I - Le courant continu
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ELECTRICITE EN CONTINU I - Le courant continu I.1 - Introduction Un courant est un flux d'électrons. Pour que ces électrons puissent se déplacer, il faut que les électrons soient libres. On trouve des électrons libres, en général, dans les métaux, ce sont des conducteurs. En absence d'électrons libres, les matériaux seront appelés isolant . La couche périphérique d'un atome ne peut pas posséder plus de huit électrons. Les propriétés électriques dépendent des électrons de la couche périphérique. Les bons conducteurs ont leur dernière couche incomplète .Ils céderont facilement leurs électrons. Argent, or, cuivre, aluminium, fer, carbone..... Les isolants ont leur dernière couche saturée ou presque saturée. Ils accepteront peu d'électrons. Mica, silicone, huile, porcelaine, plastique, verre, air sec. Certains matériaux ont autant d'électrons à prendre qu'à donner pour avoir leurs couches saturées. Ces matériaux portent le nom de semi-conducteurs : silicium, germanium, arséniure de gallium I.2 - Mise en mouvement des électrons libres : le courant électrique Pour mettre en mouvement des électrons libres il faut : un circuit conducteur fermé une pompe à électrons appelée générateur. L'intensité du courant électrique est la quantité d'électricité traversant une section droite du conducteur en une seconde. L'intensité d'un courant s'exprime en Ampères (symbole A) I.3 - Représentation d'un générateur chimique (la pile, l'accumulateur) 1 M.BELMONTE ELECTRICITE EN CONTINU Une pile est un convertisseur d'énergie chimique en énergie électrique. Ce type de générateur est représenté par deux traits parallèles dont le plus petit représente le pôle moins (-). Ce symbole représente 1 élément soit 1,2V à 3V, pour obtenir d'autres tensions, on peut brancher ces éléments en série. Ces générateurs sont limités dans leurs caractéristiques électriques. Leurs caractéristiques électriques se modifient dans le temps. Symboles des générateurs parfaits I.4 - Mesure de l'intensité d'un courant L'intensité d'un courant se mesure à l'aide d'un ampèremètre placé en série dans le circuit. Remarques très importantes C'est le récepteur qui limite le courant I dans le circuit. L'ampèremètre ne peut en aucun cas être considéré comme un récepteur. La présence d'un ampèremètre ne modifie rien aux caractéristiques du montage. Les bornes d'un ampèremètre sont équivalentes à un court-circuit . Soit un circuit électrique fermé comportant une dérivation. 2 M.BELMONTE ELECTRICITE EN CONTINU La valeur indiquée par l'ampèremètre mesurant I est la somme des valeurs indiquées par les ampèremètres mesurant I1 et I2. C’est la loi des nœuds : La somme des courants qui arrivent à un nœud est égale à la somme des courants qui partent. II - Différence de potentiel II.1 - Présentation Le VOLT (V) est la différence de potentiel que subit une charge de 1 coulomb pour produire un travail de 1 joule. Représentation schématique d'une différence de potentiel (ddp) 3 M.BELMONTE ELECTRICITE EN CONTINU II.2 - Mesure d'une différence de potentiel La différence de potentiel se mesure à l'aide d'un voltmètre branché en dérivation dans le circuit. La différence de potentiel se mesure à l'aide d'un voltmètre branché en dérivation dans le circuit. Le voltmètre mesure la ddp U aux bornes du générateur. Mais U est aussi la différence de potentiel aux bornes du circuit. U1 est la différence de potentiel mesurée aux bornes du récepteur 1 U2 est la différence de potentiel mesurée aux bornes du récepteur 2 Le voltmètre ne perturbe pas le circuit. L'énergie consommée par le voltmètre est nulle I=0 La valeur indiquée par le voltmètre mesurant U est la somme des valeurs indiquées par les voltmètres mesurant U1 et U2. III – Les indispensables III.1 – La Masse La masse est le potentiel de référence (fixé par convention à 0) du montage électronique : un potentiel n'est pas défini dans l'absolu, on parle toujours de différence de potentiel. Dans un montage électronique, quand on parlera du potentiel d'un point, il sera sous-entendu que ce potentiel est