Phénomènes électriques

Qu’est-ce que l’électricité? C’est l’ensemble des phénomènes provoqués par des charges positives ou négatives en déplacement.

Quelques manifestations naturelles de phénomènes électriques La transmission de l’influx nerveux dans les cellules. Les réactions chimiques entre les atomes. La contraction des fibres musculaires. La foudre.

Premières découvertes reliées à l’électricité Le philosophe grec Thalès de Milet (625 – 546 av JC) L’ambre jaune frotté avec de la laine devient capable d’attirer de menus objets. Il parle alors « d’effet électrique ». William Gilbert (1540 – 1603) Découvre d’autre substances se comportant comme l’ambre jaune (verre, résine, soufre…). Depuis, on considère que des matériaux capables d’attirer de petits objets après avoir été frottés sont « électrisés ». Benjamin Franklin (1706 - 1790) Il distingua 2 types d’électricité: l’électricité positive et l’électricité négative.

La charge électrique La charge électrique est la grandeur physique responsable des phénomènes électriques. C’est une propriété des protons et des électrons. Par convention… Le proton porte une charge positive. L’électron porte une charge négative. Un corps neutre porte un même nombre de protons que d’électrons. Un corps chargé négativement possède plus d’électrons que de protons. Un corps chargé positivement possède plus de protons que d’électrons.

Mesure de la charge électrique La charge électrique, symbolisée par la lettre minuscule « q », se mesure en coulomb (lettre majuscule C), l’unité de de charge électrique. La charge élémentaire est la charge portée par un électron ou un proton. Sa valeur pour un proton est de +1,602 x 10-19 C et celle d’un électron est de -1,602 x 10-19 C. Donc, le proton et l’électron portent la même charge, mais de signe opposé.

Forces d’attraction et de répulsion Les observations du comportement des charges électriques ont permis d’établir les faits suivants… Des charges électriques de mêmes signes se repoussent. Des charges électriques de signes opposés s’attirent. Les charges ne peuvent ni être créées ni détruites, mais seulement transférées d’un corps à un autre (loi de la conservation des charges). La force d’attraction ou de répulsion électrique entre les charges se nomme la « force électrique ».

Comportement des objets chargés http://www.ostralo.net/3_animations/swf/BoiteACharges.swf

L’électricité statique

L’électricité statique Elle constitue l’ensemble des phénomènes électriques observables suite aux transfert ( ou l’accumulation) de charges entre les objets, les matériaux ou les corps.

La liste électrostatique Cette liste classe les matériaux selon leur facilité à céder des charges électriques négatives Lors du frottement, le matériau qui a le plus tendance à gagner des électrons va arracher un certain nombre de charges électriques négatives à l’autre matériau. Le premier se charge négativement alors que le second se charge positivement.

Une liste électrostatique

Électrisation de la matière

Électrisation de la matière Habituellement les objets sont électriquement neutres: ils contiennent autant de charges positives que de charges négatives. On électrise la matière lorsqu’on arrive à transférer des charges électriques négatives d’un objet à l’autre: c’est l’électrisation (elle consiste donc à créer un déséquilibre des charges dans la matière).

Électriser la matière Par frottement Par conduction Par induction Le frottement de 2 corps ensemble se traduit souvent par le transfert d’électrons d’un à l’autre. Il en résulte 2 corps chargés de signes opposés. Par conduction Si un corps neutre entre en contact avec un corps électrisé, une certaine quantité de charges électriques négatives se déplacent d’un corps à l’autre. Il en résulte 2 corps chargés de même signe qui se partagent également la charge de l’objet initialement chargé. Par induction Elle se produit lorsqu’un corps chargé s’approche d’un corps neutre, provoquant ainsi une polarisation des charges dans le corps neutre. http://www.cegep-ste-foy.qc.ca/freesite/index.php?id=1826

Animations http://www.regentsprep.org/Regents/physics/phys03/ael eclab/nerscope.htm l’électroscope http://www.sci- culture.com/advancedpoll/GCSE/electroscope.html http://www.youtube.com/watch?v=-JsVZwc1dOo 4m52 video électroscope http://phet.colorado.edu/fr/simulation/balloons

Les circuits électriques

L’électricité dynamique C’est l’ensemble des phénomènes électriques liés aux charges électriques en mouvement. Certains matériaux permettent aux électrons de circuler facilement, ce sont des conducteurs électriques. Dans un circuit électrique, les charges circulent en boucle dans un ensemble de conducteurs et effectuent un travail en accomplissant ce parcours (exemples: allumer une ampoule, faire tourner un moteur électrique ou faire chauffer les éléments chauffants d’un grille-pain).

