Les circuits électriques

Unité IX
Les circuits électriques
1. L’intensité du courant électrique
Courant électrique : Circulation de charges électriques à l’intérieur
d’un conducteur.
Intensité du courant électrique : Quantité nette de charges
électriques (électrons dans un métal) traversant une section d’un
conducteur en un temps donné.
Symbole : I
Donc, I = q / t
Unités : e / s ou C / s
Définition : On laisse 1 C / s être représenté par 1 ampère (A).
Noter : (a) 1 mA = 10-3 A et 1 A = 10-6 A
(b) 1A = 1 C/s ou 1A·s = 1 C
Que vaut alors 1A·h de charge électrique?
1A·h = 1 C·h x 3600 s = 3600 C
s h
Direction du courant dans un fil conducteur :
Électrons se déplacent de la borne négative à la borne positive d’une
pile ou d’une batterie. C’est ce qu’on appelle le courant électronique.
Cependant, une ancienne erreur fait qu’aujourd’hui on accepte la
direction du courant comme étant dans la direction opposée au
déplacement des électrons. C’est ce qu’on appelle le courant
conventionnel.
Exercices :
1. Sachant qu’il faut 900 C pour griller deux tranches de pain en 1,5 min, calcule
la quantité de courant traversant les éléments chauffants d’un grille-pain
électrique?
2. Une ampoule alimentée par un courant de 0,80 A reste allumée pendant 20,0
min. Quelle quantité de charge électrique circule dans le filament de
l’ampoule?
3. Un électroscope à feuille d’or dont le surplus d’électrons s’élève à 1,25 x 1010
est mis à la terre et se décharge complètement en 0,50 s. Calcule le courant
moyen parcourant la prise de terre.
4. On lit sur une batterie d’accumulateurs qu’elle peut fournir 30,0 A·h.
Combien de coulombs peut-elle disposer? Si, pour démarrer une automobile,
elle fournit 200 A pendant 5,0 s, combien de démarrages pourra-t-elle fournir
sans être rechargée?

5. Quelle quantité de courant électrique est produite par une charge de 12 C
passant par un point donné d’un conducteur en 4,0 s?
6. Quelle quantité de courant circule dans une ampoule s’il faut 24 s pour qu’une
charge de 18 C passe par son filament?
7. Considérant que le démarrage d’une voiture exige un courant de 225 A
pendant 4,0 s, quelle est la quantité de charge correspondante?
8. Un petit moteur électrique est alimenté par un courant de 0,40 A. En combien
de temps une charge de 8,0 C parcourt-elle le moteur?
9. Combien d’électrons circulent dans une ampoule en une seconde si celle-ci est
alimentée par un courant de 0,50 A?
10. Combien de démarrages peut assurer une batterie dont la charge est
1,8 x 105 C, si chaque démarrage demande 100 A pendant 3,0 s?
11. Combien de temps faut-il pour recharger une batterie de 225 A·h à l’aide d’un
courant de 15 A?
12. Nous sommes en laboratoire et nous possédons une batterie de 2,0 A·h. Nous
avons deux lumières qui nécessitent un courant total de 0,40 A pour
fonctionner. Combien d’heures vont-elles demeurer allumées si on les branche
à la batterie?
13. Quand tu tournes la clef de contact dans une automobile, tu complètes le
circuit de la borne négative de la batterie à travers le démarreur jusqu’à la
borne positive de la batterie. Ceci est un circuit CC et les électrons se
déplacent à travers du circuit de la borne négative à la borne positive de la
batterie. Pour environ combien de temps la clef doit-elle être à la position ON
pour que les électrons commençant à la borne négative se rendent à la borne
positive?
(a) plus vite que le réflexe humain
(b) ¼ de seconde
(c) 4 secondes
(d) 4 minutes
(e) 4 heures
14. Estime le nombre d’électrons qui passent annuellement au travers de nos
maisons et de nos entreprises dans une ville canadienne de 50 000 V.
(a) aucuns;
(b) environ le nombre d’électrons que tu retrouverais dans un pois;
(c) environ le nombre d’électrons que tu retrouverais dans les Grands Lacs;
(d) environ le nombre d’électrons que tu retrouverais dans notre planète;
(e) environ le nombre d’électrons que tu retrouverais dans le Soleil.

2. Le courant continu (CC – en anglais DC) et le courant alternatif
(CA – en anglais AC)
a) Le courant continu (CC) va toujours dans le même sens. C’est
celui qui est produit par un accumulateur ou une pile.
b) Le courant alternatif (CA) va alternativement dans un sens puis
dans l’autre. La fréquence (f) est le nombre de va-et-vient par
seconde; son unité est le hertz (Hz). Manitoba Hydro alimente nos
appareils électriques avec un CA de 60 Hz.
3. Mesure de I
 Se fait à l’aide d’un ampèremètre (symbole : A ) qui se
branche en série avec les autres éléments dans un circuit.
 Toujours s’assurer que le courant électronique entre par la borne
noire (-) de l’ampèremètre et le quitte par la borne rouge (+).
4. Les effets du courant électrique
 L’effet calorifique
Lorsqu’un courant électrique passe dans un mauvais conducteur
(résistance), il y produit de la chaleur.
Exemples : cuisinière, chauffe-eau, grille-pain,…
 L’effet lumineux
Dans les ampoules à filament, c’est habituellement un effet
secondaire de l’effet calorifique. Dans le tube fluorescent, c’est
l’excitation des atomes par les électrons qui produit la lumière.
 L’effet mécanique
L’énergie électrique passant à travers d’un moteur électrique se
transforme en énergie mécanique lorsque l’axe du moteur
commence à tourner.
Exemples : tondeuse à gazon électrique, batteur électrique,…
 L’effet chimique
Un courant électrique passant à travers d’une solution acide,
basique ou salée produit une réaction chimique.
Exemples : électrolyse de l’eau, plaquer par galvanoplastie, …

