L électricité et le magnétisme L électricité et les charges électriques

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1 Chapitre 5 L électricité et le magnétisme L électricité et les charges électriques PAGES 140 À 144 En théorie 1. Qu est-ce que l électricité? L électricité est l ensemble des phénomènes provoqués par les charges positives et négatives. 2. Que suis-je? Champ électrique Charge électrique Charge élémentaire Corps chargé négativement Corps chargé positivement Coulomb Électrisation Force électrique Ligne de champ électrique Loi de la conservation de la charge a) Je possède un surplus d électrons. Corps chargé négativement. b) Je consiste à créer un déséquilibre des charges dans la matière. Électrisation. c) J indique que les charges électriques ne peuvent être ni créées, ni détruites, et qu elles peuvent seulement être transférées d un corps à un autre. Loi de la conservation de la charge. d) Je permets l attraction ou la répulsion entre les charges. Force électrique. e) Je suis une propriété des protons et des électrons symbolisée par la variable «q». Charge électrique. f) Je suis la charge portée par un électron ou un proton. Charge élémentaire. g) Je possède un déficit d électrons. Corps chargé positivement. h) Je suis l unité de mesure de la charge électrique. Coulomb. Chapitre 5 111

2 i) Je corresponds à la région de l espace dans laquelle la force électrique d un corps chargé peut agir sur un autre corps chargé. Champ électrique. j) Je permets de représenter un champ électrique en montrant la direction de la force électrique. Ligne de champ électrique. 3. a) Quel type de charge porte chacune de ces particules? Une charge positive. Le proton : L électron : Une charge négative. b) Un coulomb équivaut à la charge d un certain nombre d électrons. Quelle est cette charge? Un coulomb équivaut à la charge de 6, électrons. c) À combien de coulombs la charge élémentaire équivaut-elle? La charge élémentaire équivaut à 1, C. 4. Complétez le tableau. a) Indiquez à quelle catégorie de matière correspond chacune des définitions. b) Donnez des exemples de substances associées à ces catégories. Catégories de matière : Conducteur Isolant Semi-conducteur Exemples : Air Bois Caoutchouc Carbone Céramique Métalloïdes Verre Métaux Non-métaux Papier Plastique Solutions électrolytiques Catégorie de matière Définition Exemples Isolant Substance qui ne permet pas aux charges de circuler librement Air, bois, caoutchouc, céramique, non-métaux, papier, plastique, verre. Conducteur Semiconducteur Substance qui permet aux charges de circuler librement Substance dont la conduc - tibilité peut varier selon différents facteurs Métaux, solutions électrolytiques. Métalloïdes, carbone. 112 Cahier d activités ST-

3 5. Vrai ou faux? Lorsqu un énoncé est faux, rectifiez-le. a) Deux charges électriques de signes opposés se repoussent. Faux. Deux charges électriques de signes opposés s attirent. b) Un corps chargé négativement a moins d électrons que de protons. Faux. Un corps chargé négativement a plus d électrons que de protons. c) Les charges électriques viennent des électrons et des protons qui composent les atomes. Vrai. d) Le coulomb est un multiple de la charge élémentaire. Vrai. e) La direction d une ligne de champ électrique est symbolisée par des flèches qui s éloignent des charges négatives. Faux. La direction d une ligne de champ électrique est symbolisée par des flèches qui s éloignent des charges positives. f) Plus les lignes de champ électriques sont rapprochées, plus l intensité du champ électrique est grande. Vrai. En pratique 6. Au cours d une expérience, Justine observe que deux objets qu elle a préalablement chargés se repoussent. Que peut-elle conclure à propos du signe des charges de ces deux objets? Que les deux objets sont de mêmes signes, c est à dire qu ils sont tous deux chargés positivement ou négativement. 7. Pour chacune des situations ou des illustrations suivantes, indiquez s il est question d un conducteur, d un semi-conducteur ou d un isolant. a) Une solution dans laquelle on a plongé des électrodes reliées à une pile et qui permet d allumer une ampoule. b) Le caoutchouc qui recouvre un câble électrique. Un conducteur. Un isolant. Chapitre 5 113

4 c) Un paratonnerre composé d une tige de métal et de câbles métalliques reliés à la terre. d) Un transistor installé dans un appareil électronique. e) La céramique installée sur les pylônes électriques. f) g) Un conducteur. Un semi-conducteur. Un isolant. Un isolant. Un conducteur. 8. Vous frottez un ballon contre vos cheveux. Le ballon acquiert ainsi une charge de électrons. a) À combien de coulombs la charge électrique du ballon équivaut-elle? 1 C 6, électrons q électrons q 1 C , ,4 C La charge du ballon équivaut à 6,4 C. b) Cette charge est-elle positive ou négative? Expliquez votre réponse. Cette charge est négative, car le ballon a acquis un surplus d électrons lors du frottement. 9. Les champs électriques peuvent être représentés graphiquement à l aide de lignes. Indiquez la charge électrique portée par les particules illustrées ci-dessous à l aide des signes ou. a) b) c) d) Cahier d activités ST-

