L`électricité

Chapitre 4- L'électricité
A- Le courant électrique
Toute matière est faites d'atomes. Ces derniers sont faits à partir de particules
subatomiques de trois types : les protons et les neutrons qui forment le noyau de
l'atome, et les électrons qui tournent autour de ce noyau. Deux de ces particules
possèdent des charges électriques pouvant s'attirer ou se repousser. Une charge
électrique est tout simplement une quantité d'électricité à l'état statique. Elle est
représentée par la lettre « q ».
Un proton a une charge de +1 et un électron a une charge de -1. Ces valeurs
donnent la charge des protons et électrons en « charges élém entaires ». Ces dernières
sont tellement petites que l'on a créé une autre unité de mesure, plus pratique pour
mesurer des grandes quantités de charges électriques. Cette unité est le coulomb.
Un courant électrique a lieu lorsque des particules électriques se déplacent. Le
courant est égal au rapport de la quantité de charges électriques déplacées au temps
requis pour faire ce déplacement. 1 A est le courant électrique existant quand une
charge électrique de 1 C passe à un endroit d'un circuit en 1 s (1 A = 1 C/s).
Une autre unité de CHARGE électrique est utilisée dans le monde
de l'industrie. Il s'agit de l'ampère-heure (1A·h = 3600C).
Sens du courant électrique
Dans un fluide (gaz ou liquide), les particules électriques positives et négatives
peuvent se déplacer. Il y a donc des ions positifs (cations) qui se déplacent vers la
borne négative alors que les ions négatifs (anions) se déplacent la borne positive, et
donc en sens contraire. Il y a donc un courant électrique se produisant dans les deux
sens.
Dans les solides, les particules positives voudraient bien se déplacer mais elles
sont retenues sur place, attachées à leur milieu... la substance est solide. Les seules
particules électriques pouvant se déplacer dans un solides sont les électrons qui se
déplacent de la borne (-) de la source de courant vers la borne (+).
Pour éviter toute confusion, on établit le sens du courant électrique comme celui
des charges positives. Ainsi, les particules électriques en mouvement dans
un fil se déplacent en sens contraire du sens conventionnel.
Le coulomb est l'unité SI mesurant la
charge électrique. Son symbole est la
lettre C. Un coulomb est équivalent
à 6,25x10 charges élémentaires.
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La charge élémentaire est utilisée
pour mesurer la charge de quelques
particules (protons, électrons), alors
que le coulomb sert pour les quantités
plus proches des réalités humaines.
Symbole : q
Unité SI : 1 coulomb = 1C
La charge électrique
...représente la quantité de charges
électriques se déplaçant à un endroit
en un temps donné. On le mesure en
ampère. Un ampère est un courant
équivalant au déplacement d'un
coulomb en une seconde.
Symbole : I
Unité SI : 1 ampère = 1A
Le courant électrique...
I : courant (A)
q: charge électrique (C)
Ät : durée du courant (s)
...donne le nombre de charge
électrique passant un point de circuit
en un temps donné... un peu comme
un tourniquet de métro. Cet appareil
doit être placé sur le trajet des
charges électriques (en série), à
l'endroit où l'on désire mesurer le
courant. L'ampèremètre est un
appareil possédant une polarité: on
doit le brancher en prenant garde à
ses bornes (+) et (-).
L'ampèremètre...
Lecture p.174-182

Exercices
1. Quelle est la charge électrique de 4 protons ?
2. Un courant électrique déplace une charge de 15,7 C. Combien de charges élémentaires cela représente-t-il ?
3. Un courant électrique de 4,5 A circule pendant 4 heures dans un circuit. Quelle charge électrique a été
déplacée durant cette période ?
4. Un courant électrique de 2,3 A permet de déplacer 4,8 × 10 électrons. Combien de temps cela a-t-il prit ?
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5. Détermine l'intensité du courant électrique lorsque 3,12 x 10 électrons passent à chaque seconde à un
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certain point dans un circuit.
6. Quelle charge peut fournir une batterie qui débite 2 ampères pendant 2 heures ?
7. Une charge de 1000 C circule dans un fil conducteur en 10 s. Quel est le courant électrique ?
8. L'étiquette d'une batterie indique 50 A·h. Calcule la charge totale de la batterie en coulombs et en charges
élémentaires.
