Chapitre 1 La différence de potentiel (d.d.p)

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1 Chapitre 1 La différence de potentiel (d.d.p) 1. Préambule. Afin de mieux aborder les différents chapitres, une approche des notions de structure de la matière, d électrons, de molécules, d atomes est nécessaire. 2. Notion de molécule et d atome. Si nous partageons une goutte d eau en 2, puis chaque moitié en 2 et ainsi de suite, nous obtiendrons finalement une goutte d eau extrêmement petite. Si nous continuons la division de cette goutte d eau, nous allons arriver à une limite ou la division en deux ne pourra pas s effectuer. On dit alors que nous avons la plus petite partie de ce corps et elle s appelle la molécule. On définit la molécule comme étant la plus petite partie d un corps pur qui puisse exister à l état libre tout en conservant les propriétés et les caractéristiques chimiques de ce corps. Une molécule est composée par un ou plusieurs Atomes. Exemple : molécule d eau (H 2 O) est composée de 2 atomes d hydrogène (H) et 1 atome d oxygène (O). Si l on voulait aller plus loin dans la division de ce corps que l on appelle la molécule, on aurait des éléments qui composent la molécule d eau c'est-à-dire l hydrogène (2) et l oxygène (1) qui serait de nouveaux corps et qui s appelleront des atomes. (À partir de ce moment, nous sommes au plus bas dans la matière) 3. Les atomes On définit l atome comme étant la plus petite partie de la matière qui puisse entrer en combinaison chimique. Un atome est formé d un noyau et d électrons tournant autour. 4. Structure de la matière. L atome est analogue à un minuscule système solaire : son soleil est le noyau et ses planètes sont des particules qui tournent autour du noyau sur plusieurs orbites appelées couches. Monteur Câbleur : électricité du bâtiment 1.1 La différence de potentiel

2 Exemple : l atome d oxygène possède un noyau et 8 électrons sur 2 couches. - Électrons : ce sont des particules chargées négativement de charge q e = c - Protons : ce sont des particules chargées positivement, de charge q p = c Figure 1 - Neutrons : ce sont des particules neutres sans aucune charge. - Noyau - 2 Orbites ou couches Nous admettrons que deux corps chargés d électricité de même signe se repoussent, Figure 2 Figure 3 Et deux corps chargés d électricité de noms contraires s attirent. Figure 4 Nous voyons déjà l apparition de deux sortes de charges électriques : Nous avons : les charges positives qui se trouvent à la borne positive d un générateur de courant et les charges négatives qui se trouvent à la borne négative. 5. Ions positifs et Ions négatifs. La dernière orbite ou couche périphérique (la plus éloignée du noyau) donne à l atome ses propriétés chimiques et électriques. Elle ne peut jamais avoir plus de 8 électrons. On peut classer les atomes à partir de cette couche périphérique : On définit : - un électron libre est un électron qui se trouve sur la couche périphérique et qui peut quitter l atome. - Un ion négatif constitue une charge d électricité négative (excès d électrons 5 à 8). - Un ion positif constitue une charge d électricité positive (manque d électrons 1 à 3). Monteur Câbleur : électricité du bâtiment 1.2 La différence de potentiel

3 6. Isolants et conducteurs. - Isolants: Les électrons d un atome d isolant ne peuvent pas ou difficilement passer d un atome à l autre ce sont des électrons liés. Car la dernière couche d électrons est proche ou égale à 8, ils sont très attachés au noyau. Il s agit d un atome stable ou isolent. - Conducteurs: Dans les conducteurs la dernière couche comprend peux d électrons, ils sont donc très peu attachés au noyau et peuvent facilement voyager d un atome à l autre. Les électrons sont répartis par couche autour du noyau, le nombre d électrons sur la dernière couche indique la nature de l atome : Les atomes ayant 1, 2 ou 3 électrons sur la couche périphérique ont tendance à les perdre. Ces atomes deviennent des «ions positifs», car, électriquement, ils deviennent positifs. Ils possèdent plus de charges positives que de charges négatives. C est le cas de bons conducteurs électriques (cuivre, argent, or ) Exemple l atome de cuivre : 29 électrons, noyau : 29 protons et 29 neutrons Figure 5 Monteur Câbleur : électricité du bâtiment 1.3 La différence de potentiel

