L es aurores polaires résultent d`une interaction specta

Les aurores polaires résultent d’une interaction specta -
culaire entre des charges électriques venues du Soleil et
le champ magnétique terrestre. Ce phénomène est donc
lié à la fois à l’électricité et au magnétisme. Ces derniers
se sont taillé une place de choix dans notre quotidien. En
effet, ils ont permis le développement d’une foule d’appli-
cations technolo giques. Quelle est l’origine des phéno -
mènes électriques et des phénomènes magnétiques ?
Quelles sont les conditions qui permettent de produire un
courant électrique ou un champ magnétique ? Existe-t-il
un lien entre ces deux domaines ? Voilà quelques-unes des
questions auxquelles nous tenterons de répondre dans
ce chapitre.
vers –585
Découverte de la magnétite,
un aimant naturel
vers 1120
Utilisation de la boussole
pour la navigation
2003
Construction d’un train supporté
par un champ magnétique (Chine)
1672
Construction d’une machine
produisant de l’électricité
statique
1752
Découverte de la nature
électrique de l’éclair
1785
Énoncé de la loi de Coulomb
1800
Invention de la pile électrique
1820
Invention de l’électroaimant
1821
Invention du premier moteur
électrique
1827
Énoncé de la loi d’Ohm
1882
Construction à New York
du premier réseau de distribution
de l’électricité
1986
Découverte d’une céramique
supraconductrice
1600
Découverte du champ
magnétique terrestre
!Chapitre 05 (a) (5e épreuve):Layout 1 10-01-05 14:39 Page138

L’électricité
et le magnétisme 5
SOMMAIRE
1. Qu’est-ce que
l’électricité ? ........................... 140
1.1 Les charges électriques.............. 141
1.2 Les conducteurs et
les isolants .................................. 142
1.3 Les champs électriques.............. 144
2. L’électricité statique........ 145
2.1 L’électrisation de la matière..... 146
2.2 La loi de Coulomb......................... 149
3. L’électricité dynamique... 150
3.1 Le courant électrique.................. 150
3.2 La puissance électrique.............. 155
3.3 Les circuits électriques ............... 156
3.4 Les lois de Kirchhoff...................... 159
4. Qu’est-ce que
le magnétisme ?....................... 163
4.1 Les aimants....................................... 164
4.2 Les champs magnétiques.......... 166
4.3 La magnétisation de
la matière .................................... 167
5. L’électromagnétisme......... 167
5.1 La magnétisation par
l’électricité.................................. 167
5.2 L’électrisation par
le magnétisme.......................... 170
L
’
u
n
i
v
e
r
s
m
a
t
é
r
i
e
l
139
!Chapitre 05 (a) (5e épreuve):Layout 1 10-01-05 14:39 Page139

140
CHAPITRE 5
Plusieurs phénomènes naturels sont de nature électrique. La transmission de
l’influx nerveux dans les cellules, la foudre, les réactions chimiques entre les
atomes et les molécules en sont quelques exemples. Plusieurs applications
technologiques mettent à profit les phénomènes électriques. En effet, l’élec-
tricité est l’une des principales formes d’énergie qui alimentent les appareils
que nous utilisons quotidiennement.
Il y a longtemps qu’on a découvert l’existence des phénomènes élec-
triques. Environ 600 ans avant notre ère, le philosophe grec Thalès de
Milet (vers 625
– vers 546 av. notre ère) a remarqué que, lorsqu’on
frotte un morceau d’ambre jaune avec de la laine, il devient capable
d’attirer de petits objets, comme des mor -
ceaux de paille. Cette propriété de l’ambre
fut nommée l’«effet électrique ».
Au 16
e
siècle,William Gilbert (1540-1603), médecin et physicien
anglais, observa que d’autres substances, comme le verre, la résine
et le soufre, avaient des propriétés semblables à celles de l’ambre
jaune. Depuis cette époque, on considère que tout matériau capable
d’attirer de petits objets après avoir été frotté est «électrisé».
On remarqua aussi que les objets électrisés avaient la possibilité soit
de s’attirer les uns les autres, soit de se repousser, et que cette faculté
dépendait de la nature de la matière qui les constituait.
1Qu’est-ce que l’électricité ?
ST
STE
ATS
«Électrique» vient du
mot grec
êlektron , qui
signifie «ambre».
L’ambre jaune est un fossile dur
et translucide provenant de la
résine sécrétée par les conifères.
5.1
Une tige de verre électrisée et une règle de plastique
électrisée s’attirent l’une l’autre.
5.3
Deux tiges de verre électrisées se repoussent.
5.2
Verre
Verre
Verre
Plastique
À partir d’observations semblables à celles des figures 5.2 et 5.3, Benjamin
Franklin (1706-1790), physicien, philosophe et politicien américain, dis -
tingua deux types d’électricité. Il établit que tout matériau se comportant
comme le verre frotté était chargé d’«électricité positive». Au contraire, tous
les matériaux se comportant comme le plastique frotté (à l’époque, la cire à
cacheter ou la résine) étaient chargés d’«électricité négative».
Selon Franklin, il existait donc des charges positives et des charges négatives.
De plus, ces charges pouvaient être transférées d’un objet à un autre.
L’ÉLECTRICITÉ est l’ensemble des phénomènes provoqués par
les charges positives et négatives.
CONCEPTS DÉJÀ VUS
Atome
Transformations
de l’énergie
!Chapitre 05 (a) (5e épreuve):Layout 1 10-01-05 14:39 Page140