5 L électricité statique PAGES 145 À 149 En théorie 1. Qu est-ce que l électricité statique? C est l ensemble des phénomènes liés aux charges électriques au repos. 2. a) Quelles sont les trois méthodes d électrisation de la matière? L électrisation par frottement, par conduction et par induction. b) Indiquez à quelle méthode d électrisation correspond chacune des situations suivantes. Indiquez ensuite la charge électrique des objets chargés en inscrivant le signe approprié ( ou ) au centre de ces objets, s il y a lieu. A. Lorsqu un objet chargé est placé à proximité d un objet non chargé, il s ensuit une séparation des charges dans l objet non chargé. Celui-ci porte alors une charge partielle positive d un côté et une charge partielle négative de l autre côté. + Avant + Après Électrisation par induction. B. Lorsque deux objets non chargés sont frottés l un contre l autre, il s ensuit un transfert d électrons d un objet vers l autre. Chaque objet porte alors des charges contraires. Avant Électrisation par Après C. Lorsqu un objet chargé entre en contact avec un objet non chargé, il s ensuit un partage des charges entre les deux objets. Chaque objet porte alors des charges semblables. ++ Avant + Après frottement. + + Électrisation par conduction. Chapitre 5 115

6 3. Les questions qui suivent portent sur l affinité de quelques substances à recevoir ou à donner des électrons. Pour y répondre, consultez le tableau ci-contre au besoin. a) Lorsqu une substance a une grande affinité à recevoir des électrons, comment a-t-elle tendance à se charger? Elle a tendance à se charger négativement. b) Parmi les substances citées dans le tableau, laquelle a la plus grande tendance à obtenir une charge positive? Le verre. Affinité Grande affinité à recevoir des électrons Grande affinité à donner des électrons Substance Plastique Or Nickel, cuivre Caoutchouc dur (ébonite) Soufre Bois, ambre jaune, résine Coton Papier Soie Plomb Laine Verre 4. a) Qu est-ce que la loi de Coulomb? La loi de Coulomb établit que 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. b) La formule ci-après représente la loi de Coulomb et permet de calculer l intensité de la force électrique entre deux objets au repos. Indiquez la signification des symboles cités dans le tableau et précisez l unité de mesure de chacun. F é kq 1 q 2 r 2 Symbole Signification du symbole Unité de mesure (et son symbole) F é Force électrique Newton (N) q 1 q 2 r Charge de la première particule Charge de la seconde particule Distance entre les deux particules Coulomb (C) Coulomb (C) Mètre (m) c) Que représente le symbole «k» dans cette formule et à quoi équivaut-il? Il représente la constante de Coulomb et s exprime ainsi : Nm 2 /C Cahier d activités ST-

7 En pratique 5. À quelle méthode d électrisation chacune des situations suivantes correspond-elle? a) Par temps sec, lorsqu on approche la main d un chat, le poil de ce dernier se dresse en direction de la main. b) Un éclair frappe un paratonnerre. c) Après avoir nettoyé un bijou en or avec un chiffon sec, on constate que les deux objets sont chargés. L induction. La conduction. Le frottement. 6. Pourquoi reçoit-on parfois une décharge électrique lorsqu on touche un objet métallique après avoir marché sur un tapis? Exemple de réponse. Lorsqu on marche sur un tapis, on électrise notre corps par frottement. Lorsqu un objet chargé (dans ce cas, notre corps) entre en contact avec un conducteur (par exemple, un objet métallique), il se produit une décharge électrique, ce qui permet aux électrons de traverser l air et à l objet chargé de redevenir neutre. 7. Pourquoi un objet chargé peut-il attirer un objet neutre? Parce qu un objet chargé cherche à redevenir neutre et qu il peut le faire en partageant ses charges soit avec un objet neutre, soit avec un objet portant des charges de signes contraires. 8. Jamil frotte une poignée de porte en cuivre avec un chiffon en coton. Quelle sera la charge de la poignée de porte? Expliquez votre réponse. La poignée aura une charge négative, puisque le cuivre a une plus grande affinité à recevoir des électrons que le coton. 9. Indiquez si chacune des situations suivantes correspond à une augmentation ou à une diminution de la force électrique. Situation La charge d une des deux particules passe de 20 C à 50 C. La charge de chacune des particules est réduite de 20%. Augmentation ou diminution Augmentation Diminution On éloigne les deux particules l une de l autre. Diminution Chapitre 5 117

