CHAPITRE : ÉLECTRICITÉ Discipline : Sciences Physiques (Physique) — Niveau : 1ère Année Secondaire Volume horaire global : 9 heures — Conforme au programme officiel du Ministère de l’Éducation ro un ⋆ 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. ah • Distinguer un corps conducteur d’un corps isolant, ainsi qu’un générateur d’un récepteur. rB • 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 · t et appliquer la loi des nuds. ha fe • Mesurer une tension U , la représenter par une flèche UAB de B vers A et appliquer la loi des mailles. D I. Électrisation et Charge Électrique (3 heures) 1. Modes d’électrisation oh a m ed 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. M Remarque importante (Instruction ministérielle) of . L’électrisation par influence (par rayonnement ou à distance sans contact) n’est pas au programme de la 1ère année secondaire. Pr 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. © Prof. Mohamed Dhafer Bahroun 1 devoirphysiquechimie.tn − − − + Répulsion (charges de même signe) Attraction (charges opposées) 3. Interprétation électronique de l’électrisation ah La matière est constituée d’atomes : • Un noyau central chargé positivement. • Des électrons chargés négativement qui tournent autour du noyau. ro un Fig. 1 — Interactions électrostatiques entre corps chargés Définition : Charge élémentaire rB 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) fe La charge d’un électron est donc qe = −e = −1,6 × 10−19 C. |q| = N · e (2) oh a m ed D ha • 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’électrons 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 q portée par un corps contenant un excès ou un défaut de N électrons s’exprime par : II. Circuit Électrique, Sens et Nature du Courant (2 heures) M 1. Le circuit électrique simple Pr of . 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). © Prof. Mohamed Dhafer Bahroun 2 devoirphysiquechimie.tn 2. Sens conventionnel du courant électrique Par convention internationale, dans un circuit fermé : Règle : Sens conventionnel du courant I L K (fermé) I e− (+) G ah I ro un À l’extérieur du générateur, le courant électrique circule du pôle positif (+) vers le pôle négatif (−). rB (-) I fe Fig. 2 — Circuit électrique simple, sens conventionnel (I) et sens des électrons (e− ) ha 3. Nature du courant électrique Le courant électrique correspond à un déplacement d’ensemble ordonné de porteurs de charges électriques : ed D 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 : m — Les cations (ions positifs, ex. Na+ , Cu2+ ) se déplacent dans le sens conventionnel du courant (vers la cathode relie au pole −). M oh a — 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) of . 1. Définition et mesure de l’intensité Pr L’intensité I du courant électrique traduit le débit de charge électrique à travers la section droite d’un conducteur. Formule fondamentale : Quantité d’électricité Q t • I : intensité du courant exprimée en Ampères (A). Q=I ·t ⇐⇒ I= (3) • Q : quantité d’électricité (charge totale) exprimée en Coulombs (C). • t : durée de passage exprimée en secondes (s). © Prof. Mohamed Dhafer Bahroun 3 devoirphysiquechimie.tn Calcul du nombre d’électrons N Si la charge totale est transportée par des électrons, le nombre N d’électrons ayant traversé la section est : I ·t Q N= = (4) e e • Appareil de mesure : L’intensité du courant se mesure à l’aide d’un ampèremètre. ro un • Règles de branchement : — L’ampèremètre se branche toujours en SÉRIE dans la branche où l’on veut mesurer l’intensité. ah — Le courant doit entrer par la borne positive (A ou mA) et sortir par la borne commune (COM). rB 2. Loi des nuds • Définition d’un nud : Un nud est un point de jonction où se rencontrent au moins trois fils de connexion. fe Énoncé de la Loi des Nuds Ientrants = ∑ Isortants (5) D ∑ ha La somme des intensités des courants qui entrent dans un nud est égale à la somme des