Module 4: Électricité et magnétisme SPH3U

Les attentes Expliquer le rôle des champs magnétiques dans la production et la transmission d’énergie électrique. Analyser, en appliquant la méthode scientifique, les caractéristiques et les propriétés des champs magnétiques et des circuits électriques. Analyser l’impact de divers modes de production d’énergie électrique et suggérer des stratégies pour répondre à la demande croissante.

À ton tour!

Chapitre 16: Le courant électrique et les circuits

16.2: Le courant

Le courant électrique * Le courant est le taux de déplacement de la charge. Courant = quantité totale de charges passant à un point du conducteur par unité de temps. 𝐼= 𝑄 𝑡 𝐼 = courant (en ampères, A) 𝑄 = charge (en coulombs, C) 𝑡 = temps (en secondes, s)

Exemple #1 (p. 544) Quelle intensité de courant traverse un séchoir à cheveux si une charge de 1400 C y passe en 2,25 minutes?

Exemple #2 (p. 545) Ton éclairage nocturne emploie une ampoule de 7 W traversée par un courant d’environ 6,0× 10 −2 A. Combien de charges passent dans cette ampoule en 8,0 heures?

Exemple #3 (p. 545) Combien d’électrons ont traversé l’ampoule de l’exemple #2? La charge d’un électron est de 1,602× 10 −19 C.

Le sens du courant * Animation: https://www.edumedia- sciences.com/fr/media/670-conduction-electrique-dans- les-solutions Courant conventionnel: Direction des charges positives (donc l’inverse de la direction des électrons).

La mesure du courant Pour compter les humains, on doit les faire passer à travers quelque chose (une porte, un tourniquet, etc. ). Même chose pour les électrons. On les fait passer à travers un ampèremètre. * (plus bas) Ampèremètre: appareil qui mesure le courant électrique Types de courant: Courant continu: dans un seul sens Courant alternatif: les électrons inversent périodiquement leur direction Simulation: https://www.edumedia-sciences.com/fr/media/669-ac-dc

À ton tour! Fiche de symboles p.548 #1-2-3

16.3: Le potentiel électrique

LA différence de potentiel électrique * Animation: https://www.edumedia-sciences.com/fr/media/182-champ-force- potentiel L’énergie potentielle électrique de chaque coulomb présent dans un circuit est appelée différence de potentiel électrique (V). 𝑉= 𝐸 𝑄 E = Énergie requise pour élever le potentiel électrique d’une charge (en joules, J) Q = Charge (en coulombs, C) V = Différence de potentiel, ou tension (en volts, V)

Le volt * 1 volt (V) = différence de potentiel électrique entre 2 points si 1 J de travail est nécessaire pour déplacer une charge de 1 C d’un point à l’autre. Donc, 1 V = 1 J pour 1 C Question: Combien de joules pour transporter 8 C de -5 V à -10 V sur la figure suivante?

Exemple #4 (p.549) Quelle est la différence de potentiel aux bornes d’un climatiseur si une charge de 72 C transfère 8,5× 10 3 J au ventilateur et au compresseur?

Exemple #5 (p.549) Un choc électrostatique entre deux élèves transfère 15 J d’énergie électrique à travers une différence de potentiel de 500 V. Quelle est la quantité de charges transférée dans l’étincelle?

Quels sont les facteurs qui affectent la quantité de diamants délivrés? 1 camion = 1 Coulomb

L’énergie électrique transférée * 𝐸=𝑉𝐼𝑡 E = Énergie (en Joules, J) (quantité de diamants délivrés) V = Différence de potentiel (en Volts, V) Quantité de diamants par camion I = Courant électrique (en Ampères, A) Vitesse des camions T = temps (en secondes, s) Temps donné aux camions

Exemple #6 (p.550) Une pile (AA) de 1,5 V fait fonctionner un lecteur MP3 portatif traversé par un courant de 5,7× 10 −3 A pendant environ 6 heures avant de s’épuiser. Quelle quantité d’énergie la pile transmet-elle?

Exemple #7 (p.551) Une cafetière est traversée par un courant d’environ 5,0 A pendant 270 secondes et consomme ainsi 1,6× 10 5 J d’énergie. Quelle est la différence de potentiel aux bornes de la cafetière?

La mesure de la différence de potentiel L’ampèremètre est placé en série. Le voltmètre est placé en parallèle.

À ton tour! p.552 #1 à 4 p.575 #11 à 22 (impairs)

La mesure de la différence de potentiel Que remarques-tu?

16.5: La résistance – loi d’OHM

En général, plus une particule a de l’énergie potentielle, plus elle a va aller vite. Donc, même hauteur = même vitesse de tombée.

Toutefois, imagine que l’eau doit passer par un tuyau pour tomber Toutefois, imagine que l’eau doit passer par un tuyau pour tomber. Tombera-t-elle à la même vitesse si le tuyau est très petit?

