chapitre 5 électricité et magnétisme
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CHAPITRE 5 ! ! ! ! ! ! ! ! 1 ! ! ! ! Science et technologie de l'e nvironnement ! CHAPITRE 5 ÉLECTRICITÉ ET MAGNÉTISME DÉFINITION DE L’ÉLECTRICITÉ ET DE LA CHARGE ÉLECTRIQUE L’électricité c’est l’ensemble des phénomènes provoqués par les charges positives et négatives qui existe dans l’atome. ! ! ! ! ! ! ! atome = électriquement neutre ! ! ! ! ! ! 2 La charge électrique : est une propriété des protons et des électrons. Un proton porte une charge positive ( + ), alors qu’un électron porte une charge négative ( - ) ! ! ! ! ! ! LES FORCES D’ATTRACTION ET DE RÉPULSION ! ! Les charges électriques de même signe se ! repoussent! ! Les charges électriques de signes opposés s’attirent! !! ! Les charges ne peuvent être ni détruites, ni créées, ! elles peuvent seulement être transférées d’un corps ! à un autre. ! ! rbreton-ST et STE !1 CHAPITRE 5 ! 3 ! LES 3 TYPES DE MATÉRIAUX LIÉS À L’ÉLECTRICITÉ Conducteur : substance qui permet aux charges de circuler librement! Métaux: ils laissent facilement partir leurs électrons de valences. Solutions électrolytes (acides-bases-sels): en solution aqueuse, ils se dissocient et forment des ions (+ et -). ! ! ! ! ! ! Isolant : Substance qui ne permet pas aux charges de circuler librement! Non-métaux Bois Plastique Verre Céramique Papier Soie Caoutchouc Air ! Semi-conducteur : substance dont la conductibilité peut varier selon différents facteurs ! ! ! ! ! ! ! ! rbreton-ST et STE Métalloïdes Carbone ! le silicium !2 CHAPITRE 5 4 ! L’ÉLECTRICITÉ STATIQUE (ou DE FROTTEMENT) L'électrostatique s'intéresse aux charges aux repos et aux forces qui s'exercent entre elles. ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Lorsqu’on frotte nos pieds sur un tapis en laine et qu’on touche ensuite une poignée en métal, on reçoit une petite charge. On arrache au tapis des électrons ( - ) et notre corps, au départ neutre, reçoit une charge négative excédentaire appelée électricité statique. Lorsqu’on touche la poignée, la charge négative accumulée se déplace vers la poignée et on ressent un petit choc. No t re cor ps e s t conducte ur (e au e t électrolytes, entre autres) et permet aux charges de s'écouler vers la poignée, aussi conductrice. On attache deux ballons à une ficelle et on les frottes sur des cheveux secs: des électrons appartenant aux cheveux (neutres) sont arrachés par frottement et vont sur les ballons. Si on approche les ballons (en les tenants par les ficelles), ceux-ci se repoussent (ils sont négatifs, de même charge); les cheveux possèdent une charge positive car leurs atomes ont perdu des électrons, alors ils se repoussent et se dressent sur ta tête (même charge). ! ! ! ! ! ! ! ! é en moins (+): veut en avoir é en trop (-): veut les donner rbreton-ST et STE !3 CHAPITRE 5 ! On approche un ballon chargé ( - ) près d’un morceaux de papier: le papier se colle au ballon. Le ballon modifie (par induction électrostatique) la répartition des charges dans le papier: les charges ( - ) attirent les charges ( + ) du papier. ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! En temps normal l'air constitue un parfait isolant: les charges positives et négatives sont dispersées, la différence de potentiel dans un nuage étant très faible. Les éclairs se manifestent lorsque l'air devient conducteur. Les éclairs viennent de régions ionisées (nuages ou terre) portées à des différences de potentiel importantes. Lorsque les électrons chargés ( - ) dans une région sont fortement attirés par les charges ( + ) présentes dans une autre région (la terre par exemple), la différence de potentiel atteint un tel niveau que des électrons libres s'entrechoquent, provoquant une "avalanche électronique" et créent un canal ionisé conducteur d'environ 1 m de diamètre dans le nuage. Ce canal est fait d'ions et d'électrons; c'est un plasma conducteur. Près du sol ( + ), les particules sont attirées par leur charge opposée, un canal ionisé s'amorce rejoignant celui formé