Le courant électrique On utilise une source électrique pour mettre en mouvement des charges négatives dans une boucle fermée constituée d’éléments conducteurs. Ce déplacement ordonné des charges négatives correspond au sens réel du courant dans un circuit électrique (de la borne négative vers la borne positive) Par contre, le sens conventionnel du courant correspond à la direction qu’emprunterait une particule positive dans la boucle (de la borne positive vers la borne négative) http://www.youtube.com/watch?v=0jQHspTjaWI&feature=channel Video 2min sens du courant

Le circuit électrique Un circuit électrique est un ensemble de conducteurs électriques reliés en boucle et formant un parcours continu dans lequel les charges électriques peuvent circuler. Un circuit électrique simple comprend une source de courant, des fils conducteurs, un élément de circuit et un interrupteur. Le circuit fermé permet aux charges électriques de circuler alors que le circuit ouvert ne leur permet pas (il faut qu’il y ait continuité dans la boucle).

Circuit ouvert et fermé

Le schéma électrique Il s’agit d’une représentation schématique d’un circuit électrique. Il utilise des symboles normalisés pour représenter les différentes composantes électriques. La pile (ou la source de courant) Les fils (les conducteurs) L’ampèremètre Le voltmètre Les résistors Les ampoules Etc.

Liste non exhaustive de symboles normalisés http://www.fsg.ulaval.ca/opus/scphys4/resumes/23c.shtml

Éléments de circuit Les éléments de circuits électriques (aussi appelés les composantes électriques) transforment l’énergie électrique en d’autres formes d’énergie… les ampoules les résistors (résisteurs) les éléments chauffants les moteurs les sonnettes, etc…

ampoules électriques Explication lampe de poche http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/physique-chimie/l-electricite Explication lampe de poche

Résistors ou résisteurs

Moteur électrique

Pour s’amuser avec des circuits simples http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/cinquieme/electricite/schematisation_circuits.htm http://www2.cslaval.qc.ca/cdp/UserFiles/File/previews/electricite_circuit.swf Pour s’amuser avec des circuits simples

Les mesures en électricité Intensité, différence de potentiel et résistance

L’Intensité du courant électrique Elle correspond à la quantité de charges électriques qui passent en un point d’un circuit électrique par unité de temps (une seconde) Symbolisée par la lettre majuscule « I » Se mesure en ampères (A) avec un ampèremètre

Calcul de l’intensité du courant La formule suivante permet de calculer la valeur de l’intensité du courant I = q ∕ Δt I est l’intensité du courant en ampères (A) q représente la charge en coulombs (C) Δt est le temps en secondes 1A = 1C / 1sec

La différence de potentiel (ddp) ou tension électrique Elle correspond à la quantité d’énergie transportée par unité de charge électrique entre 2 points d’un circuit électrique Symbolisée par la lettre « U » Se mesure en volts (V) avec un voltmètre

Calcul de la différence de potentiel Cette formule permet de calculer la différence de potentiel entre 2 points d’un circuit électrique U = E ∕ q U est la ddp en volts E est l’énergie en joules q est la charge en coulombs 1V = 1J / 1C

Les types de circuits électriques

Le circuit série Les composantes sont placées les unes à la suite des autres. Il n’y a donc qu’un seul chemin possible pour le passage du courant. Ce circuit ne possède qu’une seule boucle.

circuit série

Le circuit parallèle Les composantes électriques sont placées sur des trajets qui sont parallèles entre eux. Ce type de circuit possède plusieurs boucles.

circuit parallèle

L’ampèremètre Dans un circuit électrique, il se branche en série devant ou derrière l’élément de circuit qui fait l’objet de la mesure Le courant qui arrive de la borne positive (rouge) de la pile doit quitter le circuit et entrer dans l’ampèremètre par la borne positive (rouge) Le courant doit ensuite sortir de l’ampèremètre par la borne négative (com, noire) et retourner dans le circuit

Le voltmètre On ne doit jamais ouvrir un circuit pour brancher un voltmètre Dans un circuit électrique, il se branche en parallèle aux bornes de l’élément de circuit qui fait l’objet de la mesure La borne rouge du voltmètre doit s’insérer du coté positif (rouge) de la pile alors que la borne com (négative) doit s’insérer du côté négatif de la pile Le courant ne pénètre pas dans un voltmètre