4 - Les semi-conducteurs : Les atomes ayant 4 électrons sur la couche périphérique sont des intermédiaires. Ce sont les semi-conducteurs (carbone, germanium, silicium ). Remarque : Si un conducteur est placé entre 2 sphères l une chargée positivement, l autre chargée négativement, les électrons libres du conducteur sont attirés par la sphère positive. C est cette migration d électrons entre les atomes du conducteur qui est appelée courant électrique.( à voir dans un prochain cours) e- e- e- 7. La différence de potentiel (d.d.p.). Figure 6 Nommée souvent voltage par le grand public. Pour comprendre la notion de différence de potentiel, faisons l analogie hydraulique. Sur le principe des vases communicants. Prenons deux réservoirs contenant de l eau qui peuvent être reliés entre eux par une vanne et sa tuyauterie. On ajoute à chaque réservoir un appareil pouvant mesurer la pression de l eau à tout moment. L expérience se fera en deux parties. 1 ère partie : le niveau d eau n est pas le même Pa Pb : On remarque que le niveau d eau des deux côtés n est pas le même il y a une différence de hauteur de h Figure 7 La pression Pa de la colonne A, à gauche, est différente de la pression Pb de la colonne B, à droite Monteur Câbleur : électricité du bâtiment 1.4 La différence de potentiel

5 2 ème partie le niveau d eau est le même Pa = Pb On remarque que le niveau d eau des deux côtés est le même La pression indiquée par les appareils est la même aussi. La pression Pa de la colonne A, à gauche, est même que celle de Pb de la colonne B, à droite Figure 8 Dans la 1 ère partie, la vanne étant fermée, la différence de niveau d eau de hauteur (h) entre le réservoir de gauche et le réservoir de droite détermine la différence de pression d eau dans la conduite. Quand la vanne sera ouverte, 2e partie, c est cette différence de pression qui sera à l origine d écoulement d eau du réservoir A vers le réservoir B. Le débit cessera dès que les deux réservoirs seront remplis à la même hauteur (donc même niveau) et il n y aura plus de différence de pression. On peut dire par analogie qu en électricité, pour qu un courant circule dans un circuit, il faut qu il y ait une différence de pression électrique à ses extrémités, on appelle cette différence de pression la différence de potentiel : ou simplement la tension. 8. On définit : - Potentiel : C est le mot utilisé pour marquer l excès ou le manque d électrons à une borne d un générateur. - Différence de potentiel : La différence de potentiel (d.d.p.) ou tension électrique, c est la différence de charges + et -- qui existe entre les 2 bornes d un générateur. - La tension électrique ou ddp est représentée par le symbole U et exprimée par l unité Volt [V]. - Exemples : U = 230V, U = 12 V La tension est à l électricité la pression est à l eau Monteur Câbleur : électricité du bâtiment 1.5 La différence de potentiel

6 9. Exemples. Tension d une pile de lampes de poche : pile ronde U = 1,5 V pile plate U = 4,5 V pile rectangulaire U = 9 V Tension d une batterie de moto U = 6 V, de voiture U = 12 V. Tension d une prise de courant : U=230V 10. Mesure : Dans les applications électriques, nous cherchons à quantifier cette tension U en la mesurant. Cette mesure est effectuée avec un instrument qui porte le nom de VOLTMETRE. Il se raccorde directement aux bornes entre lesquelles on désire mesurer la tension (mise en parallèle). - Représentation d un voltmètre sur un schéma : Dans les schémas, le voltmètre se symbolise comme ceci: - Application pratique du voltmètre : Au moyen d'un voltmètre, il est possible de mesurer la tension électrique présente entre les bornes de contacts des prises électriques. En Europe, cette tension vaut 230 [V]. - soit le circuit de la figure 9: La lampe est alimentée par le générateur G. Le voltmètre mesure la tension aux bornes de la lampe aux points A et B. La tension mesurée est U AB. Figure 9 - Fléchage d une tension électrique : La tension U AB est représentée par une flèche placée à Monteur Câbleur : électricité du bâtiment 1.6 La différence de potentiel