8 10. Un élève place à 3 cm l un de l autre deux objets portant chacun une charge positive de C. a) Calculez l intensité de la force électrique exercée par ces deux objets. kq 1 q 2 9 F é 109 Nm2 /C C C 4,9 N r 2 (0,03 m) 2 La force électrique est de 4,9 N. b) S agit-il d une force d attraction ou d une force de répulsion? Expliquez votre réponse. Il s agit d une force de répulsion, puisque les deux objets portent une charge positive. 11. Deux objets de charges opposées sont placés à 12 cm l un de l autre. L un des objets porte une charge de 1, C, alors que l intensité de la force électrique exercée par les deux objets est de 3 N. a) Calculez la charge électrique du second objet. F é q 2 kq, donc q 2 F é r2 1 q 2 r 2 kq 1 3 N (0,12 m) 2 3, C Nm 2 1, C La charge électrique du second objet est de 3, C. b) S agit-il d une force d attraction ou d une force de répulsion? Expliquez votre réponse. Il s agit d une force d attraction, puisque les deux objets sont de charges opposées. 12. Calculez la distance entre deux objets de charge identique de 1, C et dont l intensité de la force électrique est de 3 N. kq 1 q 2 kq F é, donc r 2 1 q 2 r 2 F é r Nm 2 /C 2 1, C 1, C 58,8 m 2 3 N r 58,8 m 2 7,67 m La distance entre les objets est de 7,67 m. 118 Cahier d activités ST-

9 Le courant électrique et la puissance électrique En théorie 1. a) Qu est-ce que l électricité dynamique? C est l ensemble des phénomènes liés aux charges électriques en mouvement. PAGES 150 À 156 b) Qu est-ce que le courant électrique? C est le déplacement ordonné des charges négatives portées par les électrons. 2. Le tableau suivant présente les caractéristiques du courant électrique. Complétez-le. Caractéristique (symbole) Définition Unité de mesure (symbole) Équivalence Capacité d un matériau à Résistance (R) s opposer au passage du Ohm () 1 1 V courant électrique 1 A Quantité de travail que peut Puissance électrique (P é ) accomplir un appareil Watt (W) 1 W 1 V électrique par seconde 1 s Quantité d énergie transférée Différence de potentiel (U) entre deux points d un circuit Volt (V) 1 V 1 J électrique 1 C Nombre de charges qui Intensité du courant (I) circulent en un point d un Ampère (A) 1 A 1 C circuit électrique par seconde 1 s 3. L ampèremètre sert à mesurer l intensité et le voltmètre, la différence de potentiel. a) Expliquez brièvement comment chacun des appareils fonctionne. L ampèremètre compte le nombre de charges qui circulent en un point donné d un circuit pendant une seconde, tandis que le voltmètre détermine la quantité d énergie transférée à un élément du circuit par chacune des charges. Chapitre 5 119

10 b) Complétez l illustration en identifiant l ampèremètre et le voltmètre à l aide de «A» ou «V», et en indiquant le sens conventionnel du courant à l aide d une flèche. 4. a) Qu est-ce que la loi d Ohm? La loi d Ohm établit que, pour une résistance donnée, la différence de potentiel dans un circuit électrique est directement proportionnelle à l intensité du courant. b) Quatre facteurs influent sur la résistance d un élément ou d un fil au passage du courant. Nommez-les. La nature de la substance, la longueur, le diamètre et la température. c) La formule suivante représente la loi d Ohm. Donnez la signification de chaque symbole de la formule ainsi que l unité de mesure correspondante. U RI Symbole U Signification du symbole Différence de potentiel Unité de mesure (et son symbole) Volt (V) R Résistance Ohm () I Intensité du courant Ampère (A) 5. Les formules suivantes représentent différentes façons de calculer les valeurs des caractéristiques du courant électrique. Indiquez la signification des symboles de chaque formule et les unités de mesure correspondantes. a) I q Δt Symbole I Signification du symbole Intensité du courant Unité de mesure (et son symbole) Ampère (A) q Charge Coulomb (C) Δt Intervalle de temps Seconde (s) 120 Cahier d activités ST-

11 b) U E q Symbole U E Signification du symbole Différence de potentiel Énergie transférée Unité de mesure (et son symbole) Volt (V) Joule (J) q Charge Coulomb (C) c) P é W Δt Symbole Signification du symbole Unité de mesure (et son symbole) P é Puissance électrique Watt (W) W Travail Joule (J) Δt Temps requis Seconde (s) d) P é UI Symbole Signification du symbole Unité de mesure (et son symbole) P é Puissance électrique Watt (W) U Différence de potentiel Volt (V) I Intensité du courant Ampère (A) e) E P é Δt Symbole E Signification du symbole Énergie consommée Unité de mesure (et son symbole) Joule (J) P é Puissance électrique Watt (W) Δt Intervalle de temps Seconde (s) Chapitre 5 121

