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ÉLECTRICITÉ 1. Introduction a) Définition Un courant électrique est un déplacement de particules chargées dans un
milieu conducteur.
Ces particules sont :
. des électrons dans les conducteurs métalliques et, en général, dans
les conducteurs solides
. des ions (positifs ou négatifs) dans les solutions b) Usages du courant électrique . Transport d'énergie à distance pour obtenir d'autres formes
d'énergie : mouvement, son, lumière, chaleur...
. Transport et traitement d'informations : téléphone, radio,
télévision, ordinateur... c) Effets du courant électrique > Effet calorifique: le passage d'un courant électrique dans un
conducteur s'accompagne d'un dégagement de chaleur.
. Appareils de chauffage (radiateurs, cuisinières, fer à repasser,
chauffe-eau...).
. ampoules à incandescence.
. Fusible.
. Echauffement indésirable de tous les appareils électriques et des
fils transportant le courant électrique. > Effet lumineux: Le passage d'un courant électrique peut s'accompagner
d'une émission directe de lumière.
. Tubes d'éclairage, ampoules économiques.
. Etincelles, éclairs d'orage.
. Diodes lumineuses (LED : Light Emitting Diode). > Effet chimique: le passage du courant électrique dans les solutions
électrolytiques peut s'accompagner d'une décomposition chimique
(électrolyse). > Effets magnétiques: le courant électrique a des propriétés magnétiques
(comme les aimants).
. Un courant électrique produit un champ magnétique
. Un fil électrique placé dans un champ magnétique est soumis à une
force.
2. Grandeurs de base en électricité a) Introduction
Sur les 2 ampoules sont indiquées 3 grandeurs très importantes en
électricité.
. La différence de potentiel ou tension électrique en volts (V)
. L'intensité électrique en ampères (A)
. La puissance électrique en watts (W) b) L'intensité ( I ) . Elle représente le débit de charges électriques qui traversent le
conducteur.
Un ampère correspond au passage d'une charge de 1 coulomb par seconde.
(1 coulomb est la charge électrique portée par 6,25 1018 électrons).
. C'est de l'intensité que dépendent tous les effets d'un courant
électrique.
o Plus l'intensité dans un fil est grande, plus il s'échauffe
o Plus l'intensité dans une ampoule est grande, plus elle éclaire (et
plus elle chauffe)
o Plus l'intensité dans un fil est grande, plus le champ magnétique
produit est important.
o Plus l'intensité du courant qui traverse notre corps est grande et
plus le risque d'électrocution est grand. c) La différence de potentiel ou tension électrique (U)
. C'est ce qui est nécessaire pour produire un courant électrique.
Elle est proportionnelle à la force qui s'exerce sur les charges
électriques.
. La différence de potentiel fournie par une pile, entre ses deux bornes,
est sa force électromotrice ou voltage. d) La puissance (P) et l'énergie (E)
. La puissance d'un appareil électrique est l'énergie électrique qu'il
consomme par unité de temps.
. Formules : . Unités du Système International :
P : puissance de l'appareil en watts (W).
E : énergie consommée pendant la durée de fonctionnement de
l'appareil en joules (J).
t : durée de fonctionnement de l'appareil en secondes (s). e) Analogie hydraulique On peut comparer un courant électrique circulant dans un fil conducteur
avec un courant d'eau circulant dans une canalisation horizontale.
