!!! atome = électriquement neutre. Science et technologie de l'environnement CHAPITRE 5 ÉLECTRICITÉ ET MAGNÉTISME

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1 1 DÉFINITION DE L ÉLECTRICITÉ ET DE LA CHARGE ÉLECTRIQUE 2 LES FORCES D ATTRACTION ET DE RÉPULSION L électricité c est l ensemble des phénomènes provoqués par les charges positives et négatives qui existe dans l atome. Science et technologie de l'environnement ÉLECTRICITÉ ET MAGNÉTISME atome = électriquement neutre 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. 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 ( - ) 1

2 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 2

3 4 L ÉLECTRICITÉ STATIQUE (ou DE FROTTEMENT) L'électrostatique s'intéresse aux charges aux repos et aux forces qui s'exercent entre elles. 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 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. Notre corps est conducteur (eau et électrolytes, entre autres) et permet aux charges de s'écouler vers la poignée, aussi conductrice. 3

4 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. 4

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 électrons (ou protons) F = force électrique (N) K = constante de Coulomb 9 x 10 9 Nm 2 / C 2 q1 = charge de la particule 1 (Coulomb) q2 = charge de la particule 2 (Coulomb) r 2 = 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? 5

6 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) 6

7 7 LA SÉRIE ÉLECTROSTATIQUE Exemples de situation: Soufre Caoutchouc Polyéthylène ébonite Paraffine Soie Coton Laine Nylon Verre Vous frottez un ballon sur un bas en laine, que se passe-t-il? Tendance croissante à perdre des électrons Tendance croissante à gagner des électrons 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?? 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 7

8 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 fils conducteur qui se croisent sans se toucher fils conducteur qui se croisent et se touchent (noeud) source (pile) source (polarité) interrupteurs ouverts moteur électrique appareil de consommation (ampoule, etc ) voltmètre ampèremètre 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 8

9 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 Les 3 types de circuit électrique? Circuit Mixte Circuit comportant des éléments dont certains sont branchés en série et d autres en dérivation. en série en parallèle mixte 9

10 Propriétés du circuit électrique en série??? Finalement, si on retire un élément? Adapté de: 10

11 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 )? 11

12 ???? Adapté de: 12

13 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 13

14 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 14

15 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. L intensité se mesure en ampère: I = q / t 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 Symbole de l intensité: I Symbole de l ampère: A Symbole de la différence de potentiel: U Symbole du volt: V Symbole de la résistance: R Symbole du ohm: Ω 15

16 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 16

17 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 17

18 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. 18

19 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) QUI ENTRE DANS UN ÉLÉMENT = I (nombre de charges) QUI SORT DE L ÉLÉMENT CIRCUITS EN SÉRIE R é = R1 + R2 + R I t = I1 = I2 = I3 =... U t = U1 + U2 + U A V LA LOI D OHM LA DDP (U) EST PROPORTIONNELLE À I POUR UNE RÉSISTANCE DONNÉE (R) U = R I LA DEUXIÈME LOI U (énergie totale) QUI ENTRE PAR LA SOURCE = U (énergie totale) QUI EST TRANSFÉRÉE DANS LE CIRCUIT CIRCUITS EN PARALLÈLE R é = R1 + R2 + R I t = I1 + I2 + I3 =... U t = U1 = U2 = U3 =

20 V A 20

21 10 LE MAGNÉTISME ET L ÉLECTROMAGNÉTISME 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. Un aimant est un corps qui peut attirer d autres corps renfermant du fer, du cobalt ou du nickel. Le magnétisme est l ensemble de phénomènes liés aux aimants. DOMAINE non aimanté aimanté 21

22 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. 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. 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. Ce qui les distingue, c est la rémanence magnétique: certains matériaux conservent plus ou moins longtemps leurs propriétés magnétiques. 22

23 L électromagnétisme C est l interaction entre l électricité et le magnétisme Le champ magnétique autour d un fil droit FIL LE POUCE POINTE EN DIRECTION DU COURANT DANS LE FIL 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. LES DOIGTS SE PLIENT ET DONNENT LE SENS DU CHAMP MAGNÉTIQUE MAIN DROITE LA PREMIÈRE RÈGLE DE LA MAIN DROITE SOLÉNOÌDE RÈGLE DE LA MAIN DROITE #1 CHAMP MAGNÉTIQUE 23

24 Le champ magnétique avec un solénoïde LA DEUXIÈME RÈGLE DE LA MAIN DROITE RÈGLE DE LA MAIN DROITE #2 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 24

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