12 En pratique 6. Les formules présentées précédemment permettent de calculer la valeur d une caractéristique du courant électrique, comme la différence de potentiel (U), de différentes façons. Exemple: U RI E q P é I Indiquez différentes façons d utiliser les formules abordées aux questions 4 et 5 pour calculer la valeur des caractéristiques suivantes. a) L intensité du courant (I). c) La charge électrique (q). U P I é q q I Δt R U Δt E U b) La puissance électrique (P é ). d) L énergie transférée (E) ou le travail (W). W E P é UI E ou W Uq Δt Δt P é Δt 7. Vrai ou faux? Lorsqu un énoncé est faux, rectifiez-le. a) Plus un fil est court, moins il offre de résistance au passage du courant électrique. Vrai. b) Plus un fil est d un grand diamètre, plus il offre de résistance au passage du courant. Faux. Plus un élément ou un fil est d un grand diamètre, moins il offre de résistance au passage du courant. 8. Un appareil nécessite une charge de 1800 C pour fonctionner pendant 3 min. Quelle est l intensité du courant requise pour le faire fonctionner? 3 min 180 s I q 1800 C 10 A t 180 s L intensité de courant requise est de 10 A. 9. Une cuisinière électrique exige une différence de potentiel de 220 V. Quelle est la charge nécessaire pour qu elle fournisse J d énergie? q E J 2045 C U 220 V Une charge de 2045 C est nécessaire. 122 Cahier d activités ST-

13 10. Un outil fonctionne avec un courant de 20 A et une différence de potentiel de 120 V. a) Quelle est la résistance électrique de cet outil? R U 120 V 6 I 20 A La résistance électrique de cet outil est de 6. b) Quelle est la puissance électrique de cet outil? P é UI 120 V 20 A 2400 W La puissance électrique de cet outil est de 2400 W. 11. Un récepteur radio a besoin d un courant de 6 A pour fonctionner. Quelle est la charge nécessaire pour le faire fonctionner pendant 10 min? 10 min 600 s q I t 6 A 600 s 3600 C Une charge de 3600 C est nécessaire. 12. Quelle quantité d énergie peut fournir une charge de 350 C dans un circuit de 120 V? E U q 120 V 350 C J Une telle charge peut fournir J d énergie. 13. Un grille-pain a une puissance électrique de 970 W. Quelle quantité d énergie cela représente-t-il pour une utilisation de deux minutes et demie? 2,5 min 150 s E P é t 970 W 150 s J En deux minutes et demie, le grille-pain utilise J d énergie. 14. Une facture d électricité indique une consommation de 1320 kwh en 70 jours. Calculez la puissance électrique correspondante. 70 j 1680 h E 1320 kwh P é 0,79 kw 790 W t 1680 h La puissance électrique correspondante est de 790 W. Chapitre 5 123

14 Les circuits électriques PAGES 156 À 163 En théorie 1. a) Qu est-ce qu un circuit électrique? C est un montage qui permet à des charges électriques de circuler en boucle, c est-à-dire de se maintenir en mouvement. s b) Tous les circuits électriques possèdent au moins les trois composantes électriques nommées ci-dessous. Décrivez le rôle de chacune. Composante Une source d énergie électrique Rôle dans les circuits électriques Créer une différence de potentiel dans le circuit. Un ou des éléments offrant une résistance électrique (ampoule, élément chauffant, etc.) Utiliser l énergie électrique. Des fils conducteurs Permettre aux charges de circuler de la source aux éléments et des éléments à la source. 2. À quel type de circuit correspond chacune des définitions ou des illustrations suivantes. a) Circuit dans lequel les éléments sont c) Circuit qui comporte au moins un branchés les uns à la suite des autres. embranchement. Circuit en série. b) d) Circuit en parallèle. Circuit en parallèle. Circuit en série. 124 Cahier d activités ST-

15 3. Les lois de Kirchhoff et la loi d Ohm permettent d expliquer comment varient certaines caractéristiques du courant électrique selon le type de circuit. Complétez le tableau à l aide des termes suivants. Première loi de Kirchhoff Seconde loi de Kirchhoff Circuit en parallèle Circuit en série Différence de potentiel Intensité du courant Lois d Ohm et de Kirchhoff Résistance équivalente Lois Caractéristique Circuit en série Circuit en parallèle Première loi de Kirchhoff Intensité du courant I total I 1 I 2 I 3 I total I 1 I 2 I 3 Seconde loi de Kirchhoff Différence de potentiel U total U 1 U 2 U 3 U total U 1 U 2 U 3 Lois d Ohm et de Kirchhoff Résistance équivalente R éq R 1 R 2 R 3 R éq R 1 R 2 R 3 En pratique 4. À quelle composante d un circuit électrique chacun des éléments suivants correspond-il? a) Le cordon d alimentation d un grille-pain. Un fil conducteur. b) Trois ampoules allumées. Un ou des éléments offrant une résistance électrique. c) Une génératrice ou une dynamo. Une source d énergie électrique. 5. Indiquez si chacune des situations suivantes correspond à un circuit en série (S) ou à un circuit en parallèle (P). A. Lorsqu une ampoule de ce circuit brûle, le courant cesse de circuler. B. L effet de chaque résistance est partagé entre les différents chemins de ce circuit. C. L intensité lumineuse de toutes les ampoules baisse chaque fois qu on ajoute une nouvelle ampoule dans ce circuit. D. La défectuosité d un des éléments de ce circuit n empêche pas nécessairement le courant de circuler. S P S P Chapitre 5 125

