ÉLECTROCINÉTIQUE Électrostatique – Rappels

ÉLECTROCINÉTIQUE
Électrostatique – Rappels
def électrisation
EXPÉRIENCE DU BARREAU FROTTÉ QUI ATTIRE DES BOUTS DE PAPIER
Interprétation immédiate :
connaissant la nature de la matière, les frottements arrachent des électrons ;
un des corps gagne des électrons (devient -) et l'autre LES perd (en même nombre) (devient +).
On dit de ces corps qu'ils ont été électrisés.
Cette « découverte » est antérieure à la connaissance de l'atome !
En réalité, il a fallu tenir compte de cette observation lorsque les
premiers modèles atomiques ont été conçus (Thomson 1897)
Électriser signifie rompre la neutralité de la matière en séparant les électrons du reste de l'atome
(et non « créer » des charges électriques)
EXPÉRIENCE DU BARREAU FROTTÉ QUI REPOUSSE UN AUTRE
BARREAU FROTTÉ DE MANIÈRE IDENTIQUE
Les corps chargés de même signe se repoussent.
Les corps chargés de signes contraires s'attirent.
def isolants et conducteurs
EXPÉRIENCE DE LA CHARGE D'UN ÉLECTROSCOPE
Un électroscope est constitué d'une tige métallique terminée par deux lamelles
légères, en métal également, capables de s'écarter. Souvent, le dispositif est
enfermé dans une enceinte en verre pour le soustraire aux effets perturbateurs de
l'environnement. En état normal, donc neutre, les deux lamelles sont jointes sous
l'effet de la gravitation.
Si on touche l'extrémité supérieure de l'électroscope avec un barreau frotté, on
observe que les lamelles se disjoignent, même après le retrait du barreau,
ce qui signifie :
1. Que des charges de même signe les occupent, et sont à l'origine de la
répulsion observée...
2. Qu'il y a eu transfert de charges entre le barreau et la tête de l'électroscope
3. Que les charges sont « descendues » depuis la tête de l'électroscope vers
les lamelles, donc qu'elles sont mobiles au sein de ce corps. Dès lors, il
est logique de penser que les charges ne « tombent » pas vers le sol, mais
se répartissent partout sur l'électroscope en vertu des répulsions qu'elles
présentent les unes pour les autres.
4ème Sciences de base Électrocinétique page 1

EXPÉRIENCE DE LA DÉCHARGE D'UN ÉLECTROSCOPE
Une fois l'électroscope chargé, on peut toucher sa tête
avec un barreau de plastique neutre : il ne se passe rien,
avec un barreau de métallique : les lamelles retombent,
avec le doigt : les lamelles retombent,
ce qui signifie :
1. Que certains corps ne permettent pas aux charges de se déplacer – de tels corps sont qualifiés
d'isolants
2. Que certains corps offrent la possibilité aux charges de se déplacer – ils sont dits conducteurs
3. Que le corps humain se classe parmi les corps conducteurs.
EXPÉRIENCE DE LA CHARGE D'UN ÊTRE HUMAIN
Cette jeune fille est placée sur un socle isolant.
On lui donne un grande quantité de charges électriques.
Comment expliquer l'aspect de sa chevelure ?
Pourquoi l'avoir placée sur un socle isolant ?
Que signifie « mise à la terre » ?
def courant électrique
Dans certaines situations, un corps isolant, comme l'air sur cette photo, peut
perdre cette propriété et devenir conducteur. Une humble étincelle, voire un
violent éclair révèle alors un transfert massif de charges !
A une autre échelle, le fait de toucher avec son doigt un électroscope chargé – et
d'ainsi le décharger – met également en évidence un transfert de charges dans un
sens bien défini, depuis l'électroscope jusqu'au possesseur dudit doigt.
On désigne par courant un déplacement ordonné de charges électriques.
Dans les deux situations illustrées, le courant est très bref ; une fois l'équilibre
des charges atteint, le déplacement s'arrête. Nous avons tous eu l'occasion
d'expérimenter un tel transfert de charges dans notre vie quotidienne, qu'il
s'agisse de la « drine » subie sur la joue en embrassant son condisciple un
froid matin d'hiver, ou de celle subie après avoir enlevé son pull ou en sortant d'une voiture...
Tous ces phénomènes résultent de l'accumulation de charges électriques, domaine que décrit l'électrostatique.
Et tous ces phénomènes sont excessivement brefs !
Cette année, nous allons étudier les courants électriques, domaine de l'électrocinétique.
Et notre premier problème sera de trouver un dispositif capable d'entretenir dans la durée les fameux petits
courants évoqués plus haut. Car si les charges ont naturellement tendance à se disperser lorsqu'elles
sont de même signe, ou à se rejoindre lorsqu'elles sont de signe contraire, on peut difficilement
imaginer qu'elles vont spontanément et sans contrainte revenir en arrière pour retrouver la situation
instable qu'elles possédaient au départ !
Or, en électrocinétique, nous aurons besoin d'un courant électrique entretenu !
4ème Sciences de base Électrocinétique page 2