9. Un courant de 5 ampères circule pendant 1 heure et demi dans un circuit. Combien de charges élémentaires
ont circulé ?
10. Combien de temps faut-il pour recharger une batterie de 225 A·h à l'aide d'un courant de 15 A ?
11. Au laboratoire, nous branchons une lampe à une pile de 2 ampère-heures. Le courant circulant dans la lampe
est de 0,4 ampère. Combien d'heures demeurera-t-elle allumée ?
12. Combien de décharges électriques peut assurer une batterie dont la charge est de 1,8 x 10 C, si chaque
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décharge demande 100 ampères pendant 3 secondes ?
13. Une batterie de 2 A·h se décharge en 20 minutes. Quelle est l'intensité du courant produit ?
B- Conducteurs et isolants
Le courant électrique correspond à un déplacement de charges électriques. Ces charges ne circulent pas aussi
facilement dans tous les matériaux. Certains laissent en effet passer le courant électrique assez facilement.
On dit qu'ils ont une bonne conductibilité électrique. D'autres ont plutôt tendance à bloquer le passage aux
charges électriques. Ils ont une qu'ils ont une mauvaise conductibilité électrique.
Un conducteur électrique est un corps qui laisse facilement passer le courant électrique. Il n'y a pas de
conducteur parfait et même les bons conducteurs s'opposent toujours un peu au courant. Le cuivre, un excellent
conducteur électrique servant à faire les fils électriques des maisons, peut
s'échauffer et même mettre le feu si le courant qui y circule devient trop
important. Le fil électrique alimentant une bouilloire peut s'échauffer
lorsqu'on s'en sert, même si ce n'est pas ce fil qui est supposé chauffer. Il y a
perte d'énergie et donc opposition au courant.
Un isolant électrique est une substance qui ne laisse pas passer le
courant électrique. L'air est un bon isolant et le courant ne passe pas dans
l'air entre les deux bornes d'une prise de courant. Toutefois, avec un voltage
suffisant, il est possible de faire passer le courant dans l'air : on a alors une
étincelle ou même la foudre. On peut donc faire passer du courant dans un
isolant.
Conductibilité : propriété de faire
passer ou nom le courant électrique.
...représente la quantité de charges
Conductivité : mesure de la
conductibilité pour une substance.
Conductance : mesure de la
conductibilité pour un objet.
Termes résistivité et résistance sont
définis selon le même principe.
Conduct...quoi ?
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On peut classer les substances en fonction de leur conductivité et on obtient une liste continue allant des très
bons isolants jusqu'au très bons conducteurs. Une limite conventionnelle sépare les conducteurs des isolants. La
conductivité est la mesure de la conductibilité d'un objet.
Un fil électrique donné n'a pas la même capacité qu'un autre de laisser le courant électrique. Plus le fil est
gros, plus les électrons ont de la place pour passer. Un fil plus long absorbe plus d'énergie qu'un fil plus court car
les électrons rencontrent moins d'opposition à leur mouvement. La température peut également influencer le
courant. Lorsqu'un fil est plus chaud, les atomes le composant vibrent davantage, s'opposant au mouvement des
électrons. Enfin, les fils faits de certaines ont plus de difficultés à transmettre le courant car les électrons sont
retenus plus fortement aux atomes que des fils faits d'autres substances retenant moins ces électrons. Une bonne
conductibilité est donc favorisée lorsqu'un fil est plus gros, plus court, plus froid et fait d'une substance possédant
plus d'électrons libres dans une substance les retenant moins.
Conductibilité selon la position dans le tableau périodique
Chez les non-métaux, les éléments tendent à garder leurs électrons périphériques afin de pour ressembler
aux gaz inertes. Les électrons peuvent donc difficilement se déplacer car ils sont retenus fortement par leur atome.
Les non-métaux sont de mauvais conducteurs.
Les métaux tendent à donner leurs électrons périphériques pour ressembler aux gaz inertes. Ces électrons
peuvent donc facilement se déplacer car ils ne sont retenus que faiblement par leur atome. Les métaux sont de
bons conducteurs.
Enfin, les métalloïdes sont appelés semi-conducteurs...pourquoi donc ?
Exercices
1. Complète les exercices 1 à 12 de la page 204 du manuel Synergie.
2. Identifie les substances utilisées normalement pour la fabrication
a) ...des fils électriques ?
b) ...des fusibles ?
c) ...des filaments des ampoules électriques ?