16 6. Dessinez le schéma de ces circuits électriques. Pour répondre à certaines des questions qui suivent, vous aurez besoin de consulter la Boîte à outils. a) Une pile qui alimente deux ampoules b) Une pile qui alimente deux ampoules branchées en série, ainsi qu un voltmètre. branchées en parallèle, ainsi qu un ampèremètre. Exemple de réponse. Exemple de réponse. V A 7. a) Quel rôle les disjoncteurs jouent-ils dans les circuits en parallèle? Les disjoncteurs permettent de protéger les circuits et d éviter les surcharges qui peuvent être provoquées par une augmentation de la demande de courant à travers les différentes ampoules, prises et appareils. b) De quelle façon un disjoncteur doit-il être branché? Il doit être branché en série. 8. Voici les schémas de deux circuits électriques. A. B. 12 A 2 V U 2 I 2 3 V U 1 12 A I 3 I 1 a) Quelle est l intensité totale du courant dans chacun de ces circuits? 12 A U 3 2 V I 1 3 A U 1 5 V I 2 3 A I 3 U 2 5 V 3 A U 3 5 V Circuit A : I tot I 1 I 2 I 3 12 A L intensité totale du courant dans ce circuit est de 12 A. 126 Cahier d activités ST-

17 Circuit B : I tot I 1 I 2 I 3 3 A 3 A 3 A 9 A L intensité totale du courant dans ce circuit est de 9 A. b) Quelle est la différence de potentiel totale dans chacun de ces circuits? Circuit A : U tot U 1 U 2 U 3 3 V 2 V 2 V 7 V La différence de potentiel totale dans ce circuit est de 7 V. Circuit B : U tot U 1 U 2 U 3 5 V La différence de potentiel totale dans ce circuit est de 5 V. 9. Dans chacun des circuits suivants, calculez la résistance équivalente. 8 V a) U 1 8 A 8 A I 2 R 1 I 1 4 V U 2 R 2 I 3 R 3 8 A U 3 6 V U 1 8V R 1 1 8A I 1 U 2 4V R 2 0,5 8A I 2 U 3 6V R 3 0,75 8A I 3 R éq R 1 R 2 R 3 1 0,5 0,75 2,25 Elle est de 2,25. b) 1 A 1 A I 3 I 1 2 A I 2 6 V 6 V 6 V U 3 U 2 U 1 U 1 6V R A I 1 U 2 6V R A I 2 U 3 R 3 6V 6 I 3 1 A R éq 1 1,5 6V 6V 6V Elle est de 1,5. Chapitre 5 127

18 10. Complétez les données du schéma suivant. 3 V 3 V U 3 3 V U 2 3 V U 1 U 4 1 A I 4 2 A I 3 I 2 2 A 3 A I 1 I tot = 8 A U tot = 3 V 11. En atelier, vous devez monter deux circuits électriques à l aide des renseignements fournis dans les schémas électriques présentés ci-après. Avant de commencer, vous voulez vous assurer que les fils conducteurs dont vous disposez ne s échaufferont pas en raison de l intensité du courant électrique qui passera dans ces circuits. Sachant que chaque circuit possède une source d énergie de 60 V et des ampoules dont la résistance est de 120, calculez et indiquez l intensité du courant qui serait mesurée par chacun des ampèremètres disposés dans ces circuits. Précisez ensuite l intensité maximale de courant de chaque circuit. a) 0,17 A I 2 R 1 0,17 A I 1 R 2 I 3 0,17 A R 3 I 4 0,17 A Les trois ampoules sont branchées en série. L intensité du courant électrique est donc la même à tous les points du circuit. R éq R 1 R 2 R U tot R tot 60 V I tot 0,17 A 360 L intensité maximale de courant dans ce circuit est de 0,17 A. 128 Cahier d activités ST-

19 b) 1,5 A I 1 R 1 1,0 A 0,5 A I 2 I 3 R 2 R 3 I 4 1,5 A Dans ce montage, l ampèremètre I 1 et l ampèremètre I 4 mesurent en fait l intensité totale du courant dans le circuit. 1 1 R éq R 1 R 2 R I tot U tot R éq 60 V 1,5 A I tot I 1 I 4 Pour trouver I 2, il faut recourir à la première loi de Kirchhoff. L intensité du courant qui entre dans le nœud qui précède I 2 est de 1,5 A. L intensité du courant qui passe dans la première boucle est : I Utot 60 V 0,5 A R Le courant qui passe dans l ampèremètre I 2 est donc : 1,5 A 0,5 A 1,0 A. L intensité du courant dans l ampèremètre I 3 équivaut à celle de la troisième boucle. Autrement dit : I 3 Utot 60 V 0,5 A R L intensité maximale de courant dans ce circuit est de 1,5 A. 12. Quel type de branchement permettrait de réduire la résistance équivalente d un circuit électrique? Un branchement en parallèle le permettrait. En effet, comme l intensité du courant serait partagée entre les branches du circuit, il s ensuivrait une diminution de la résistance globale du circuit. Chapitre 5 129