Le courant électrique
Le générateur
Ou le mythe de Sisyphe, à l'image de ce pauvre hère qui doit remonter
un rocher le long d'une pente, pour finalement le voir la dévaler et
devoir recommencer son travail, éternellement...
Car c'est de cela qu'il s'agit : un générateur est un appareil muni de deux pôles, un pôle positif déficitaire en
électrons, et un pôle négatif excédentaire, généralement appelés « bornes ». Si les deux bornes sont reliées
entre elles, les charges accumulées du côté négatif auront tendance, par le double effet de leur répulsion
mutuelle et de l'attraction que les charges de l'autre côté exercent sur elles, à rejoindre sans retard (mais pas
nécessairement sans détour, comme nous le verrons avec le concept de circuit) la borne positive.
Pour maintenir un courant constamment entre les deux bornes, il faut entretenir la ségrégation des charges
entre les deux bornes du générateur ! Et cela n'est pas gratuit : pensons au travail de frottement du barreau
lors des expériences précédentes. Car il faut dépenser de l'énergie pour séparer les charges d'un corps neutre !
Dans notre exemple, voici ce que cela donne :
Énergie mécanique Travail de séparation
des charges Énergie électrique
Et si nous désirons généraliser :
Un générateur est un appareil qui transforme une énergie d'origine quelconque en énergie
électrique.
De la sorte, les bornes du générateur sont toujours « alimentées » en charges.
Il existe différentes sortes de générateurs, selon la nature de l'énergie qu'ils transforment :
Panneau solaire Énergie électrique
Transformateur GSM Énergie électrique
Pile Énergie électrique
Cellule photovoltaïque Énergie électrique
Dynamo Énergie électrique
Éolienne Énergie électrique
Pile à combustible Énergie électrique
Alternateur Énergie électrique
Groupe électrogène Énergie électrique
Soit des générateurs mécaniques, chimiques et photovoltaïques...
Le circuit électrique
Pour avoir un courant, il faut relier les deux bornes du générateur. Relier signifie offrir un chemin physique
pour que les charges puissent se mouvoir d'un côté à l'autre du générateur.
Offrir une telle ouverture aux charges n'a guère de sens en soi : autant gaspiller un litre d'essence en y
mettant le feu ! Par contre, utiliser ce carburant dans le moteur d'une grue permettra de faire des
travaux, de transférer de l'énergie potentielle à des briques...
L'énergie électrique mérite d'être utilisée : aussi placerons-nous sur le trajet des charges des appareils qui
seront capables de transformer l'énergie électrique en une autre énergie ! Appelons-les des récepteurs.
Un circuit électrique est une suite ininterrompue de conducteurs comprenant au moins un
générateur et un récepteur.
4ème Sciences de base Électrocinétique page 3

