Energie électrique (charges électriques)

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AUTEURS : Philippe Godts, Jean-Baptiste Schuermans
6 octobre 2014
Clarifications conceptuelles à l’usage du professeur
Electricité
Electrisation d’un objet
Quand deux objets initialement neutres sont frottés  électrisation
par frottement. Lors de ce phénomène, autant de charges positives que de charges négatives sont
formées (ou plus précisément séparées) et se disposent sur les deux objets. Ces charges sont mises
en évidence par le fait que les charges de même nom se repoussent, tandis que celles de nom
objets 
souvent remplacé par le PVC).
Depuis la fin du XIXème  
s'explique au niveau atomique par le transfert
d’électrons      
frottement 
     t chargé
positivement en perd. Dire que des charges
donc un abus de langage : elles sont déjà
possède sont en même nombre et 
Un objet est conducteur électrique si les charges électriques (en fait certains électrons appelés
électrons de conduction        isolant. Les métaux et le
carbone graphite sont de bons conducteurs électriques. A cause de leur répulsion mutuelle, les
charges se répartissent préférablement à la surface des conducteurs.
         initialement neutre peut être électrisé : on peut aussi le
mettre en contact avec un autre objet déjà chargé. Après séparation, les deux objets possèdent alors
des charges de même signe, mais pas forcément en même quantité.
Un objet initialement neutre peut enfin être polarisé
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électriquement en étant placé dans
     , sans entrer en contact avec lui. Dans ce cas,
appelé influence électrique, autant de charges positives que de charges négatives sont séparées
 neutre , tout en restant globalement
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Objet polarisé électriquement : les charges positives et négatives vont être séparées et se localiser en deux
endroits opposés.
HGT - SCB
Physique
UAA1

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neutre, est alors atti   
              initialement neutre est
 : les charges opposées se réunissent à nouveau.
coulomb (noté « C »).
Comme un électron a une charge de -1,6.10-19 C, une charge de -1 coulomb correspond à un excès
de 1/1,6.10-19 = 6,25.1018 (6,25          
rge transportée
par un courant de 1 ampère
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pendant une heure, et vaut 3600 C.
Circuit électrique de base
conducteurs.
Un générateur est un dispositif capable de séparer des charges opposées tant que fonctionne le
ent toujours
sur deux bornes différentes appelées la borne positive et la borne négative. Au cours de ce
électrique. On peut également considérer le générateur comme un dispositif communiquant de
et son lien avec les analogies, même si elle ne
correspond pas toujours aux processus atomiques, et en
particulier aux réactions chimiques observées. Ainsi,
dans les électrolytes (des piles et des cuves
des anions se déplaçant en sens inverse.
Un récepteur est un dispositif   
charges électriques le traversant.
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Au cours de ce
énergie secondaire (chimique, mécanique, 
Tout comme le générateur, le récepteur possède  au
moins  deux bornes.
Pour que le récepteur et le générateur fonctionnent, il faut relier leurs
bornes positives et négatives respectives avec deux conducteurs. Quand
le circuit ainsi formé est ininterrompu, on dit que le circuit est fermé : un
courant électrique, constitué de charges électriques, circule dans celui-ci.
comme allant de la borne positive à la borne négative du générateur en
traversant le récepteur          
niveau atomique, les porteurs de charge au sein des conducteurs solides,
 : ils
vont de la borne négative à la borne positive du générateur en traversant
le récepteur 
simultanément dès que le circuit est fermé, et a
              Notons que, au
niveau atomique, les électrons de conduction ont une vitesse très faible : à peine quelques millimètres
par seconde !
De nombreux générateurs, dont ceux alimentant les prises du
secteur (prises domestiques), fournissent une tension
alternative       
Certains récepteurs (les ampoules à incandescence, les
résistances cha     
2
Voir plus loin dans la section sur les grandeurs électriques, le paragraphe sur la notion de courant électrique.
3
On peut aussi considérer le récepteur comme un dispositif où des charges opposées se rejoignent et
s’équilibrent.
Energie
primaire
(chimique,
mécanique,…)
)
Energie
électrique
(charges
électriques)
Générateur
Energie
électrique
(charges
électriques)
Energie
secondaire
(chimique,
mécanique,…
))
Récepteur

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culer
que dans un sens.
Un court-circuit            
générateur sans devoir passer par un récepteur. Il en résulte un courant électrique très important qui
endommager les générateurs, voire les conducteurs. Certains générateurs (transformateurs
-circuits.
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niveau              
aux
effets observables au niveau du récepteur. Ceux-ci peuvent être de plusieurs types.
 Effet thermique : résistances chauffantes, rhéostats, la plupart des conducteurs, lampes à
incandescence Au-e ces récepteurs deviennent
lumineux par incandescence.
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 Effet mécanique : moteurs, haut-     agnétique du
courant électrique.
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 Effet chimique         Ces processus
sont détaillés dans le cours de chimie.
 Effet électroluminescent : tubes luminescents, LED (diodes électroluminescentes), écrans de
 Ce le cadre de la physique quantique, abordée
éventuellement en fin de 3ème degré.
 Effet électromagnétique   
dans le cadre des ondes au 3ème degré.
Aimants et pôles magnétiques
Les aimants des objets contenant
notamment du fer. Chaque aimant possède des zones, les pôles
magnétiques, où les attractions sont plus manifestes. Il existe deux pôles de
type différent, présents sur chaque aimant : le pôle nord et le pôle sud. Une
perturbants tels des struc       
dirigeant son pôle nord vers le Nord géographique. Des pôles de même type
se repoussent, des pôle    ent. Contrairement aux
charges électriques, on ne peut isoler un seul pôle magnétique sur un objet,
même en cassant un aimant : il se forme alors deux aimants plus petits.
Un électroaimant est un aimant non-
par un courant électrique circulant dans un conducteur enroulant, un barreau
en fer. Les électroaimants sont à la base de la plupart des effets mécaniques
du courant électrique.
Association de générateurs et de récepteurs
La plupart des circuits comportent plusieurs générateurs et/ou
récepteurs.
Ces dispositifs peuvent être branchés en série. Dans ce cas, la
négative du dispositif suivant, etc. Si une des connexions est
déficiente, ou si un des dispositifs ne laisse plus passer le
courant, celui-e circuit.
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Voir plus loin dans la section sur la sécurité électrique, le paragraphe sur la sécurité des installations.
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Voir plus loin dans la section sur les grandeurs électriques, les paragraphes sur la résistance électrique et sur
l’effet joule.
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Voir dans la section suivante sur les aimants et les pôles magnétiques.