Donc, vitesse dépend de la difficulté à passer. Pour le même voltage, les grandes résistances laissent passer moins de courant que les petites résistances. Sur le graphique de V vs I, R est le taux de variation.

La loi d’OHM * R = résistance (en ohms, Ω) I = courant (en ampères, A) V = différence de potentiel (en volts, V)

Exemple #8 (p.555) L’élément de cuisson d’une cuisinière électrique est branché à une alimentation de 220 V et possède une résistance connue de 19,8 Ω. Quelle intensité de courant traversera cet élément?

Exemple #9 (p.555) RA: Calculer la résistance. Quelle est la résistance d’un séchoir à cheveux de 1200 W traversé par un courant d’environ 10 A dans un circuit de 120 V?

Exemple #10 (p.556) Une ponceuse à courroie conçue pour un courant d’environ 11,0 A dans un circuit de 120 V a été accidentellement branchée dans une prise de 240 V. Elle a fonctionné environ 5 secondes pour finalement griller. Quelle est la résistance de la ponceuse? Quelle intensité de courant a traversé la ponceuse dans le circuit de 240 V?

Facteurs qui influencent la résistance * Description Proportionnalité ?

Facteurs qui influencent la résistance * Description Proportionnalité Longueur + long = + résistant 𝑅 1 𝑅 2 = 𝐿 1 𝐿 2 Diamètre + grand = - résistant 𝑅 1 𝑅 2 = 𝐴 2 𝐴 1 Type de matériau Ça dépend. Température + chaud = + résistant

Exemple #11: La résistance du fil d’aluminium (p.557) Un fil d’aluminium d’une longueur de 200 m a une résistance de 1,7 Ω. Quelle est la résistance d’un bout de 50 m de ce fil?

Exemple #12: La résistance et la section transversale (p.557) De combien doit-on modifier la surface de section transversale d’un fil d’aluminium d’une longueur de 50 m pour y donner une résistance identique à celle du fil de 200 m de l’exemple #11?

À ton tour! p.558 #2-3 p.576 #23 à 28

16.6: Les circuits en parallèle et en série

Comment appelle-t-on chacun des circuits ci-dessous?

Comment appelle-t-on chacun des circuits ci-dessous? Résistances en série: lorsque les résistances sont une à la suite de l’autre. Résistances en parallèle: lorsque le fil principal se sépare pour toucher toutes les résistances.

Les lois de Kirchhoff * 1) Loi des nœuds: la somme des courants qui entrent dans un nœud est égale à la somme des courants qui en sortent. =5A

Les lois de Kirchhoff * Loi des mailles: la somme de toutes les diminutions de potentiel électrique dans une maille complète est égale à toutes les augmentations de potentiel électrique dans cette même maille.

Exemple #13 (p.560) RA: Appliquer les lois de Kirchhoff dans un circuit en série. La figure suivante illustre un circuit en série simple. Fais appel aux lois de Kirchhoff pour déterminer la tension (V2) et le courant (I3) manquants.

Exemple #4 (p.561) RA: Utiliser les lois de Kirchhoff dans un circuit en parallèle. La figure suivante illustre un circuit en parallèle simple. Fais appel aux lois de Kirchhoff pour déterminer la tension (V2) et le courant (I3) manquants.

Résistances en série ou en parallèle * Pour les résistances en série: 𝑅 𝑇 = 𝑅 1 + 𝑅 2 + 𝑅 3 …+ 𝑅 𝑛 Pour les résistances en parallèle: 1 𝑅 𝑇 = 1 𝑅 1 + 1 𝑅 2 + 1 𝑅 3 …+ 1 𝑅 𝑛

Exemple #15 (p.562) RA: Appliquer la loi des résistances en série. Quelle est la résistance totale d’un circuit en série comportant des résistances de 10 Ω, 20 Ω et de 30 Ω?

Exemple #16 Quelle est la résistance reliée en parallèle équivalant à des résistances de 25 Ω, 40 Ω et 10 Ω, toutes reliées en parallèle?

À ton tour! p.563 #1-2-3-4 p.576-577 #29 à 34

16.7: Le jeu d’analyse de circuit

Analyse de circuit * Le but est de trouver tous les paramètres manquants, tels que: Tension (V) Intensité (I) Résistance (R)

Quels sont les paramètres manquants?

Méthode * Faire un tableau d’analyse de circuit. Inscrire toutes les quantités connues. Utiliser les règles apprises pour remplir le reste du tableau.

Exemple p.564

À ton tour! P.577 #35

16.8: La puissance dans les circuits électriques

Puissance Les électrons transportent de l’énergie sur une certaine distance. Les électrons font donc un travail. Ils font forcément ce travail à une certaine vitesse. La vitesse à laquelle ils font ce travail est appelé la puissance.

Formules de puissance * 𝑃=𝐼𝑉 𝑃= 𝑉 2 𝑅 𝑃= 𝐼 2 𝑅

Exemple #17 (p.568) RA: Calculer la puissance domestique. Quelle est la puissance maximale pouvant être débitée du circuit d’une maison moyenne de 120 V muni d’un disjoncteur (ou d’un fusible) de 15 A?