La loi d’Ohm Elle établit que, pour une résistance donnée, la différence de potentiel à ses bornes est directement proportionnelle à l’intensité du courant qui le traverse Elle décrit mathématiquement la relation entre la différence de potentiel (U) aux bornes d’un résistor, le courant qui le traverse (I) et la valeur de sa résistance U = R • I U est la différence de potentiel en volts (V) R est la résistance électrique en ohms (Ω) I est la valeur de l’intensité du courant en ampères (A)

La résistance électrique C’est une mesure la capacité d’un matériau à résister au passage du courant électrique Elle représente une entrave au passage du courant Le symbole de la résistance est R et son unité de mesure est le « ohm » (Ω) C’est une propriété physique qui quantifie l’ampleur de l’opposition au passage du courant électrique dans un circuit ou un élément de circuit

La résistance

Les facteurs qui influent sur la résistance d’un conducteur La nature du conducteur Un mauvais conducteur offre une plus grande résistance au passage du courant La longueur du fil conducteur Plus un fil est long, plus il offre une plus grande résistance au passage du courant Le diamètre du fil conducteur Plus le diamètre du conducteur est petit, plus il offre une plus grande résistance au passage du courant La température du fil conducteur Généralement, plus un élément de circuit est chaud, plus il offre de résistance au passage du courant

Dans un circuit La loi d’Ohm s’applique également à l’ensemble d’un circuit électrique : la résistance équivalente d’un circuit électrique est égale au rapport entre la différence de potentiel à la source et au courant qu’elle génère R = U/I R est la résistance en ohms (Ω) U est la différence de potentiel en volts (V) I est l’intensité en ampères (A)

https://9b59dbce-a-58d1c864-s-sites. googlegroups. com/a/enplusducours https://9b59dbce-a-58d1c864-s-sites.googlegroups.com/a/enplusducours.com/en-plus-du-cours/5eme---animations-1/5eme---animations/circuitcm2.swf?attachauth=ANoY7cq-jUrKSL6-xjcyWYF_pqcFK2HQcJ8ju6scpmNqK1oggdh4Bb6Nrumlj2_lF7fU3IfjEQ71W11xoCmT_TG62wBjUPo2Va8gM-LIHbrQmNyIKoK0B7j-My2mdQGAsyQ1J40J-qWf_4wYgYdQjMTLqFy9h9sxkSpaOZjc9zBzQmgIxZJO62sIj2EXnW0qF_ukEcCLnbcQe-CMPgX0YqxIACUOkXD8D7NJ712WKLPOTcNNcN5jVTbXJ_pbITLEThXfC65V7ckrLsusgNwCrmX47oFRgPtbpg%3D%3D&attredirects=0 https://9b59dbce-a-58d1c864-s-sites.googlegroups.com/a/enplusducours.com/en-plus-du-cours/5eme---animations-1/5eme---animations/assoc_chap3.swf?attachauth=ANoY7crVAvQstFL8J01GWwRo9B-q9_DS38Nz6lExJiUt4nD8DyrrBDJonNCfN9qDedd20UNMnK1VnFJr3UBvLxIar03C-tuIHCY7U6BjJd1Ed36EbHg8F7qR5SOJpuof3bpAFaqDAOS84_YSUEDB05DH3Ig6_2u5WU2ZU7txy_DmiwO-FY40yj7_dtH7_PMFjr1_bthY-MbnJJebSi6XPcu-cTAKfSuc_US7bE5EpCrVMIBIBxN3DUzo1yIe1VCPRycyVpHA44BYRoaDaRFptri9jSnD6W9Biw%3D%3D&attredirects=0 http://profsalce.legtux.org/5chap4.html

La puissance électrique

La puissance, c’est … Le rapport entre la quantité de travail que peut accomplir un appareil électrique et le temps qu’il prend pour le faire C’est en quelque sorte le rythme auquel l’appareil dépense ou consomme de l’énergie Plus un appareil est puissant, plus il consomme d’énergie en un temps donné

Formule principale Le symbole de la puissance électrique est P Son unité de mesure est le watt (W) La principale équation mathématique qui met en relation la puissance, l’énergie et le temps est P = E/∆t P est la puissance électrique en watts (W) E est l’énergie consommée en joules (J) ∆t est le temps écoulé en secondes (s)

Autres formules associées à la puissance P est la puissance électrique (W) U est la tension (la ddp) en volts (V) I est l’intensité électrique en ampères (A) E = UI∆t E est l’énergie électrique en joules (J)