3. Quelles propriétés doivent avoir les substances mentionnées à la question précédente afin de faire la tâche
demandée ?
4. De quels facteurs dépendent la conductibilité électrique d'un fil électrique ? Comment ces facteurs affectent-
ils cette conductibilité ?
Lecture p.187, 190
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C- La différence de potentiel
La différence de potentiel (ddp) est l'énergie qu'il faut fournir à une charge d'un
coulomb pour qu'il passe du point A à un point B dans un circuit électrique. Cela
correspond donc à l'énergie dépensée par ce coulomb pour aller de A à B. La
tension ou le voltage sont des synonymes de différence de potentiel.
Tout objet se déplace toujours naturellement d’un point où son potentiel est plus
élevé vers un point où son potentiel est moins élevé. Les charges électriques font la
même chose.
Ex(1) : Un grille-pain ordinaire est parcouru par un courant de 8 A durant
3 minutes lorsqu'il fonctionne. Quelle énergie est alors dépensée par le
grille-pain ?
Ex(2) : Quel est le courant électrique nécessaire pour transporter une énergie de 100 kJ par un appareil
fonctionnant durant 15 minutes sous une tension de 20 V ?
...représente l'énergie dépensée par
un coulomb de charge entre deux
points d'un circuit. On la mesure en
volts. Un volt est une tension
équivalente à une énergie d'un joule
dépensée par une charge électrique
d'un coulomb.
Symbole : U
Unité SI : 1 volt = 1V
La tension électrique...
U : tension électrique (V)
E : énergie (J)
q : charge électrique (C)
...mesure la différence de potentiel
entre deux points A et B d'un
élément de circuit. Une des bornes
du voltmètre est reliée à une extrémité
du circuit et l'autre borne du
voltmètre est reliée à l'autre extrémité
de l'élément. Le voltmètre doit donc
être branché entre deux points d'un
circuit, en parallèle à l'élément dont
on désire mesurer la ddp. Le
voltmètre possède également une
polarité : on doit prendre garde à ses
bornes (+) et (-).
Le voltmètre...
Lecture p.192-193
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Exercices
1. Combien d'énergie une pile de 12 V fournit-elle à chaque unité de charge qu'elle produit ?
2. Une pile dépense 360 J pour déplacer une charge de 40 C. Quel est le voltage de la pile ?
3. Quelle est la quantité d'énergie fournie en 1 h par une pile de 6 V où circule un courant de 2 A ?
4. Un courant de 0,05 A circule pendant 10 minutes, permettant ainsi la dépense de 360 J. Quelle est le voltage
de la pile à l'origine de ce courant ?
5. Combien d'énergie possède un électron circulant dans un circuit si la source de courant reliée à celui-ci est de
1,5 V et si le courant qui y circule est de 0,2 A ?
6. Une ampoule électrique reliée à une pile de 2 V est parcourue par un courant de 5 A, et ce pendant 20 s. La
pile est marquée 3 A·h.
a) Quelle est l'énergie dégagée par l'ampoule durant ce temps ?
b) Quelle est l'énergie fournie à chaque coulomb par la pile ?
c) En combien de temps l'ampoule s'éteindra-t-elle (i.e. la pile sera vidée de sa charge) ?
7. Une batterie capable de produire une charge de 1,8 x 10 C fonctionne durant une heure et s'éteint.
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a) Quelle est la charge de la batterie en A·h ?
b) Un appareil est soumis à une tension de 30 volts pendant 20 secondes. Quelle énergie est dépensée ?
c) Quel courant a-t-elle débité durant ce temps ?
D- Conductance et résistance
On branche un élément de circuit à une source de courant. On fait varier
la tension aux bornes de la source de courant et on mesure le courant
obtenu dans chacun des cas. Les résultats sont alors représentés sur le
graphique ci-contre. On obtient une droite montrant une relation de
proportionnalité directe.
Une telle relation montre que y est directement proportionnel à x.
On peut changer une RELATION de proportionnalité en ÉQUATION en ajoutant une
constante de proportionnalité ... où « a » est la pente du graphique.
Par analogie, on peut écrire...
... où « G » est une constante de proportionnalité, égale à la pente du graphique
I = ƒ(U). Cependant, étant donné que dans le cas de I = ƒ(U), la droite passe toujours par l'origine.
G :
I :
U :
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