Exemple #18 (p.568) Calcule la puissance d’un amplificateur stéréo s’il est branché à une prise standard de 120 V et si sa résistance est de 120 Ω.

Exemple #19 (p.569) Quelle quantité de puissance est dissipée dans un circuit ayant une résistance de 15 Ω traversée par un courant de 10,0 A?

Chapitre 17: Le magnétisme et l’électromagnétisme

17.1: La force magnétique – une autre force à distance

Loi des forces magnétiques * Les pôles semblables (nord et nord, sud et sud) se repoussent par une force à distance. Les pôles différents (nord et sud) s’attirent par une force à distance.

Champ magnétique * Les lignes indiquent comment une flèche de boussole s’alignerait. Les flèches indiquent où l’aiguille nord pointerait.

Les substances ferromagnétiques * Les aimants sont capables d’attirer certains métaux qui ne sont pas des aimants (ex. fer, nickel et cobalt). On les appelle des substances ferromagnétiques. Théorie des domaines: substances ferromagnétiques sont composées de petits aimants (dipôles). En présence d’un aimant, ils s’alignent tous dans le même sens, rendant la substance magnétique.

À ton tour Nomme une grande différence entre un champ magnétique et un champ gravitationnel.

17.2: Les électro-aimants

Principe D’oersted * Une charge qui se déplace dans un conducteur produit un champ magnétique circulaire autour du conducteur.

Première règle de la main droite * Le pouce de la main droite est dans la direction du courant conventionnel. Les doigts enroulés pointent dans la direction du champ magnétique.

Exemple #1 (p.585) RA: Employer la première règle de la main droite. À la figure a, à partir de la direction du courant conventionnel, détermine la direction du champ magnétique. À la figure b, à partir de la direction du champ magnétique, détermine la direction du courant conventionnel.

Problèmes et solution Problèmes: Le champ magnétique créé est trop faible pour être vraiment utile. Le champ magnétique créé est circulaire. Solution: Enrouler le conducteur.

Deuxième règle de la main droite * Les doigts indiquent la direction du courant conventionnel. Le pouce indique le nord de l’électro-aimant créé.

Facteurs qui déterminent la force d’un électro-aimant * Description Équation Courant dans le solénoïde + de courant = + de magnétisme 𝐵 2 𝐵 1 = 𝐼 2 𝐼 1 Nombre de spires + de spires = + de magnétisme 𝐵 2 𝐵 1 = 𝑛 2 𝑛 1 Type de matériel au centre + ferromagnétique = + de magnétisme 𝐵 2 𝐵 1 = 𝜇 2 𝜇 1 𝜇 = perméabilité magnétique Taille du solénoïde Rayon + petit = + de magnétisme

Exemple #2 (p.588) RA: Utiliser les propriétés d’un solénoïde. Qu’arrive-t-il à la force du champ magnétique qui entoure un solénoïde si le courant qui circule dans le conducteur passe de 1,0 A à 2,5 A? Qu’arriverait-il à la force du champ si on réduisait de moitié le nombre de spires, mais que le courant restait le même?

À ton tour! P.589 #2

17.3: Utilisations des électro-aimants

Utilisations des électro-aimants Électro-aimant de levage Relais Cloche électrique

17.4: Principe du moteur et ses applications

Légende * Entre dans la page Sort de la page

Troisième règle de la main droite *

Exemple #3 (p.591) RA: Utiliser la 3e règle de la main droite Pour chacun des diagrammes de la figure 17.19, utilise la troisième règle de la main droite afin de déterminer la direction inconnue.

À ton tour! P.599 #20 à 28

Chapitre 18: L’induction électromagnétique et ses applications

18.1: Induction et la découverte de faraday

Le principe d’induction * Bozeman Science: https://www.youtube.com/watch?v=jeTmIa00_rc Comprend 2 lois: Loi de Faraday Loi de Lenz

Loi de Faraday * Un champ magnétique en mouvement ou variable près d’un conducteur provoque ou induit le flux des électrons dans le conducteur.

Loi de Lenz * * La direction du courant induit crée un champ magnétique induit qui s’oppose au mouvement du champ magnétique inducteur. * À cause de la conservation de l’énergie, si de l’énergie électrique est créée, elle doit venir d’une autre énergie. Elle vient de l’énergie cinétique de l’aimant. Si l’aimant a perdu de l’énergie cinétique, il a ralenti. Si l’aimant a ralenti, c’est parce que le champ magnétique à l’intérieur de la bobine était contraire.

Exemple #1 (p.610) RA: Déterminer la direction du courant induit. Pour les situations des figures 18.5 a) et b), utilise la loi de Lenz pour prédire la direction du courant induit dans la bobine.

À ton tour! p.611 #1-2 + p.625 #16-17-18