Le kilowattheure Un kilowattheure vaut donc 3 600 000 joules Le joule représente une très petite quantité d’énergie (c’est l’énergie dépensée par un appareil de 1 watt de puissance pendant une seconde) E = P · ∆t E = 1 watt · 1 sec E = 1 J Pour cette raison, les compagnies d’électricité utilisent le kilowattheure, une quantité d’énergie qui correspond à la dépense d’un appareil de 1 kilowatt de puissance (1000 watts) pendant une heure (3600 secondes) E = 1kW · 1 h E = 1000 w · 3600 sec E = 3 600 000 J Un kilowattheure vaut donc 3 600 000 joules

Le compteur d’Hydro-Québec

Le magnétisme

Le magnétisme Le magnétisme englobe l’ensemble des phénomènes associés aux aimants La force magnétique est une force qui s’exerce entre 2 aimants ou entre un aimant et une substance ferromagnétique Une région de l’espace à l’intérieur de laquelle un aimant peut agir sur un autre aimant se nomme un champ magnétique Il y a la force d’attraction magnétique ( 2 matériaux qui s’attirent) et la force de réplusion magnétique ( 2 matériaux qui se repoussent).

STE Origine du magnétisme Dans la matière, les atomes sont regroupés en domaines magnétiques, des petites régions dans lesquelles les spins des atomes sont tous alignés. Chacun de ces domaines agit comme un minuscule aimant et, de façon générale, l'orientation de chacun de ces domaines est aléatoire. En conséquence, le champ magnétique créé dans un domaine est annulé par ceux de ses voisins. Cependant, dans un aimant ou un matériau ferromagnétique, tous les domaines ont plus ou moins la même orientation. Il en résulte alors un champ magnétique global, macroscopique.

Les domaines magnétiques Substance magnétique

3 types de substances du point de vue du magnétisme Les substances magnétiques Les substances ferromagnétiques Les substances non-magnétiques

Substances magnétiques Ce sont les aimants: les aimants attirent toujours les substances contenant du fer, du nickel ou du cobalt Les aimants peuvent s’attirer ou se repousser entre eux

Substances ferromagnétiques Elles deviennent temporairement des aimants lorsqu’on les soumet à un champ magnétique Ces substances sont le fer, le nickel et le cobalt ou des alliages contenant ces éléments chimiques et certains autres alliages Les substances magnétiques sont attirées autant par le pôle Nord que le pôle Sud d’un aimant

Substances non-magnétiques Elles ne réagissent tout simplement pas aux aimants

Les aimants Les aimants sont des corps capables d’attirer des objets contenant du fer, du nickel et du cobalt Quoique possédant des formes diverses, les aimants possèdent toujours deux pôles: un « pôle Nord » et un « pôle Sud »

Lois de l’attraction et de la répulsion des pôles 2 pôles magnétiques contraires s’attirent 2 pôles magnétiques semblables se repoussent

Les aimants droit

Champ magnétique autour d’un aimant droit

Orientation des lignes de champ magnétique Par convention… les lignes de champ magnétique s’éloignent des pôles Nord et se dirigent vers les pôles Sud Elles partent donc du Nord pour entrer dans le Sud « il fait toujours bon se diriger vers le sud »

Boussoles autour d’un aimant droit

Champ magnétique autour des pôles d’aimants http://www.youtube.com/watch?v=rdDTTjG4jn8 1min50 anglais

L’aimant en « U »

Champ magnétique autour d’un aimant en « U »

Pôles magnétiques et pôles géographiques Par convention… le pôle Nord d’un aimant est la partie qui s’oriente naturellement vers le pôle magnétique de la Terre situé le plus près du pôle Nord géographique En conséquence, sous le nord géographique se cache un Sud magnétique N S

http://www.edumedia-sciences.com/fr/a108-champ-magnetique-terrestre

Démagnétisation de la matière STE On peut démagnétiser un aimant de 3 façons: En lui faisant subir un choc violent. En le chauffant. En le plaçant dans un champ magnétique de sens opposé à son aimantation.