référencé à la masse du montage. La masse sera en général le pôle moins de l'alimentation continue servant à polariser le montage. Cette règle est uniquement une coutume, elle ne sera pas systématiquement respectée sur les schémas rencontrés ! III.1 – La Terre La terre est une connexion physique au sol (à la terre). Le câble de liaison du laboratoire au sol présente une impédance non nulle : si un courant parasite circule dans ce câble, il va y créer une chute de potentiel ; on aura une différence de potentiel entre la prise de terre du labo et le sol. La fonction d'une terre est la sécurité : elle permet de protéger les utilisateurs d'équipement sous tension, et aussi d'évacuer les courants induits par la foudre. 4 M.BELMONTE ELECTRICITE EN CONTINU IV – Puissance électrique IV.1 - Définition Par définition, la puissance est le travail effectué en 1 seconde. (P en Watt) P(W ) U (V ) .I ( A) U2 P R P RI 2 1 Watt = 1 Joule par seconde Pour mesurer une puissance de durée limitée on utilise le Joule J. Exemple : IV.2 – Rendement Dans la nature, rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme… Dans une résistance, la puissance est transformée en chaleur. Pabsorbée = U.I, si la puissance dissipée est utile , elle sera appelée Pu (puissance utile) sinon, elle sera appelée 2 Pj : perte joule=P = RI Le rendement est le rapport entre la puissance utile et la puissance absorbée. Putile Pabsorbée Exemple d’une résistance Dans ce cas P utile = P absorbée. Le rendement est de 100% 5 M.BELMONTE ELECTRICITE EN CONTINU Exemple d’un moteur électrique La puissance absorbée = U I La puissance Utile (Pu) = puissance mécanique La puissance perdue, est perdue en chaleur = Pj (pertes joule) P absorbée = Pertes joule + P Utile P Utile = P Absorbée - Pertes joule Exemples de rendement Résistance chauffante : 100% Petit moteur électrique : 15 à 50% Gros moteur électrique : 50 à 95% Gros transformateur électrique : 40% à 95% Petit transformateur électrique : 15% à 40% Bloc alimentation électronique : 90% Lampe à incandescence de 2 à 4%, de 10 à 15 lumens par Watt Lampe à DEL blanche de 20 à 30%, de 80 à 130 lumens par Watt 6 M.BELMONTE ELECTRICITE EN CONTINU V – Quelques lois V.1 – La loi d’ohm Une résistance électrique est comparable à un étranglement du circuit électrique fermé. Le courant d'électrons perd une certaine énergie pour vaincre l'obstacle qu'il rencontre en B. On constate en B une accumulation d'électrons. Le potentiel en B est plus faible qu'en A. Il existe entre A et B une différence de potentiel U. Si on relève, pour différentes valeurs de I, les valeurs correspondantes de U, on s'aperçoit que U et I sont directement proportionnels. On note R le coefficient de proportionnalité liant U à I. L'Ohm ( Ω ) est la résistance électrique d'un conducteur qui est le siège d'une différence de potentiel de 1V lorsqu'il est traversé par un courant de 1A La résistivité La résistance électrique d'un conducteur homogène est directement proportionnelle à sa longueur, inversement proportionnelle à sa section, et dépend de sa nature : ρ est un coefficient dépendant de la nature du corps ; il est appelé résistivité. R( ) ( m ) l( m ) s( m2 ) 7 M.BELMONTE ELECTRICITE EN CONTINU V.2 – La loi des mailles On flèche correctement les tensions et courants. On choisit un sens de parcours arbitraire pour la maille. On décrit la maille dans le sens choisi et on écrit que la somme algébrique des tensions est nulle en respectant la convention suivante : Si la flèche tension est rencontrée par la pointe, la tension est négative. Si la flèche tension est rencontrée par le talon, la tension est positive. Exemple avec deux mailles V.3 - Groupement de résistances Groupement en série : lorsque plusieurs résistances sont montées en série, la somme des résistances donne la valeur équivalente Re. Re = R1+R2+R3+…+Rn Groupement en parallèle : lorsque plusieurs résistances sont montées en parallèle, la somme de l’inverse des résistances, donne la valeur de l’inverse de la résistance équivalente Re. 1 1 1 1 1 .... Re R1 R 2 R3 Rn 8 M.BELMONTE ELECTRICITE EN CONTINU VI - EXERCICE 9 M.BELMONTE