au sein du nuage. A cet instant l'éclair se manifeste en suivant la trajectoire offrant la plus faible résistance, d'où son parcours en zigzag. C'est au moment où le canal de retour (d'ordinaire issu du sol) se crée que l'éclair s'illumine et que l'on entend le tonnerre. Dans l'exemple où la foudre va du nuage vers le sol seul le premier éclair de retour présente une structure arborescente tandis que les décharges successives utiliseront toujours le même canal, donnant aux éclairs l'impression de clignoter. Il peut y avoir jusqu'à 30 décharges de retour venant de la terre en l'espace d'une à deux secondes, donnant l'impression que l'éclair est persistant et très lumineux. La foudre ne "tombe" donc pas uniquement du ciel mais monte également du sol. rbreton-ST et STE !4 CHAPITRE 5 ! 5 ! LA LOI DE COULOMB C’est la force qui s’exerce entre deux particules immobiles électriquement chargées est directement proportionnelle au produit de leur charge et inversement proportionnelle au carré de leur distance! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Le coulomb : l’unité de mesure de la charge électrique : 1 coulomb équivaut à la charge de 6.25 x 1018 électrons (ou protons) ! ! ! ! F = force électrique (N) K = constante de Coulomb 9 x 10 9 Nm2/ C2 q1 = charge de la particule 1 (Coulomb) q2 = charge de la particule 2 (Coulomb) r2 = distance entre les 2 particules (m) Exemple de situation : ! Deux corps portent des charges de 10 x 10 -8 C et de -10 x 10 -8 C. La distance entre les corps est de 15 cm. Quelle est la grandeur de la force exercée entre les corps ? Cette force est-elle attractive ou répulsive ? ! ! ! ! ! ! rbreton-ST et STE !5 CHAPITRE 5 ! 6 L’ÉLECTRISATION DE LA MATIÈRE ! ! !Par frottement !Quand on frotte l'un contre !l'autre 2 corps différents, l'un !arrache des électrons à l'autre. !Celui qui a gagné des électrons !est chargé négativement, l'autre est alors chargé positivement. Si l'objet électrisé est (non conducteur!) les charges électriques, incapables de se déplacer, restent !isolant !localisées sur celui-ci. ! !Conduction (par contact, ou presque!) ! ! ! ! ! ! ! ! On approche un objet électrisé (négativement ou positivement) près d'un conducteur ! neutre porté par un support isolant: les charges qui apparaissent sur le conducteur ! demeurent localisées au lieu de contact et celui-ci reste globalement neutre. ! ! !Induction (sans contact) ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Source des 2 images: Allo prof rbreton-ST et STE !6 CHAPITRE 5 ! 7 LA SÉRIE ÉLECTROSTATIQUE Tendance croissante à Soufre ! perdre des électrons Caoutchouc ! Polyéthylène ! ébonite ! Paraffine ! Soie ! Coton ! Laine ! Nylon Tendance croissante à ! Verre gagner des électrons ! ! ! Exemples de situation: ! Vous frottez un ballon sur un bas en laine, que se passe-t-il? ! ! ! Une fois le ballon chargé, vous l’approchez de votre règle en plastique, que se passe-t-il? ! ! Vous frottez un gant en caoutchouc avec un gant de laine. Par la suite, vous frottez un chiffon de coton avec un bas de laine. Vous approchez le ballon du bas de laine, que se passe-t-il? ! !? rbreton-ST et STE 1 Sphère creuse avec des charges positives! 2 Électrode (E2) connectée à la sphère, un ! peigne est au plus près de la courroie! 3 Poulie supérieure (en Nylon)! 4 Partie de la courroie chargée positivement! 5 Partie de la courroie chargée négativement! 6 Poulie inférieure (en Téflon), son axe est relié à un moteur! 7 Électrode inférieure (E1) destinée à collecter les charges négatives! 8 Sphère chargée négativement utilisée pour décharger la boule principale! 9 Étincelle ou arc électrique produits par la différence de potentiel !7 CHAPITRE 5 ! 