5. Énergie et tension électrique dans un circuit contenant une pile et
des éléments électriques
En électricité comme en mécanique,
Travail (J)   Énergie (J)
Électrons perdent leur
Ep dans l’élément
électrique où elle est
transformée en énergie
lumineuse ou en
énergie mécanique ou
en énergie calorifique
(i.e. du travail)
Électrons partent Électrons partent de
de l’élément électrique + - la borne négative
et arrivent à la borne avec une énergie
positive de la pile potentielle élevée.
avec un montant
réduit d’Ép.
Cette différence dans l’énergie potentielle des électrons à la borne
négative vs la borne positive d’une pile est dénotée en J/C et s’appelle
la différence de potentiel (aussi, la force électromotrice, FEM) , V
(que l’on simplifie à V), plus communément appelée la tension, V (en
volts), de la pile. Étant donné qu’il n’y a qu’un élément dans le circuit
ci-dessus, toute la tension de la pile se perd à travers cet élément
électrique. On dira donc qu’il y a eu une élévation de tension à la pile
électrique et une chute de tension à travers de l’élément électrique.
Donc le travail effectué par l’appareil électrique est W = Vq que
l’on simplifie à W = Vq
où q = la charge des électrons transférés de la borne – à +. Ceci n’est
pas directement connu.
Cependant, puisque I et ∆t sont mesurables et que I = q/∆t ou q= I∆t,
on écrit
W = Vq = VI∆t
Unités : J = V x A x s = J x C x s
C s
Autres unités utilisées pour la tension :
1 mV = 1/1000 de volt
1 V = 1/1 000 000 de volt
1 kV = 1000 volts
1 MV = 1 000 000 volts
Élément
électrique
Pile

Exercices :
1. Pour démarrer un moteur, une batterie d’accumulateurs de 12 V fournit une charge de 1000 C.
Quelle quantité d’énergie faut-il pour démarrer la voiture?
2. Quelle est l’énergie nécessaire pour faire fonctionner une lampe de 10,0 V pendant 30,0 s avec un
courant de 2,0 A?
3. Quelle est l’intensité du courant nécessaire pour faire fonctionner une lampe de 40,0 V pendant 1,0
min si on dispose d’une énergie de 2400 J?
4. S’il faut un courant de 10 A pendant 300 s pour faire bouillir l’eau d’une bouilloire nécessitant 3,6
x 105 J d’énergie thermique, quelle est la différence de potentiel dans la bouilloire?
5. Une lampe fonctionne sous l’effet d’un courant de 10 A et sous une tension de 20 V. Pendant
combien de temps fonctionnera-t-elle si on lui fournit une énergie totale de 5000 J?
6. À quelle différence de potentiel est soumis un réfrigérateur alimenté par une charge de 75 C
fournissant 9000 J d’énergie au moteur du compresseur.
7. Calcule l’énergie stockée dans une pile de 9,0 V qui peut fournir un courant continu de 5,0 mA
pendant 2000 s.
8. Quelle est la tension d’un moteur qui fonctionne avec un courant de 15 A et qui consomme 900 J
par seconde?
9. Un grille-pain de 120 V dépense 129 600 J en 2,00 min. Quelle est l’intensité du courant qui
traverse sa résistance?
10. Un coup de foudre fait passer 1,5 x 109 J d’énergie électrique et la différence de potentiel entre le
nuage et le ciel est de 5,0 x 107 V. Calcule la quantité de charge transmise par la foudre.
6. Mesure de V
Se fait à l’aide d’un voltmètre (symbole : V ) qui se branche
entre les deux points de l’appareil dont on veut la différence de
potentiel. Toujours s’assurer que le courant électronique entre par la
borne noire (-) du voltmètre et le quitte par la borne rouge (+).
7. Les modes de production d’une différence de potentiel
 Par le frottement
Ex. : Entre les nuages et la terre lors d’un orage électrique.
 Par la pression
Ex. : Le tourne-disque et la montre à quartz.
 Par la lumière
Ex. : Cellule photo-électrique transforme l’énergie lumineuse en énergie
électrique; employé présentement dans les appareils qui requièrent peu
d’énergie : calculatrice, montre, satellite,…
 Par la chaleur
Ex. : Thermocouple (appareil pour mesurer température > 300 C utilise ce
principe.
 Par l’action chimique
Ex. piles et batteries d’automobiles.
 Par le magnétisme
Démonstration : Utiliser un solénoïde (bobine de fil isolée) relié à un
ampèremètre. Approcher le pôle d’un aimant vers le cœur du solénoïde –
aiguille déviée dans un sens. Éloigner le pôle de l’aimant – aiguille déviée
dans le sens opposé.
Ex. : Le magnétisme est utilisé dans toutes les centrales électriques pour
produire de l’électricité à CA.