20 13. Pour chacun des circuits suivants, calculez, puis inscrivez les valeurs manquantes. 0,5 V a) 0,05 A U 3 0,05 A I 3 R 3 10 R 2 8 I 4 1,5 V U t R 1 12 I 1 0,05 A U 1 0,6 V I 2 U 2 0,4 V 0,05 A R éq R 1 R 2 R U 7,5 V I 2 0,75 A 10 R 2 I tot I 1 I 2 I 3 I 4 U 1 R 1 I tot 12 0,05 A 0,6 V U 2 R 2 I tot 8 0,05 A 0,4 V U 3 R 3 I tot 10 0,05 A 0,5 V b) I 1 1,875 A 0,75 A 0,375 A I 2 I 3 7,5 V U t R 1 4 U 1 7,5 V R 2 10 U 2 7,5 V R 3 20 U 3 7,5 V I t 3,0 A R éq U tot R éq I tot 2,5 3,0 A 7,5 V U tot U 1 U 2 U 3 U 7,5 V I 1 1,875 A R 1 4 U 7,5 V I 2 0,75 A R 2 10 U 7,5 V I 3 1,375 A 20 R 3 1 R , R 2 R Cahier d activités ST-

21 Le magnétisme et l électromagnétisme En théorie 1. Que suis-je? Champ magnétique Électromagnétisme Force magnétique Magnétisme Ligne de champ magnétique PAGES 163 À 171 a) Je corresponds à la région de l espace dans laquelle la force magnétique d un aimant peut agir sur un autre aimant. b) Je suis l ensemble des phénomènes résultant de l interaction entre l électricité et le magnétisme. c) Je permets l attraction ou la répulsion entre les aimants. d) Je suis l ensemble des phénomènes provoqués par les aimants. e) Je permets de représenter un champ magnétique en montrant la direction de la force magnétique. Champ magnétique. Électromagnétisme. Force magnétique. Magnétisme. Ligne de champ magnétique. 2. Complétez les phrases à l aide des termes suivants. Aimant Aimant permanent Aimant temporaire Rémanence magnétique Substance ferromagnétique Solénoïde Électroaimant a) Les substances ferromagnétiques peuvent devenir des aimants lorsqu on les soumet à un champ magnétique. b) Les substances faciles à magnétiser sont des aimants temporaires et ont une faible rémanence magnétique. c) Les substances difficiles à magnétiser sont des aimants permanents et ont une forte rémanence magnétique. d) Un solénoïde est constitué d un fil conducteur enroulé en plusieurs boucles et parcouru par un courant électrique. e) Lorsqu on insère un noyau fait avec une substance ferromagnétique dans un solénoïde, on crée un électroaimant. Chapitre 5 131

22 3. La règle de la main droite permet de déterminer la direction des lignes de champ magnétique générées par un courant circulant dans un fil conducteur ou dans un solénoïde. a) Dans l illustration suivante, indiquez le sens conventionnel du courant à l aide des signes ou. Indiquez aussi la direction des lignes de champ en leur ajoutant des pointes de flèche. b) Dans l illustration suivante, montrez la direction du champ magnétique en indiquant les pôles nord (N) et sud (S). Précisez aussi le sens conventionnel du courant à l aide des signes ou. N S Vrai ou faux? Lorsqu un énoncé est faux, corrigez-le. a) Deux pôles magnétiques contraires se repoussent. Faux. Deux pôles magnétiques contraires s attirent. b) Il est possible de créer et de faire disparaître à volonté un champ magnétique produit par un courant électrique. Vrai. c) Il est possible de fabriquer des aimants artificiels en caoutchouc. Faux. Les aimants artificiels peuvent être fabriqués uniquement à partir de substances ferromagnétiques. d) Plus les lignes de champ magnétique sont rapprochées et près des pôles, plus le champ magnétique est de faible intensité. Faux. Plus les lignes de champ magnétique sont rapprochées et près des pôles, plus le champ magnétique est de forte intensité. e) On peut accroître la puissance d un électroaimant en augmentant l intensité du courant, en utilisant un noyau de plus faible rémanence magnétique ou en diminuant le nombre de boucles du solénoïde. Faux. La troisième façon d augmenter la puissance d un électroaimant est incorrecte : il faut en fait augmenter le nombre de boucles du solénoïde. 132 Cahier d activités ST-

23 En pratique 5. Si l on permet à un aimant droit de pivoter librement, par exemple en le suspendant à un fil de soie, comment se comportera-t-il? Le pôle nord de l aimant s orientera vers le pôle magnétique de la Terre (situé près du pôle Nord géographique de la Terre). 6. Jasmine approche un aimant d une boîte de trombones, ce qui a pour effet de les magnétiser. Les trombones adhèrent alors les uns aux autres et il est facile de les soulever. a) Complétez l illustration en indiquant le type d aimant en jeu. b) Pourquoi les trombones peuvent-ils être magnétisés par l aimant? Ils peuvent être magnétisés parce qu ils sont faits d une substance ferromagnétique. Aimant permanent Aimant temporaire Aimant temporaire 7. Complétez les illustrations suivantes en dessinant les lignes de champ magnétique. a) b) c) 8. Dans les illustrations suivantes, montrez la direction du champ magnétique, ainsi que les pôles nord et sud. a) b) S N S N Chapitre 5 133