Le récepteur
Les récepteurs se distinguent en fonction du type d'énergie utile qu’ils transforment depuis l’énergie
électrique. Citons :
Des récepteurs thermiques : grille-pain, chauffages et bouilloires électriques, …
Des récepteurs thermiques & lumineux : ampoules à incandescence, lampes IR, …
Des récepteurs chimiques : cuves d’électrolyse, accumulateurs (en charge),…
Des récepteurs mécaniques : moteurs, haut-parleurs, sonnettes,…
Des récepteurs électromagnétiques : fours à micro-ondes, GSM, routeurs Wi-Fi,…
Des récepteurs luminescents : voyants lumineux d'appareils ménagers, écrans TV.
La représentation schématique du circuit
Inutile de dessiner des fils torsadés et d'indiquer le nom de chaque
appareil illustré : il existe une représentation conventionnelle des parties
les plus incontournables d'un circuit électrique.
Remplaçons ceci par cela
Le sens du courant
Il va sous le sens : les charges négatives portées par les électrons savent seules se déplacer dans un solide.
Donc le sens réel des charges est : depuis la borne négative du générateur vers sa borne positive.
Sauf que l'attribution de l'électricité de charge négative à la plus petite masse constitutive de la
matière, nos fameux électrons, est postérieure à la découverte des caractéristiques du courant
électrique et à l'énoncé de ses lois. Et, manque de chance, toutes les propriétés du courant ont été
correctement décrites en supposant que c'était les charges positives qui se déplaçaient dans un
conducteur solide... Soit le contraire de la réalité qui apparut un siècle plus tard ! Problème !
Finalement, la nature des charges en mouvement n'influençant pas la description des phénomènes
électriques, il fut décidé de conserver le sens qui avait été convenu au départ : du + vers le -.
On l'appelle le sens conventionnel du courant lorsqu'on veut le différencier du sens réel des électrons.
Mais désormais, il sera le sens du courant « tout court ».
Le courant va de la borne + du générateur à la borne – du générateur.
Le court-circuit
Voici un circuit. On distingue un générateur, des conducteurs et deux récepteurs.
En traversant les récepteurs, les charges transforment une bonne partie de l'énergie que
le générateur leur a octroyée, sous forme de chaleur et de lumière par exemple.
En absence de récepteur, l'énergie des charges ne serait pas dispersée dans le circuit
mais provoquerait la destruction du générateur voire du circuit tout entier :
on désigne l'absence de récepteur sur le trajet des charges par le terme de
« court-circuit ». Nous verrons que des dispositifs existent pour empêcher de tels
dégâts.
4ème Sciences de base Électrocinétique page 4

Grandeurs électriques
La charge électrique
En chimie, nous avons attribué une charge unitaire au proton et à l'électron. C'est une solution très pratique
puisque les atomes possèdent un nombre entier de ces particules.
En physique, l'unité de charge électrique est tout autre : il s'agit d'une unité dérivée à partir des unités de base
que sont le mètre, le newton et l'ampère. Une charge s'exprime en coulomb.
Symbole : q
Unité : C
Un coulomb , noté C, correspond à la charge combinée de 6,241×1018 électrons.
Ou, un électron possède une charge de - 1,6x10-19 C.
Ordre de grandeur :
Une pile rechargeable peut offrir 9000 C
Un barreau de PVC frotté avec une peau de chat devient porteur d'une charge de l'ordre du microcoulomb.
☺Quelle est la charge électrique d'un ion calcium ? (réponse chimique et physique attendue)
L'intensité du courant
Devant les flots tumultueux d'une rivière, nous pouvons nous inquiéter de l'intensité du courant. Nous
l'appellerons débit, et nous l'estimerons en mesurant quel volume d'eau passe par unité de temps au-dessous
d'une ligne imaginaire tracée d'une rive à l'autre.
De façon analogue, l'intensité d'un courant électrique correspond à la quantité de charges qui traverse une
section de conducteur par unité de temps.
Symbole : I
Formule :
I = q /t
Unité : A
A pour Ampère. Si un circuit est parcouru par un courant d'un ampère, cela signifie qu'une quantité de
charges de 1 coulomb passe à chaque seconde en une section du conducteur. Soit un « débit » de six milliards
de milliards d'électrons à chaque seconde.
Ordre de grandeur :
Une ampoule à incandescence de puissance moyenne : 0,4 A.
Une machine à laver en pleine puissance : 4 A.
Le démarreur d'une automobile : 50 A
Mesure :
L'intensité du courant se mesure avec un ampèremètre. Cet appareil mesure la quantité de charges qui le
traverse par seconde : il doit donc être placé de telle sorte que tout le courant que l'on désire mesurer le
traverse. On dit qu'il doit être placé en série sur le circuit (=comment), mais peu importe où puisque
les charges qui quittent le générateur y reviennent nécessairement (pas de perte ni d'accumulation !).
Des récepteurs sont placés en série lorsqu'ils sont mis bout à bout, les uns à la suite des autres.
Sinon, on dit qu'ils sont placés en parallèle : ils partagent alors les mêmes nœuds d'entrée et de
sortie (un nœud étant la jonction d'au moins trois fils conducteurs)
4ème Sciences de base Électrocinétique page 5