ceux-ci sont sur les couches externes de l’atome et permettent de créer des liaisons interatomiques et de former les molécules ; électrons de conduction : ceux-ci sont responsables de la circulation du courant électrique. https://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Metaux_et_isolants,_explication_quantique_de_la_difference.ogv 2. Bandes d'énergie Considérons un atome isolé (tout seul) ; nous avons vu que les niveaux énergétiques de ses électrons sont « discrets » (c’est à dire qu’ils ont des valeurs TRES précises). Lorsque l'on rapproche de ce dernier un atome identique, les niveaux énergétiques discrets de leurs électrons se scindent en deux sous l'interaction réciproque des deux atomes. Plus généralement, lorsque l'on approche un nombre N d’atomes identiques, les niveaux énergétiques se scindent en N niveaux. Ces N niveaux sont très proches les uns des autres et si la valeur de N est grande, ce qui le cas pour un cristal, ils forment une bande d'énergie continue. 1 atome 2 atomes 4 atomes 12 atomes un grand nombre d’atomes Il faut bien comprendre que pour chaque niveau d’énergie d’un atome seul, on obtient une bande d’énergie pour un grand nombre d’atomes. (et ces bandes peuvent se chevaucher) On considère, pour un atome d’un type particulier les deux bandes les plus énergétiques obtenues ainsi. La conduction électrique résulte du déplacement des électrons à l'intérieur de chaque bande. Sous l'action du champ électrique appliqué au matériau l'électron acquiert une énergie cinétique dans le sens opposé au champ électrique. Considérons à présent une bande d'énergie vide, il est évident que, puisqu’elle ne contient aucun électron, elle ne participe pas à la formation d'un courant électrique. Il en est de même pour une bande pleine. En effet, un électron ne peut se déplacer que s’il existe une place libre (un trou) dans sa bande d'énergie. Ainsi, un matériau dont les bandes d'énergie sont vides ou pleines est un isolant. On peut schématiser l’ensemble sous la forme de couches. Sur le schéma suivant, on a représenté les couches d’électrons de valence et d’électrons de conduction : Un semi-conducteur, comme le silicium, c’est un matériau qui n’est ni tout à fait un conducteur d’électricité, ni tout à fait un isolant. Il peut être soit l’un, soit l’autre selon diverses conditions. On voit que dans un métal, certains électrons sont à la fois dans la bande de valence et dans la bande de conduction. Cela signifie qu’un métal peut conduire le courant sans autre forme de traitement physico-chimique. Dans un isolant, par contre, les deux bandes sont séparées par un espace appelé « bande interdite » : cela signifie que les électrons ne peuvent pas s’y trouver. Dans le cas des isolants, les électrons externes sont tous dans la bande de valence et aucun ne se trouve dans la bande de conduction : ces matériaux ne peuvent donc pas conduire l’électricité. Enfin, dans le cas des semi-conducteurs, au milieu, il existe une bande interdite aussi, mais cette dernière est très fine. Il suffit d’un petit quelque chose pour que les électrons de valence puissent passer dans la bande de conduction et ainsi rendre le semi-conducteur… conducteur. On parvient à faire ça en donnant de l’énergie aux électrons, en les excitant. Un semi-conducteur est donc un isolant mais qui peut devenir un conducteur très facilement en excitant les électrons de valence : on fait ça en chauffant le matériau, ou en l’éclairant, ou en le soumettant à une tension électrique bien définie. Par exemple, si on éclaire une plaque photovoltaïque, la plaque devient conductrice et on crée un courant électrique : c’est l’effet photoélectrique. On dispose donc ici d’une fonction bien intéressante : c’est un isolant qui devient conducteur quand on l’éclaire. Dans un processeur d’ordinateur, c’est une tension électrique minimale qui permet de rendre le semi-conducteur isolant en dessous et conducteur au dessus. Croyez-le ou non, c’est ce principe très simple qui est à la base de toute l’informatique. https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9orie_des_bandes Une telle configuration (isolant) est obtenue pour des énergies de gap supérieures à ~9eV, car pour de telles énergies, l'agitation thermique à 300K, ne peut pas faire passer les électrons de la bande de valence à celle de conduction par cassure de liaisons électronique. Les bandes d'énergie sont ainsi toutes vides ou toutes pleines.