24 DÉFI DÉFI Un jet d eau qui défie la gravité Saviez-vous qu un jet d eau peut être dévié par la puissance d une règle? 1. Maude frotte une règle en plastique 2. Elle fait couler un mince filet d eau du robinet sur un morceau de tissu en laine. et y approche la règle, sans toucher l eau : le jet d eau est dévié! 3. Maude touche l eau avec la règle et tente à nouveau l expérience: le jet d eau n est plus dévié. Utilisez les connaissances que vous avez acquises au chapitre 5 pour expliquer comment une règle en plastique peut faire dévier un jet d eau. Avant le frottement, la règle et la laine étaient électriquement neutres. Cependant, lorsqu on frotte la règle avec la laine, il y a électrisation par frottement. La règle en plastique a une plus grande affinité à recevoir les électrons que la laine, elle se charge donc négativement. La laine a une plus faible affinité à recevoir les électrons, elle se charge donc positivement. L eau possède une certaine polarité électrique, c est-à-dire que ses atomes d hydrogène portent une charge partiellement positive et que ses atomes d oxygène portent une charge partiellement négative. Dans cette expérience, les atomes d hydrogène (+) de la molécule d eau sont attirés par les charges négatives ( ) de la règle, faisant ainsi dévier le jet d eau. Lorsqu on mouille la règle, elle redevient neutre et elle ne peut plus attirer le jet d eau. 134 Cahier d activités ST-

25 Bilan du chapitre 5 1. Pour chacune des situations suivantes, indiquez s il est question d un conducteur (C), d un semi-conducteur (SC) ou d un isolant (I). a) L embout fileté d une ampoule incandescente. b) La gaine extérieure d un fil conducteur. c) Les extrémités d une pile. d) Le corps d une puce électronique ou d un transistor. e) Le boîtier d un téléviseur. 2. Un bijou en or reçoit électrons après avoir été frotté avec un chiffon. C I C SC I BILAN a) Quelle est la charge de ce bijou en coulombs? 1 C 6, électrons? C électrons 1 C e 6, e 6,4 C La charge du bijou est de 6,4 C. b) Cette charge est-elle positive ou négative? Expliquez votre réponse. Cette charge est négative, car le bijou a gagné des électrons. 3. Pourquoi le nombre de charges positives créées est-il toujours égal au nombre de charges négatives créées lors de l électrisation de la matière? C est une conséquence de la loi de la conservation de la charge. La charge globale reste toujours neutre. 4. L illustration suivante représente le champ électrique produit par deux plaques parallèles chargées. Indiquez la charge électrique portée par chacune des plaques en inscrivant le ou les signes appropriés ( ou ) Chapitre 5 135

26 BILAN 5. Vrai ou faux? Lorsqu un énoncé est faux, corrigez-le. a) Lorsqu un objet chargé partage sa charge avec un objet non chargé, on parle d électrisation par frottement. Faux. Il s agit plutôt d électrisation par conduction. b) Un électroscope dont les feuilles sont écartées n est pas nécessairement chargé. Faux. Si les feuilles de l électroscope sont écartées, c est que l appareil est chargé. 6. Deux objets chargés sont placés à 15 cm l un de l autre. Le premier objet porte une charge positive de C, alors que le second objet porte une charge négative de C. a) Calculez l intensité de la force électrique exercée par ces deux objets. kq 1 q 2 9 F é 109 Nm2 /C C C 40 N r 2 (0,15 m) 2 L intensité de la force électrique est de 40 N. b) S agit-il d une force d attraction ou de répulsion? Expliquez votre réponse. Il s agit d une force d attraction, car les deux objets portent des charges contraires. 7. Dans les situations suivantes, est-il question d électricité statique (S) ou d électricité dynamique (D)? a) Le circuit électrique d une maison achemine le courant dans toutes les pièces. b) Un éclair se forme pendant un orage. c) Un objet de plastique frotté contre un tapis devient chargé. d) Un appareil photo numérique permet de capter de nombreuses images. D S S D e) L influx nerveux achemine l information perçue par nos sens au cerveau. 8. Les éléments du four d une cuisinière dans un circuit électrique de 220 V sont traversés par un courant de 20 A. a) Quelle sera la charge nécessaire pour faire fonctionner ces éléments pendant 15 min? 15 min 900 s q I Δt 20 A 900 s C D La charge nécessaire sera de C. 136 Cahier d activités ST-

