ST/STE Chapitre 5 Électricité et magnétisme

CHAPITRE 5
Science et technologie de l'e nvironnement
CHAPITRE 5 ÉLECTRICITÉ ET MAGNÉTISME
1
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.
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 ( - )
atome = électriquement neutre
2
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
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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
Métalloïdes
Carbone
le silicium
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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
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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.
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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 ?
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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
isolant (non conducteur!) les charges électriques, incapables de se déplacer, restent
localisées sur celui-ci.
Source des 2 images:
Allo prof
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)
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CHAPITRE 5
7
LA SÉRIE ÉLECTROSTATIQUE
Soufre
Caoutchouc
Polyéthylène
ébonite
Paraffine
Soie
Coton
Laine
Nylon
Verre
Tendance croissante à
perdre des électrons
Tendance croissante à
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?
!?
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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
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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
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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.
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CHAPITRE 5
Propriétés du circuit électrique en série
!?
!?
!?
Finalement, si on retire un élément?
rbreton-ST et STE
Adapté de:
http://www.ilephysique.net
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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 ! )
!?
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CHAPITRE 5
!?
!?
!?
!?
Adapté de:
http://www.ilephysique.net
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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.
Adapté de:
Hydro-Québec
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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!!
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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
à chaque seconde.
Symbole de l’intensité:
L’intensité se mesure en ampère: I = q / ∆t
Symbole de l’ampère:
I
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.
La différence de potentiel se mesure en volt: U = E / q
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.
La résistance se mesure en ohm: Ω = V / A
Sur la route, c’est le nombre de caisses d’électrons et de
camions qui peuvent passer en un point donné!
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Symbole de la différence
de potentiel:
U
Symbole du volt:
V
Symbole de la
résistance:
R
Symbole du ohm:
Ω
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CHAPITRE 5
L’AMPÈREMÈTRE!
Pour mesurer l’intensité (ampérage) du courant dans un
circuit, l’ampèremètre se branche en série par rapport à
l’appareil qu’il mesure.
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
circuit, le voltmètre se branche en parallèle par rapport à
l’appareil qu’il mesure.
Après tout, c’est la quantité de caisses d’électrons que
les camions transportent avant et après la livraison!
rbreton-ST et STE
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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
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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
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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
I (nombre de charges)
A
V
LA DEUXIÈME LOI
U (énergie totale)
QUI ENTRE DANS UN ÉLÉMENT
QUI ENTRE PAR LA SOURCE
=
=
I (nombre de charges)
U (énergie totale) QUI EST
QUI SORT DE L’ÉLÉMENT
TRANSFÉRÉE DANS LE CIRCUIT
LA LOI D’OHM
LA DDP (U) EST PROPORTIONNELLE À I
POUR UNE RÉSISTANCE DONNÉE (R)
U=RI
CIRCUITS EN SÉRIE
Ré = R1 + R2 + R3 + ...
CIRCUITS EN PARALLÈLE
Ré =
1
1
1
1
R1 + R2 + R3 + ...
It = I1 = I2 = I3 = ...
It = I1 + I2 + I3 = ...
Ut = U1 + U2 + U3 + ...
rbreton-ST et STE
Ut = U1 = U2 = U3 = ...
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CHAPITRE 5
V
A
rbreton-ST et STE
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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
non aimanté
rbreton-ST et STE
aimanté
!21
CHAPITRE 5
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.
Par convention, les lignes du champ
magnétique que l’on dessine partent du
nord magnétique et convergent vers
le sud magnétique. Plus les lignes sont
rapprochées, comme près des pôles,
plus cela illustre un champ magnétique
fort.
Ce qui les distingue,
c’est la rémanence
magnétique: certains
matériaux conservent
plus ou moins longtemps
leurs propriétés
magnétiques.
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
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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.
SOLÉNOÏDE
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
DIRECTION DU
COURANT DANS LE
FIL
CHAMP
MAGNÉTIQUE
MAIN DROITE
LA PREMIÈRE RÈGLE DE LA MAIN DROITE
rbreton-ST et STE
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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
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