8 LE CIRCUIT ÉLECTRIQUE ! ! C’est l’ensemble constitué par une source d’énergie électrique relié à des éléments ! de consommation (lampes, moteur, appareils etc.) par des fils conducteurs. ! ! ! Le courant électrique (constitué de charges électriques, les électrons), circule en ! boucle. Il peut également y avoir des résistances électriques (matériaux isolants qui ! offrent une résistance au passage des électrons). ! ! Les symboles du circuit électrique ! résistance ou résistor ! source (pile) source (polarité) ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! fils conducteur qui se croisent sans se toucher ! fils conducteur qui se croisent et se touchent (noeud) moteur électrique appareil de consommation (ampoule, etc…) voltmètre ampèremètre ! interrupteurs ouverts ! ! ! ! ! ! ohmmètre Les diodes peuvent être utilisées en courant alternatif pour diminuer la puissance fournie par l'alimentation à un récepteur : en supprimant l'une des alternances, elles permettent de diviser par deux la puissance transmise à la charge pour un coût très modique. Cette technique est utilisée pour obtenir deux puissances de chauffe dans les sèche-cheveux rbreton-ST et STE !8 CHAPITRE 5 ! Les 3 types de circuit électrique ! ! ! en série en parallèle mixte Circuit en série Les éléments sont branchés les uns à la suite des autres. Il n’y a qu’un chemin pour les électrons: ils ! passent tous par le même chemin! Circuit en parallèle (par dérivation) Circuit qui comporte au moins un embranchement (noeud). Les électrons ont le choix de plusieurs chemins: ils ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ne passent pas tous par le même chemin! !? Circuit Mixte Circuit comportant des éléments dont certains sont branchés en série et d’autres en dérivation. ! rbreton-ST et STE !9 CHAPITRE 5 ! Propriétés du circuit électrique en série !? !? !? ! Finalement, si on retire un élément? rbreton-ST et STE Adapté de: http://www.ilephysique.net !10 CHAPITRE 5 ! Propriétés du sens du courant (diode) ! ! ! Jusqu’ici, on remarque que le sens du courant part ! de la borne ( + ) et revient par la borne ( - ) !!! ! ! ! Propriétés du circuit électrique en parallèle ( en dérivation ! ) ! ! ! ! ! ! ! ! !? ! ! ! ! ! ! ! ! rbreton-ST et STE !11 CHAPITRE 5 !? ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Adapté de: http://www.ilephysique.net rbreton-ST et STE !? !? !? ! ! ! ! !12 CHAPITRE 5 Finalement, si on retire un élément? ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Jusqu’ici, on remarque ENCORE UNE FOIS que le sens du courant part ! ! de la borne ( + ) et revient par la borne ( - ) !!! ! ! ! !Les courants alternatif et continu ! ! Dans un alternateur, un aimant, appelé rotor, tourne à l’intérieur d’une bobine de fils fixe, appelée stator, ce qui induit un courant dans les fils de la bobine. Parce que l’aimant a deux pôles, un positif et un négatif, le courant oscille : c’est du courant alternatif. Ce principe permet de produire plus de 99 % de l’énergie électrique consommée dans le monde. La fréquence du courant alternatif dépend de la vitesse à laquelle tourne le rotor. Dans notre réseau électrique à 60 Hz, les électrons changent de direction 120 fois par seconde ! ! Dans une pile, une réaction chimique engendre un mouvement d'électrons, qui se déplacent dans un seul sens dans le conducteur, du pôle négatif vers le pôle positif. On appelle ce courant électrique un courant continu. ! ! rbreton-ST et STE Adapté de: Hydro-Québec !13 CHAPITRE 5 ! ! Le sens du courant ! ! ! Pour se simplifier la vie (ouais!), les modèles de circuits sont illustrés avec ! un sens conventionnel du courant (alternatif ou continu). ! Le courant circule donc de la borne ( + ) ! vers la borne ( - ) de la source! ! ! ! ! Un circuit est une chaîne ininterrompue de conducteurs électriques comportant au moins ! un générateur électrique. ! Le courant électrique ne peut circuler que lorsque le circuit est fermé. ! Les éléments d'un circuit ont deux bornes : ce sont des dipôles. ! Dans un circuit, le courant électrique sort du générateur par la borne +, circule dans le ! circuit et rentre dans le générateur par la borne -. ! Une diode ne laisse passer le courant que dans un sens. ! ! ! ! L’électricité choisi toujours le chemin le plus facile!! ! ! ! ! ! rbreton-ST et STE !14 CHAPITRE 5 !Le courant: I, DDP, R ! ! ! Pour faire fonctionner un circuit électrique, on