Chapitre Électricité 1ère Année Secondaire Sciences Physiques

Prof. Mohamed Dhafer Bahroun
CHAPITRE : ÉLECTRICITÉ
Discipline : Sciences Physiques (Physique) — Niveau : 1ère Année
Secondaire
Volume horaire global : 9 heures — Conforme au programme officiel du Ministère de l’Éducation
⋆Objectifs du chapitre
•Mettre en évidence et interpréter les phénomènes d’électrisation par frottement et par
contact.
•Interpréter l’électrisation par la structure atomique de la matière et le transfert d’électrons.
•Distinguer un corps conducteur d’un corps isolant, ainsi qu’un générateur d’un récepteur.
•Déterminer le sens conventionnel du courant électrique et identifier la nature des porteurs
de charge.
•Définir l’intensité du courant I, utiliser la relation Q=I·tet appliquer la loi des nuds.
•Mesurer une tension U, la représenter par une flèche UAB de Bvers Aet appliquer la loi
des mailles.
I. Électrisation et Charge Électrique (3 heures)
1. Modes d’électrisation
Un corps est dit électrisé lorsqu’il possède la propriété d’attirer des objets légers (poussières,
petits morceaux de papier, cheveux) après avoir subi un traitement mécanique.
Le programme officiel retient deux modes d’électrisation expérimentaux :
a- Électrisation par frottement : En frottant une baguette de verre avec de la soie ou une
baguette de plastique/ébonite avec de la laine, ces corps acquièrent une charge électrique.
b- Électrisation par contact : Lorsqu’un corps électrisé touche un corps neutre (ex. le pompon
d’un pendule électrostatique), le corps neutre acquiert une charge de même signe et se trouve
repoussé.
Remarque importante (Instruction ministérielle)
L’électrisation par influence (par rayonnement ou à distance sans contact) n’est pas au pro-
gramme de la 1ère année secondaire.
2. Interaction électrostatique et deux espèces d’électricité
Les expériences montrent qu’il existe exactement deux espèces d’électricité :
•L’électricité positive (+): conventionnellement portée par le verre frotté.
•L’électricité négative (−) : conventionnellement portée par le plastique ou l’ébonite frotté.
Loi des interactions électrostatiques
•Deux corps portant des charges de même signe se repoussent.
•Deux corps portant des charges de signes contraires s’attirent.
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− −
Répulsion (charges de même signe)
−+
Attraction (charges opposées)
Fig. 1 — Interactions électrostatiques entre corps chargés
3. Interprétation électronique de l’électrisation
La matière est constituée d’atomes :
•Un noyau central chargé positivement.
•Des électrons chargés négativement qui tournent autour du noyau.
Définition : Charge élémentaire
L’électron porte une charge électrique négative dont la valeur absolue est appelée charge
élémentaire, notée e:
e= 1,6×10−19 C (Coulomb) (1)
La charge d’un électron est donc qe=−e=−1,6×10−19 C.
•Atome neutre : Un atome possède autant de protons (+) dans son noyau que d’électrons (−)
autour ; sa charge globale est nulle (q= 0).
•Mécanisme de l’électrisation : L’électrisation résulte exclusivement d’un transfert d’élec-
trons d’un corps vers un autre :
— Un corps qui gagne des électrons devient chargé négativement (q < 0).
— Un corps qui perds des électrons devient chargé positivement (q > 0).
•Quantification de la charge : La valeur absolue de la charge qportée par un corps contenant
un excès ou un défaut de Nélectrons s’exprime par :
|q|=N·e(2)
II. Circuit Électrique, Sens et Nature du Courant (2 heures)
1. Le circuit électrique simple
Un circuit électrique simple est une chaîne continue d’éléments conducteurs comprenant :
•Un générateur (ex. pile ronde, pile plate, accumulateur) : il fournit l’énergie électrique au
circuit.
•Un ou plusieurs récepteurs (ex. lampe, moteur, résistor) : ils consomment l’énergie électrique
et la transforment en une autre forme (lumineuse, mécanique, thermique).
•Un interrupteur : il permet de fermer ou d’ouvrir le circuit.
•Des fils de connexion : ils assurent la liaison entre les composants.
Conducteurs et Isolants
•Conducteurs électriques : Matériaux qui laissent passer le courant électrique (ex.
cuivre, aluminium, fer, graphite, eau salée).
•Isolants électriques : Matériaux qui ne laissent pas passer le courant électrique (ex.
plastique, verre, bois sec, air, eau pure).