intensités des courants qui en sortent. ed I3 I1 oh a m K I2 I4 I5 Exemple pour le nud K ci-dessus : I1 + I2 = I3 + I4 + I5 of . M Fig. 3 — Illustration de la loi des nuds au point K IV. Tension Électrique et Loi des Mailles (2 heures) Pr 1. Notion de tension électrique et représentation La tension électrique UAB entre deux points A et B d’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 © Prof. Mohamed Dhafer Bahroun 4 (6) devoirphysiquechimie.tn Règle officielle de représentation par une flèche (Conforme aux directives ministérielles) La tension UAB aux bornes d’un dipôle D est symbolisée sur un schéma de circuit par une flèche orientée du point B vers le point A (la pointe de la flèche est dirigée vers la première lettre de l’indice A). B D ro un A UAB ah Fig. 4 — Flèche de représentation rigoureuse de la tension UAB (orientée de B vers A) rB 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 A et la borne COM à B. fe b- Oscilloscope : Permet de visualiser et de mesurer une tension continue ou variable. Pour une déviation verticale de y divisions avec une sensibilité verticale Sy (en V/div) : U = Sy · y ha (7) D 3. Loi des mailles Énoncé de la Loi des Mailles ed • Définition d’une maille : Une maille est un parcours fermé passant par une suite de dipôles sans repasser deux fois par le même point. oh a m Dans une maille orientée, la somme algébrique des tensions rencontrées le long de la maille est égale à zéro. ∑ U =0 (8) P M G N L1 UAB B Dans la maille 1 (orientée dans le sens horaire) : Pr C Maille 1 UP N of . A R UCD D UP N − UAB = 0 =⇒ UAB = UP N Fig. 5 — Circuit à deux mailles en dérivation © Prof. Mohamed Dhafer Bahroun 5 devoirphysiquechimie.tn V. Exemples d’Application Résolus & L’Essentiel 1. Application 1 : Calcul de débit de charge et nombre d’électrons Énoncé 1) Calculer la quantité d’électricité Q ayant traversé la section du fil. ro un Un fil de cuivre reliant une pile à une lampe est traversé par un courant continu d’intensité I = 0,32 A pendant une durée t = 5 minutes. 2) Déterminer le nombre N d’électrons qui ont circulé dans ce conducteur pendant cet intervalle de temps. ah Solution détaillée rB 1) Calcul de la quantité d’électricité Q : Convertissons la durée en secondes : t = 5 min = 5 × 60 s = 300 s. Q = I · t = 0,32 A × 300 s = 96 C ha fe 2) Calcul du nombre d’électrons N : Sachant que la charge élémentaire est e = 1,6 × 10−19 C : Q 96 N= = = 6,0 × 1020 électrons e 1,6 × 10−19 D 2. Application 2 : Lois des nuds et des mailles dans un circuit dérivé Énoncé ed Un générateur maintient entre ses bornes P et N une tension UP N = 12 V. Il alimente en parallèle deux branches : m • La première branche contient une lampe L1 traversée par un courant I1 = 0,30 A. • La deuxième branche contient un moteur M traversé par un courant I2 = 0,50 A. oh a 1) Calculer l’intensité totale I débitée par le générateur. 2) Déterminer la valeur de la tension aux bornes de la lampe UL1 et aux bornes du moteur UM . M Solution détaillée of . 1) Loi des nuds : Au nud principal reliant le générateur aux deux branches : I = I1 + I2 = 0,30 A + 0,50 A = 0,80 A Pr 2) Loi des mailles : Les dipôles L1 et M étant branchés en parallèle aux bornes du générateur : UL1 = UP N = 12 V et UM = UP N = 12 V © Prof. Mohamed Dhafer Bahroun 6 devoirphysiquechimie.tn L’Essentiel du Chapitre Électricité Quantité d’électricité Sens du courant Loi des nuds Tension UAB e = 1,6 × 10−19 C Charge q en Coulomb (C) Q=I ·t=N ·e I en Ampère (A), t en s Du + vers le − à l’extérieur du générateur ∑ ∑ Ientrants = Isortants Inversé pour les électrons (e− ) Flèche orientée de B vers A (UAB = −UBA ) ∑ U = 0 le long d’une maille Mesure au voltmètre (dérivation) Tension U en Volt (V) Mesure à l’ampèremètre (série) Pr of . M oh a m ed D ha fe rB Loi des mailles Unités SI / Appareil ro un Charge élémentaire Formule / Règle ah Notion © Prof. Mohamed Dhafer Bahroun 7 devoirphysiquechimie.tn