doit tenir compte de la tension ! (Volt) et l'intensité (Ampère) du courant électrique. Par exemple, dans une lampe !de poche, lorsque les piles faiblissent, la tension n'est plus assez élevée pour ! faire déplacer les électrons dans le fil conducteur. ! ! ! ! ! ! ! ! ! L’INTENSITÉ DU COURANT! ! C’est le nombre de charges qui passent en un point du circuit I ! à chaque seconde. !! ! ! ! L’intensité se mesure en ampère: I = q / ∆t A ! ! ! Sur la route, c’est le nombre de camions qui passent en ! un endroit par minute! ! ! LA DIFFÉRENCE DE POTENTIEL! ! C’est la quantité d’énergie qui est transférée entre deux ! points du circuit. U !! ! ! ! La différence de potentiel se mesure en volt: U = E / q ! ! V ! Sur la route, c’est le nombre de caisses d’électrons que ! transporte chaque camion! ! ! LA RÉSISTANCE! ! C’est la capacité d’un matériau de résister au passage du ! courant dans le circuit. R ! ! !! ! La résistance se mesure en ohm: Ω = V / A ! ! Ω ! Sur la route, c’est le nombre de caisses d’électrons et de ! camions qui peuvent passer en un point donné! ! Symbole de l’intensité: Symbole de l’ampère: Symbole de la différence de potentiel: Symbole du volt: Symbole de la résistance: Symbole du ohm: rbreton-ST et STE !15 CHAPITRE 5 ! ! L’AMPÈREMÈTRE! ! Pour mesurer l’intensité (ampérage) du courant dans un l’ampèremètre se branche en série par rapport à ! circuit, qu’il mesure. ! l’appareil ! !Après tout, c’est le nombre de camions qui passent en un ! endroit par minute que l’on mesure! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! LE VOLTMÈTRE! ! Pour mesurer la différence de potentiel (voltage) dans un le voltmètre se branche en parallèle par rapport à ! circuit, qu’il mesure. ! l’appareil ! !Après tout, c’est la quantité de caisses d’électrons que ! les camions transportent avant et après la livraison! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! rbreton-ST et STE !16 CHAPITRE 5 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! SUR LA ROUTE!! 4 camions (donc 4 ampères) quittent l’usine (la source) pour livrer des caisses d’électrons (donc le voltage) à 3 clients (donc des éléments consommateurs) et ce, sur un circuit simple, où tout est un à la suite de l’autre (donc un circuit en série).! ! Les 4 camions doivent passer par le même chemin, donc passer chez tous les clients du circuit de livraison. L’intensité du courant est donc le même partout dans un circuit en série!! ! Par contre, le voltage change (diminue) au fur et à mesure de la livraison, puisqu’il reste de moins en moins de caisse à chaque client. Le voltage change d’un client à l’autre. Adapté de: Observatoire, L’Environnement, ERPI Donc, l’intensité du courant dans un circuit en série est le même, quelque soit l’endroit où on le mesure, que ce soit à la source ou dans un élément quelconque!! Donc, la différence de potentiel varie d’un élément à l’autre et si on additionne foutes les DDP de chaque élément, on obtient la DDP de la source! rbreton-ST et STE !17 CHAPITRE 5 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! SUR LA ROUTE!! 4 camions (donc 4 ampères) quittent l’usine (la source) pour livrer des caisses d’électrons (donc le voltage) à 3 clients (donc des éléments consommateurs) et ce, sur un circuit complexe, où chaque client est sur un chemin différent (donc un circuit en dérivation).! ! Les 4 camions doivent passer par des chemins différents, donc ils ne passent pas chez chaque client du circuit de livraison. L’intensité du courant est donc différent selon le chemin emprunté dans un circuit en dérivation!! ! Par contre, le voltage est le même (diminue) pour chaque livraison. Le voltage demeure inchangé d’un client à l’autre. Adapté de: Observatoire, L’Environnement, ERPI Donc, l’intensité du courant dans un circuit en dérivation est différent selon l’endroit où on le mesure: au départ et à l’arrivée, il est le même (le total des camions), mais différent et plus petit le long des circuits empruntés!! Donc, la différence de potentiel est la même d’un élément à l’autre, en incluant aussi la source. rbreton-ST et STE !18 CHAPITRE 5 ! 