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2. Sens conventionnel du courant électrique
Par convention internationale, dans un circuit fermé :
Règle : Sens conventionnel du courant I
À l’extérieur du générateur, le courant électrique circule du pôle positif (+)vers le pôle
négatif (−).
G
K(fermé) L
I
I
I
e−
(+)
(-)
Fig. 2 — Circuit électrique simple, sens conventionnel (I) et sens des électrons (e−)
3. Nature du courant électrique
Le courant électrique correspond à un déplacement d’ensemble ordonné de porteurs de
charges électriques :
1) Dans les conducteurs solides (métaux) : Le courant est dû à un déplacement d’ensemble
des électrons libres. Ils se déplacent dans le sens inverse du sens conventionnel, c’est-à-dire du
pôle (−) vers le pôle (+).
2) Dans les électrolytes (solutions conductrices) : Le courant est dû au déplacement simultané
de deux types d’ions :
— Les cations (ions positifs, ex. Na+, Cu2+) se déplacent dans le sens conventionnel du
courant (vers la cathode relie au pole −).
— Les anions (ions négatifs, ex. Cl−, SO2−
4) se déplacent en sens inverse (vers l’anode relie
au pole +).
III. Intensité du Courant et Loi des Nuds (2 heures)
1. Définition et mesure de l’intensité
L’intensité Idu courant électrique traduit le débit de charge électrique à travers la section droite
d’un conducteur.
Formule fondamentale : Quantité d’électricité
Q=I·t⇐⇒ I=Q
t(3)
•I: intensité du courant exprimée en Ampères (A).
•Q: quantité d’électricité (charge totale) exprimée en Coulombs (C).
•t: durée de passage exprimée en secondes (s).
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Calcul du nombre d’électrons N
Si la charge totale est transportée par des électrons, le nombre Nd’électrons ayant traversé la
section est :
N=Q
e=I·t e(4)
•Appareil de mesure : L’intensité du courant se mesure à l’aide d’un ampèremètre.
•Règles de branchement :
— L’ampèremètre se branche toujours en SÉRIE dans la branche où l’on veut mesurer
l’intensité.
— Le courant doit entrer par la borne positive (A ou mA) et sortir par la borne commune
(COM).
2. Loi des nuds
•Définition d’un nud : Un nud est un point de jonction où se rencontrent au moins trois fils
de connexion.
Énoncé de la Loi des Nuds
La somme des intensités des courants qui entrent dans un nud est égale à la somme des
intensités des courants qui en sortent.
Ientrants =Isortants (5)
K
I1
I2
I3
I4
I5
Exemple pour le nud K ci-dessus : I1+I2=I3+I4+I5
Fig. 3 — Illustration de la loi des nuds au point K
IV. Tension Électrique et Loi des Mailles (2 heures)
1. Notion de tension électrique et représentation
La tension électrique UAB entre deux points Aet Bd’un circuit est la différence de potentiel
électrique entre ces deux points. C’est une grandeur algébrique exprimée en Volts (V).
Propriété d’antisymétrie
UAB =−UBA (6)
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Règle officielle de représentation par une flèche (Conforme aux directives ministé-
rielles)
La tension UAB aux bornes d’un dipôle Dest symbolisée sur un schéma de circuit par une
flèche orientée du point Bvers le point A(la pointe de la flèche est dirigée vers la
première lettre de l’indice A).
A B
D
UAB
Fig. 4 — Flèche de représentation rigoureuse de la tension UAB (orientée de Bvers A)
2. Appareils de mesure de la tension
a- Voltmètre : Se branche toujours en DÉRIVATION (parallèle) aux bornes du dipôle étudié.
Pour mesurer UAB , la borne V est reliée à Aet la borne COM à B.
b- Oscilloscope : Permet de visualiser et de mesurer une tension continue ou variable. Pour une
déviation verticale de ydivisions avec une sensibilité verticale Sy(en V/div) :
U=Sy·y(7)
3. Loi des mailles
•Définition d’une maille : Une maille est un parcours fermé passant par une suite de dipôles
sans repasser deux fois par le même point.
Énoncé de la Loi des Mailles
Dans une maille orientée, la somme algébrique des tensions rencontrées le long de la maille est
égale à zéro.
U= 0 (8)
N
G
UP N
P A
L1UAB
B
C
RUCD
D
Maille 1
Dans la maille 1 (orientée dans le sens horaire) : UP N −UAB = 0 =⇒UAB =UP N
Fig. 5 — Circuit à deux mailles en dérivation
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