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Les générateurs et/ou récepteurs peuvent aussi être branchés en
parallèle ou en dérivation. Dans ce cas, les bornes positives
des dispositifs sont raccordées ensemble, et de même pour les
fonctionnement des autres.
Le schéma électrique 
utilisant des symboles conventionnels. En voici quelques-uns :
Générateur de tension
continue (symbole général)
Interrupteur (ouvert)
Pile
Commutateur
(Le contact est établi soit entre
les bornes A et B comme illustré,
soit entre les bornes A et C)
Récepteur (symbole général)
Ampoule, lampe à
incandescence
Résistance, rhéostat,
Moteur
Résistance variable
(Lors du réglage, on modifie à la
fois la valeur de la résistance7
entre les bornes A et C et la
valeur de la résistance entre les
bornes C et B. La valeur de la
résistance entre les bornes A et
B reste constante.)
Diode électroluminescente
(LED)
(Ce récepteur ne fonctionne que
quand le courant y circule dans le
sens indiqué par la flèche, c’est-
à-dire de la borne + à la borne -)
Grandeurs électriques
La tension électrique           
traversant un récepteur. Elle se calcule par le
ur de la charge :
U = W/q
joule/1 coulomb, ou 1 V = 1 J/1 C. Elle se mesure
en raccordant un voltmètre en parallèle avec le
dispositif aux bornes duquel on désire mesurer la
tension.
Quand plusieurs dispositifs sont raccordés en
parallèle, une même tension règne à leurs bornes.
Quand plusieurs dispositifs sont raccordés en série,
la tension aux bornes du groupement est la somme
des tensions aux bornes de chaque dispositif. Plus
généralement, on appelle maille toute portion
nsions aux bornes des générateurs est égale à la somme des tensions
gie.
Le courant électrique (aussi appelé intensité du courant électrique) est la quantité de charge
électrique par la durée : I = q/t   
ampère dans le SI. 1 ampère = 1 coulomb/1 seconde,
ou 1 A = 1 C/1 s. Il se mesure en ouvrant le circuit à
raccordant un ampèremètre en série.
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Voir section « Grandeurs électriques » ci-dessous.

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Quand plusieurs dispositifs sont raccordés en série, un
même courant électrique    
Quand plusieurs dispositifs sont raccordés en parallèle, le
courant électrique circulant dans le groupement est la
somme des courants électriques circulant dans chaque
dispositif.
Plus généralement, on appelle nœud 
               électriques
électriques 
La résistance électrique     mesure
de la difficulté à y faire circuler un courant, ce qui est
par le courant qui y circule pour la tension correspondante :
R = U/I, et shm = 1 volt/1
ampère, ou 1  = 1 V/ 1 A. La lettre grecque « oméga »
majuscule a été choisie car elle remplace la lettre latine
« O » qui aurait pu être confondue avec le chiffre zéro. La
résistance se mesure à l         
récepteur est en fonctionnement, ou en le branchant directement à un ohmmètre  ne fait pas partie
 circuit électrique.
Les résistors dont la résistance reste constante quand la tension à leur borne varie obéissent à la loi
d’Ohm : le courant est alors directement proportionnel à la tension. Tous les conducteurs possèdent
une certaine résistance et sont donc 
La puissance électrique 
par seconde. Elle se calcule par le produit de la tension aux bornes du dispositif par le courant qui le
traverse : P = U.I1 ampère, ou 1 W = 1 V.1 A. Elle se
fonctionnement, ou en y insérant un wattmètre (ou énergiemètre).
énergie électrique transformée par un générateur ou un récepteur se calcule par le produit de sa
puissance par la durée : W = P.t
ttheure (kWh). Elle est définie
fonctionnant pendant une heure : 1 kWh = 3600000 J = 3,6.106 J.
effet joule
faible.
8
électrique en énergie thermique est appelé résistor.
Mesure des grandeurs électriques
La tension et le courant se mesurent dédiés (voir ci-
contre un ampèremètre analogique), soit au moyen de multimètres (voir ci-
dessous un multimètre digital). appareil est analogique quand on lit la
       et il est digital quand un
nombre sur son écran. Les multimètres comprennent un sélectionneur
permettant de sélectionner le type de courant (alternatif ou continu), le type de
mesure désiré (tension ou courant), et le calibre (la plage de mesure). Tous
ces appareils disposent de deux à quatre broches pour le raccordement au
circuit. Avant de raccorder un multimètre, on veillera à débrancher le
générateur, et on placera le sélectionneur du multimètre sur une valeur
largement supérieure à la valeur attendue.
Quelle que soit la mesure effectuée, la broche appelée « neutre ou masse », généralement de couleur
noire, est systématiquement raccordée du côté du circuit raccordé à la borne négative du générateur.
8
En partant de la loi de la puissance électrique (P = U.I) et en remplaçant I = U/R, on obtient : P = U²/R, ce qui
vérifie cette affirmation.