7 de la lampe. La pointe de la flèche est sur le point A et l extrémité est sur le point B. La tension U AB est la différence de potentiels électrique entre le point A et le point B. U AB =U A -U B. La relation entre U AB ET U BA est : U AB =-U BA Figure 10 - Mesurer une tension avec un multimètre : Figure 11 Attention! : Lorsque vous utilisez un voltmètre, vous devez toujours vous poser les questions suivantes : - Réfléchir aux gestes que vous allez entreprendre. - Quel est le genre de tension U que je mesure? - Choisir la valeur la plus grande de l'échelle du voltmètre. - Interpréter la mesure - Il y a danger de mort si vous ne prenez pas de précautions! Monteur Câbleur : électricité du bâtiment 1.7 La différence de potentiel

8 RESUME du CHAPITRE Composition de la matière Nature de l'électricité Dans notre société industrielle, l'électricité est la forme d'énergie la plus utilisée; la facilité de son transport et sa transformation particulièrement aisée ont largement contribué au développement de ses applications. Bien adaptée aux impératifs de l'économie moderne, assistante docile au service des usagers, l'électricité peut néanmoins, dans certaines circonstances, compromettre la sécurité des personnes. L'électricité ne se voit pas, ne se sent pas, ne se goute pas, mais elle est présente partout!!! Mais alors, c'est quoi? Toute la matière contenue dans l Univers, qu'elle soit solide, liquide ou gazeuse, est composée d'atomes. Ces atomes sont constitués de particules électrisées (positives et négatives) et de particules neutres. L'atome est la plus petite partie de matière qui puisse entrer en combinaison chimique. L'atome se "divise" en deux parties : le noyau et les électrons. Dans le noyau, il y a les protons et les neutrons. Sur des couches extérieures se baladent les électrons. Comme nous serons bientôt des électriciens, c'est uniquement des électrons que nous nous soucions. Les neutrons et les protons passionnent les physiciens des centrales nucléaires Dans un atome, les particules électrisées ou charges électriques élémentaires, qu'elles soient positives ou négatives, ont des valeurs équivalentes. Les charges électriques positives et négatives s'attirent mutuellement Monteur Câbleur : électricité du bâtiment 1.8 La différence de potentiel

9 C'est quoi, la tension? Le générateur électrique permet aux électrons libres d'acquérir de l'énergie Et alors? En électricité, pour qu'un courant circule dans un circuit, il faut qu'il y ait une différence de pression électrique à ses extrémités, appelée différence de potentiel : c'est aussi la tension aux bornes du circuit La tension se mesure en volts : plus elle est élevée, plus l'énergie acquise par les électrons à l'intérieur du générateur est grande. A la sortie d'un générateur haute tension, l'énergie acquise par une charge libre est beaucoup plus importante que celle de la même charge issue d une génératrice basse tension ou d une génératrice très basse tension. Basse tension, ce n est pas dangereux! Pour se comprendre, les électriciens utilisent un vocabulaire qui n'est pas toujours accessible aux débutants. C'est ainsi que le terme "basse tension " couramment employé par le spécialiste ne doit pas être interprété comme une garantie de sécurité. Pour rappel la basse tension est d'une manière générale la tension comprise entre 50 et 1000V. Toutes les tensions électriques délivrées par le réseau de distribution publique sont mortelles, y compris la basse tension. Monteur Câbleur : électricité du bâtiment 1.9 La différence de potentiel