STE Types d’aimants La rémanence magnétique est la propriété qu’on certains matériaux d’acquérir et de conserver leurs propriétés magnétiques Les aimants temporaires Acquièrent et perdent facilement leurs propriétés magnétiques Leurs domaines sont faciles à orienter et à désorienter Ont une faible rémanence magnétique Les aimants permanents Ont une forte rémanence magnétique Il est à la fois difficile de les magnétiser et difficile de les démagnétiser

L’électromagnétisme

Lien entre électricité et électromagnétisme L’électromagnétisme constitue l’ensemble des phénomènes résultant de l’interaction entre l’électricité et le magnétisme Il existe un lien très étroit entre ces 2 concepts puisque… la circulation du courant électrique dans un fil génère un champ magnétique (CM) dans certaines conditions, un CM peut générer un courant électrique

Le CM produit par l’électricité dynamique Lorsque qu’un courant électrique circule dans un fil, il se crée instantanément un champ magnétique autour de ce fil Le champ magnétique existe tant et aussi longtemps que le courant circule et disparait aussitôt que le courant cesse de circuler

Description de la forme du CM autour d’un fil droit Ce champ magnétique est représenté par un ensemble de cercles concentriques dont les centres se situent exactement sur le fil En réalité ces cercles sont plutôt des cylindres qui enveloppent le fil, mais la coupe transversale révèlera des cercles

Forme du CM autour du fil droit

Fil traversant un plan

Sens des lignes de CM Première règle de la main droite (PRMD) Le pouce pointe dans le sens conventionnel de circulation du courant dans le fil droit (borne + vers borne -) Les autres doigts de la main s’enroulent dans le sens de rotation des lignes de CM Les lignes de CM sortent toujours d’un pôle « N » pour entrer dans un pôle « S »

La PRMD

Inversion de la polarité de la source Si on inverse la polarité de la source d’alimentation, le sens des lignes de force du CM est inversé, mais la forme du champ demeure la même

La boussole autour du fil Les lignes sortent encore et toujours du pôle « N » pour entrer dans le pôle « S »

http://www. sciences. univ-nantes http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Elec/Champs/topoB.html Animation aimant fil droit solénoïdes http://www.youtube.com/watch?v=CfUCOlMoQvE vidéo première règle main droite 3 min 25

Intensité du CM Plus on s’éloigne du fil, moins le CM est intense Plus la valeur du courant qui circule dans le fil (le nombre d’ampères) est élevée, plus le CM est intense

CM d’un solénoïde Un solénoïde est une bobine constituée de plusieurs enroulements (appelés des « spires ») de fil conducteur Le cumul des spires a comme effet une augmentation importante de l’intensité du CM Pour mettre en évidence un CM on utilise de la limaille de fer (de petits grains de forme allongée qui s’alignent parallèlement aux lignes de CM) STE

CM autour d’un solénoïde tel que révélé par la limaille de fer

Un solénoïde et son CM

Forme du CM d’un solénoïde : comme celui d’un aimant droit

Sens des lignes de CM: deuxième règle de la main droite (DRMD) Les doigts s’enroulent dans le sens conventionnel du courant qui parcourt le solénoïde et le pouce pointe vers le pôle Nord du solénoïde

La DRMD

Orientation des lignes de CM dans un solénoïde (DRMD)

Orientation avec la DRMD

Attraction ou répulsion? Y aura-t-il répulsion ou attraction entre l’aimant et le solénoïde? Attraction!

En résumé

http://phet.colorado.edu/fr/simulation/generator PHET animation JAVA

Avantages des solénoïdes sur les aimants droits Contrairement à l’aimant, le CM d’un solénoïde peut être « allumé » ou « éteint » à volonté Le sens des lignes du CM peut être inversé à volonté simplement en inversant le sens du courant dans le solénoïde, ce qui n’est pas possible avec un aimant droit On peut modifier l’intensité du CM d’un solénoïde, mais pas celle d’un aimant droit Pour toutes ces raisons, les solénoïdes sont extrêmement répandus dans les objets technologiques

3 façons d’augmenter l’intensité du CM d’un solénoïde Augmenter l’intensité du courant. Plus l’intensité du courant qui circule dans le solénoïde est grande, plus le CM est intense. Augmenter le nombre de spires. Plus le nombre de spires est élevé, plus le CM est intense. Insérer un noyau de substance ferromagnétique. L’insertion d’une tige de métal ferromagnétique (un noyau) à l’intérieur du solénoïde augmente l’intensité du CM.

L’électroaimant électroaimant Il s’agit d’un solénoïde à l’intérieur duquel on a inséré un noyau (une tige cylindrique) fait d’une substance ferromagnétique solénoïde

Électroaimant d’une grue

Intérieur de l’électroaimant d’une grue

microphone

Clavier d’ordinateur

Moteur électrique

Des « pick up » de guitare