141
L’électricité et le magnétisme
D’où viennent les charges qui causent les phénomènes électriques ? Ce n’est
qu’au 19
e
siècle, lors de la découverte des électrons et des protons, qu’on a
pu donner une réponse satisfaisante à cette question (voir la figure 5.4).
Chaque proton porte une charge positive, tandis que chaque élec-
tron porte une charge négative. Les protons sont fortement retenus
dans le noyau de l’atome. Au contraire, les électrons situés sur les
couches les plus externes (les
ÉLECTRONS DE VALENCE ) peuvent
être transférés d’un atome à un autre. En conséquence, les corps
chargés négativement sont ceux qui possèdent un surplus de
charges négatives (plus d’électrons que de protons), tandis que les
corps chargés positivement sont ceux qui présentent un déficit de
charges négatives (moins d’électrons que de protons).
La CHARGE ÉLECTRIQUE est une propriété des pro-
tons et des électrons. Un proton porte une charge posi -
tive, tandis qu’un électron porte une charge négative.
Un CORPS CHARGÉ NÉGATIVEMENT possède un sur-
plus d’électrons (plus d’électrons que de protons).
Un CORPS CHARGÉ POSITIVEMENT présente un défi -
cit d’électrons (moins d’électrons que de protons).
L’unité de mesure de la charge électrique est le coulomb (C). Dans les équa-
tions mathématiques, on symbolise souvent la charge électrique à l’aide de
la variable «q». (Certains ouvrages emploient plutôt le symbole «Q».)
Un coulomb est un multiple de la «charge élémentaire», c’est-à-dire de la
charge que porte un électron ou un proton. Les expériences du physicien
américain Robert Andrews Millikan (1868-1953) ont permis de trouver
que la charge d’un électron vaut 1,602 x10
–19
C.
La CHARGE ÉLÉMENTAIRE est la charge portée par un électron
ou un proton. Elle vaut 1,602 x 10–19 C.
Le COULOMB est l’unité de mesure de la charge électrique. Un
coulomb équivaut à la charge de 6,25 x 1018 électrons ou
protons.
1.1
LES CHARGES ÉLECTRIQUES
ST
STE
ATS
Électron
Proton
Les atomes, unités de base de
la matière, comportent un noyau
formé de protons (particules
portant une charge positive) et de
neutrons (particules non chargées),
autour duquel gravitent des
électrons (particules portant une
charge négative).
5.4
Les forces d’attraction et
de répulsion électriques
Les observations du comportement de la matière électriquement chargée
ont permis d’établir les faits suivants:
les charges électriques de mêmes signes (c’est-à-dire deux charges posi-
tives ou deux charges négatives) se repoussent;
les charges électriques de signes opposés (soit une charge positive et une
charge négative) s’attirent;
ST
STE
ATS
Neutron
!Chapitre 05 (a) (5e épreuve):Layout 1 10-01-05 14:39 Page141

La plupart des objets sont électriquement neutres, c’est-à-dire qu’ils portent
un nombre égal de charges positives (protons) et de charges négatives (élec-
trons). On peut cependant donner une charge à certains objets en transférant
des électrons d’un endroit à un autre. C’est ce qui s’appelle «électriser» la
matière.
L’ÉLECTRISATION consiste à créer un déséquilibre
des charges dans la matière.
Le nombre de charges positives est toujours égal au nombre de
charges négatives, de sorte que la charge globale reste neutre.
Cela découle de la loi de la conservation de la charge.
On peut classer la matière en trois catégories, soit les conduc-
teurs, les semi-conducteurs et les isolants, selon leur comporte-
ment lors d’un transfert de charges électriques.
Lorsqu’on électrise un conducteur métallique isolé, les élec-
trons circulent rapidement de façon à s’éloigner le plus pos sible
les uns des autres. Il se produit donc très vite un nouvel équi -
libre dans lequel l’intérieur du conducteur est neutre, tandis
que les charges sont uniformément réparties à la surface du
conducteur (voir la figure 5.5).
Lorsqu’on électrise un conducteur métallique placé dans un
circuit, on force les électrons à dériver globalement selon une
direction. On peut donc dire que les électrons poussent les uns
sur les autres, ce qui produit un déplacement des charges dans
le circuit.
Que se passe-t-il à l’échelle atomique lorsqu’on charge un
conducteur métallique ? Les noyaux des atomes des métaux
exercent une faible attraction sur leurs électrons de valence.
Ceux-ci peuvent donc facilement passer d’un atome à un
autre.
Il existe une autre catégorie de substances permettant de faire
circuler des charges électriques: ce sont les
SOLUTIONS ÉLEC -
TROLYTIQUES . Ces substances contiennent des IONS , c’est-à-dire
des particules portant une charge électrique. Lorsqu’on place
des électrodes dans une solution électrolytique, les ions positifs
se déplacent en direction de la borne négative, tandis que les
1.2
LES CONDUCTEURS
ET LES ISOLANTS
ST
STE
ATS
142
CHAPITRE 5
la force qui permet l’attraction ou la répulsion entre les charges est la
«force électrique»;
les charges électriques ne peuvent être ni créées ni détruites, elles peuvent
seulement être transférées d’un corps à un autre. C’est ce qu’on appelle la
«loi de la conservation de la charge».
Lorsqu’on électrise un conducteur
métallique isolé, les charges
se répartissent uniformément
à la surface de l’objet.
Conducteur métallique isolé
5.5
Lorsqu’on électrise une solution
électrolytique, les charges positives
se déplacent vers l’électrode négative,
tandis que les charges négatives
se déplacent vers l’électrode positive.
5.6
Électrodes
Ions
!Chapitre 05 (a) (5e épreuve):Layout 1 10-01-05 14:39 Page142