9 LES 2 LOIS DE KIRCHHOFF !LA PREMIÈRE LOI !L’intensité du courant qui entre dans un élément ou un noeud d’un circuit électrique !est toujours égale à l’intensité du courant qui en sort! ! ! !LA DEUXIÈME LOI !L’énergie totale à la source est toujours égale à l’énergie totale transférée et ce, !quelque soit le circuit emprunté par ces charges électriques! ! !LA RÉSISTANCE ÉQUIVALENTE !Ce n’est pas une loi de Kirchhoff, mais il peut être utile de connaître la valeur de !«LA» résistance qui pourrait remplacer toutes les résistances d’un circuit. !Cela ce fait avec LA LOI D’OHM. ! ! LA PREMIÈRE LOI! A V LA DEUXIÈME LOI! ! U (énergie totale)! I (nombre de charges)! ! QUI ENTRE QUI ENTRE PAR LA SOURCE ! DANS UN ÉLÉMENT ! ! =! =! ! U (énergie totale) QUI EST ! I (nombre de charges) ! ! TRANSFÉRÉE DANS LE CIRCUIT QUI SORT DE L’ÉLÉMENT ! LA LOI D’OHM! ! LA DDP (U) EST PROPORTIONNELLE À I! ! ! POUR UNE RÉSISTANCE DONNÉE (R) ! U = R I! ! ! CIRCUITS EN SÉRIE! CIRCUITS EN PARALLÈLE! ! ! ! ! ! ! ! 1 ! Ré = R1 + R2 + R3 + ...! Ré = ! ! 1 1 1 ! ! ! ! R1 + R2 + R3 + ...! ! ! It = I1 = I2 = I3 = ...! ! ! ! It = I1 + I2 + I3 = ...! ! ! ! ! ! Ut = U1 + U2 + U3 + ... Ut = U1 = U2 = U3 = ... ! ! rbreton-ST et STE !19 CHAPITRE 5 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! rbreton-ST et STE V A !20 CHAPITRE 5 ! 10 LE MAGNÉTISME ET L’ÉLECTROMAGNÉTISME ! Un aimant est un corps qui peut attirer Le magnétisme est l’ensemble de ! d’autres corps renfermant du fer, du phénomènes liés aux aimants. ! cobalt ou du nickel. ! ! ! Les aimants ! Les aimants possèdent tous un pôle nord magnétique et un pôle sud magnétique. Entre ces pôles se crée un champ magnétique, qui correspond à la région de l’espace où la force des aimants se fait sentir. ! ! ! ! ! DOMAINE ! ! ! ! ! ! ! rbreton-ST et STE non aimanté aimanté !21 CHAPITRE 5 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !Par convention, les lignes du champ ! magnétique que l’on dessine partent du !nord magnétique vers !le sud magnétique.etPlusconvergent les lignes sont !rapprochées, comme près des pôles, !plus cela illustre un champ magnétique ! fort. ! ! ! ! La Terre possède son champ !magnétique et de ce fait, possède un ! nord et un sud géographique, mais !aussi un nord et un sud magnétique! Ce ! champ magnétique nous protège des rayons ! électromagnétiques du Soleil et permet ainsi la vie. ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! rbreton-ST et STE Une substance ferromagnétique a la capacité de prendre des propriétés magnétiques en la soumettant à un champ magnétique.! ! On retrouve des aimants temporaires et des aimants permanents.! ! Ce qui les distingue, c’est la rémanence magnétique: certains matériaux conservent plus ou moins longtemps leurs propriétés magnétiques. !22 CHAPITRE 5 ! ! L’électromagnétisme ! ! C’est l’interaction entre ! l’électricité et le ! magnétisme! ! ! ! ! Tout fil électrique crée un champ magnétique. Selon qu’il s’agit d’un fil droit ou d’un fil enroulé autour d’un morceau de fer, les propriétés changent. ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Le champ magnétique autour d’un fil droit ! RÈGLE DE LA MAIN DROITE #1 ! ! LES DOIGTS SE PLIENT ET DONNENT LE SENS DU ! CHAMP MAGNÉTIQUE ! ! ! ! FIL ! ! ! ! ! LE POUCE POINTE EN CHAMP ! DIRECTION DU MAGNÉTIQUE ! COURANT DANS LE FIL MAIN DROITE ! ! ! ! LA PREMIÈRE RÈGLE !DE LA MAIN DROITE ! SOLÉNOÌDE rbreton-ST et STE !23 CHAPITRE 5 ! ! Le champ magnétique avec un solénoïde ! RÈGLE DE LA MAIN DROITE #2 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! LA DEUXIÈME RÈGLE!DE LA MAIN DROITE LES DOIGTS DE LA MAIN DROITE SE PLIENT POUR IMITER LE SENS DU COURANT ÉLECTRIQUE DANS LE FIL ENROULÉ AUTOUR D’UN NOYAU FERREUX. LE POUCE QUI POINTE ALORS INDIQUE LE SENS DU CHAMP MAGNÉTIQUE, SOIT LE NORD DE NOTRE ÉLECTR-AIMANT. Ce qui influence le champ magnétique avec le solénoïde L’intensité du courant Le nombre de spires Un noyau à rémanence faible rbreton-ST et STE !24