|Courant d'eau |Courant électrique |
|Volume d'eau ( V ) |Charge électrique (q) |
| | |
|L'unité de volume est le m³. |L'unité de charge électrique est le |
| |coulomb (C ). |
|Débit ( D ) |Intensité ( I ) |
| | |
|Le débit est le volume d'eau (V) |L'intensité électrique est la |
|qui traverse une section de la |quantité de charges électriques (q) |
|canalisation par unité de temps |qui traverse une section du |
|(t). |conducteur par unité de temps (t). |
| | |
|D = V/t |I = q / t |
| | |
|L'unité de débit est le |L'unité d'intensité électrique est le|
|mètre cube par seconde. | |
| |coulomb par seconde ou ampère (A). |
|m³/s | |
| |1 A = 1 C/s |
|Différence de pression ( (p ) |Différence de potentiel électrique |
| |(ou tension électrique) (U) |
| | |
|Pour que l'eau s'écoule d'une |Les charges électriques se déplacent |
|extrémité à l'autre d'une |dans un conducteur sous l'action de |
|canalisation horizontale, il faut |forces électriques. |
|qu'il y ait entre ces extrémités |Pour qu'elles se déplacent d'une |
|une différence de pression. |extrémité à l'autre d'un conducteur, |
|L'eau s'écoule de la pression la |il faut qu'il y ait entre ces |
|plus élevée vers la pression la |extrémités une différence de |
|plus basse. |potentiel électrique. |
| | |
|La pression s'exprime en N/m² ou en| |
|Nm/m³ ou en J/m³ (joule par m³ | |
|). | |
| |Le potentiel électrique représente |
|La pression (p) représente une |une énergie potentielle par unité de |
|énergie potentielle par unité de |charge. |
|volume. | |
| |La différence de potentiel électrique|
| |représente une différence d'énergie |
| |potentielle par unité de charge. |
| | |
| |U = E / q |
| | |
| |En se déplaçant, les charges |
|En s'écoulant, l'eau perd de |électriques perdent de l'énergie |
|l'énergie potentielle de pression. |potentielle électrique. |
| | |
|L'unité de différence de pression |L'unité de différence de potentiel |
|est le joule par mètre cube ou |est le |
|pascal (Pa). |joule par coulomb ou volt (V). |
| | |
|1 Pa = 1 J/m³ |1 V = 1 J/C | f) Et les ampoules ? . Les valeurs indiquées sur les appareils électriques sont les grandeurs
nominales, c'est-à-dire celles qui correspondent à une utilisation
normale prévue par le fabricant.
. Pour fonctionner correctement la petite ampoule doit être branchée sur
une différence de potentiel de 6V elle est alors parcourue par un courant
de 0,15 A.
. Pour fonctionner correctement la grande ampoule doit être branchée sur
une différence de potentiel de 240 elle consomme alors l'énergie
électrique avec une puissance de 100 W.
3. Autres caractéristiques d'un courant électrique a) Sens du courant électrique Comme un objet en chute libre dans le champ de pesanteur, une charge
électrique se déplace dans un champ électrique de manière à faire diminuer
son énergie potentielle. Une charge positive se déplace dans le sens des potentiels décroissants. Le sens conventionnel du courant est celui qui correspondrait à un
mouvement de charges positives entre le pôle positif et le pôle négatif du
générateur. Conventionnellement, le courant va du pôle positif vers le pôle négatif du
générateur ( du + vers le - ) Les électrons qui sont chargés négativement se déplacent donc dans le sens
contraire du sens conventionnel. En électricité, on parle toujours du sens conventionnel du courant
électrique. b) Le courant continu
. Dans un conducteur parcouru par un courant continu, les charges
électriques se déplacent à vitesse constante dans un sens bien déterminé,
l'intensité du courant est constante. . Générateurs de courant continu: pile, batterie, panneau
photovoltaïque...
c) Le courant alternatif . Dans un conducteur parcouru par un courant alternatif, les charges
électriques ont un mouvement d'oscillation (de va-et-vient) sur place. . Générateurs de courant alternatif : dynamo, alternateur...
. La fréquence du courant alternatif est le nombre d'oscillations par
seconde.
L'unité de fréquence est l'hertz (Hz).
La fréquence du courant fourni par nos centrales électriques est de 50
Hz. . En courant alternatif, les intensités et tensions étant variables, elles
sont définies par leur valeur moyenne (moyennes quadratiques).
On les appelle inte