27 b) Quelle est la résistance des éléments du four de la cuisinière? R U 220 V 11 I 20 A La résistance des éléments est de 11. c) Quelle est la quantité d énergie électrique utilisée par les éléments pendant 15 min? U 220 V q C E U, d où E Uq 220 V C J q Après 15 min, le four aura utilisé J. BILAN d) Combien de kwh consommerait le four de cette cuisinière s il fonctionnait pendant 60 min? P é UI 220 V 20 A 4400 W ou 4,4 kw 60 min 1 h E PΔt 4,4 kw 1h 4,4 kwh Le four consommerait 4,4 kwh. 9. a) Quelle quantité d énergie une charge de 15 C fournit-elle dans un circuit où il y a une différence de potentiel de 3 V? E Uq 3 V 15 C 45 J Cette charge fournit 45 J d énergie. b) Si ce circuit comporte une résistance de 100 Ω, quelle est l intensité du courant qui y circule? I U 3 V 0,03 A R 100 L intensité du courant dans ce circuit est de 0,03 A. c) Quelle quantité d énergie est consommée par ce circuit pendant 30 min? P é UI 3 V 0,03 A 0,09 W E P é Δt 0,09 W s 162 J La quantité d énergie consommée pendant 30 min est de 162 J. Chapitre 5 137

28 BILAN 10. Indiquez si chacune des situations suivantes correspond à un circuit en série (S) ou à un circuit en parallèle (P). a) Lorsqu on enlève l une des ampoules d un circuit d éclairage de lumières de Noël, toutes les lumières de ce circuit s éteignent. b) Lorsque l une des ampoules de ce circuit grille et cesse de fonctionner, les autres ampoules demeurent allumées. 11. Dessinez le schéma d un circuit électrique qui contient une ampoule et une prise de courant branchées en série, ainsi que deux autres ampoules, chacune d elles branchée en parallèle. S P Exemple de réponse. 12. Voici le schéma d un circuit électrique. U 1 a) Quelle est la différence de potentiel mesurée par chacun des voltmètres? I 1 R 1 = 0,4 I 2 15 A U 1 R 1 I 1 0,4 W 15 A 6 V U 2 R 2 I 2 0,2 W 15 A 3 V U 3 R 1 I 1 0,6 W 15 A 9 V R 2 = 0,2 U 2 R 3 = 0,6 I 3 U 3 b) Quelle est la différence de potentiel totale du circuit? U tot U 1 U 2 U 3 6V 3 V 9 V 18 V La différence de potentiel totale du circuit est de 18 V. c) Calculez la puissance électrique de ce circuit. P UI 18 V 15 A 270 W La puissance du circuit est de 270 W. d) Calculez la résistance équivalente de ce circuit. R éq R 1 R 2 R 3 0,4 0,2 0,6 1,2 La résistance équivalente du circuit est de 1, Cahier d activités ST-

29 13. Voici le schéma d un circuit électrique. a) Quelle est l intensité du courant mesurée par chacun des ampèremètres? U 1 I 1 12 V 4 A R 1 3 I 2 U 2 12 V 3 A R 2 4 I 3 U 3 12 V 6 A 2 R 3 b) Quelle est l intensité totale du circuit? I 1 I 2 I 3 12 V U 1 R 1 = 3 U 2 12 V R 2 = 4 U 3 12 V R 3 = 2 BILAN I tot l 1 l 2 l 3 4 A 3A 6A 13 A L intensité totale du courant du circuit est de 13 A. c) Calculez la puissance électrique de ce circuit. P UI 12 V 13 A 156 W La puissance du circuit est de 156 W. d) Calculez la résistance équivalente du circuit. R éq 1 R R 2 R 3 0, La résistance équivalente du circuit est de 0, Au cours d une expérience de laboratoire, on laisse une cuillère d acier inoxydable en contact avec un petit électroaimant pendant 12 heures. Lorsqu on sépare les deux objets, on observe que la cuillère peut attirer de petits objets métalliques, comme des punaises ou des trombones. Deux jours plus tard, on laisse tomber la cuillère par terre. On constate alors qu elle ne peut plus attirer de petits objets métalliques. Expliquez les changements de propriétés magnétiques de la cuillère. Pendant qu elle était en contact avec l électroaimant, la cuillère a été magnétisée parce que l acier inoxydable est une substance ferromagnétique. Comme la rémanence magnétique de l acier est assez forte, la cuillère est restée magnétisée et elle s est alors comportée comme un aimant. Toutefois, lorsqu elle est tombée par terre, elle s est démagnétisée : à cause du choc, ses domaines magnétiques ont été désorientés. Chapitre 5 139

30 BILAN 15. Certaines des illustrations qui suivent ne respectent pas les conventions qui permettent de représenter la direction du champ magnétique, les pôles magnétiques ou encore le sens conventionnel du courant électrique. Indiquez si chacune des illustrations est conforme ou non à ces conventions. Expliquez ce qu il faudrait corriger, selon le cas. a) Conforme Non conforme Explication: Il faudrait inverser le sens des flèches des lignes de champ ou inverser les noms des pôles. b) Conforme Non conforme Explication: Il faudrait redessiner les lignes de champ ou encore remplacer le pôle S de gauche par un pôle N, ou vice et versa. c) Conforme Non conforme Explication: d) Conforme Non conforme Explication: Il faudrait inverser le sens des flèches des lignes de champ. e) Conforme Non conforme Explication: 140 Cahier d activités ST-