C - TENSION ELECTRIQUE

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1 C - TENSION ELECTRIQUE C - I - ENERGIE POTENTIELLE ELECTRIQUE L'énergie potentielle est une énergie qui est en réserve, qui n'a pas encore été utilisée ou dépensée pour effectuer un travail. L'énergie potentielle, comme toute autre énergie, se mesure dans le système international en joules (symbole : J). D'une façon générale, pour qu'un système "emmagasine" de l'énergie, il faut que par une action, on lui apporte cette énergie. Exemple : vant de tirer une flèche on bande un arc sinon la flèche lâchée tombe simplement. On dit donc que l'arc bandé, avant de lâcher la corde, possède de l'énergie potentielle et le travail qu'il peut ensuite effectuer est celui de lancer la flèche au loin. Pour faire ce travail, il a libéré (perdu) de l'énergie. On dit que pour l'arc, la corde tendue correspond à un état (un niveau) d'énergie potentielle et la corde détendue correspond à un état plus faible d'énergie potentielle. Les lois de la nature nous montrent que les systèmes, quels qu'ils soient, lorsqu'ils sont laissés libres d'évoluer, ont toujours tendance à évoluer naturellement vers un état (ou un niveau) d'énergie potentielle minimale. Dans le cas des charges électriques, la façon de faire varier leur énergie potentielle est de les mettre en présence les unes des autres. Si elles sont libres, elles vont alors soient se repousser, soit s'attirer selon leur signe, de façon à se positionner les unes par rapport aux autres dans un état d'énergie le plus bas possible. Ces mouvements d'attraction ou de répulsion vont donc correspondre à la recherche d'un état d'énergie potentielle minimale. L'apparition d'un courant électrique dans un conducteur est l'une des expressions de cette loi naturelle : si les charges électriques de même signe se mettent à se déplacer toutes dans un même sens, c'est parce qu'elles se dirigent vers un lieu où leur état d'énergie est plus bas et ainsi elles libèrent de l'énergie. Dans un conducteur, les charges électriques libres possèdent donc de l'énergie potentielle électrique et elles évoluent naturellement vers des états d'énergie les plus bas possibles. L'énergie potentielle électrique libérée se manifestera toujours sous forme de chaleur mais aussi selon les cas sous une autre forme : chimique, mécanique, lumineuse 1

2 C - II - POTENTIEL ELECTRIQUE On appelle potentiel électrique V d'un point d'un conducteur, l'énergie potentielle électrique E P que posséderait en ce point une charge électrique unité de 1 C. Le potentiel électrique représente une énergie électrique par quantité de charge : Une quantité de charges électriques totale Q en un point de potentiel V possède donc une énergie potentielle électrique E P telle que : E P = Q. V EP V = Q Dans le système international d'unités, l'unité de mesure des potentiels est le volt (symbole : V) qui correspond au joule par coulomb : 1 V = 1 J. C -1 Il ne peut donc y avoir circulation naturelle de charges dans un conducteur, c est-àdire de courant électrique, que s il y a une différence de potentiel entre deux extrémités de ce conducteur. On dit aussi qu'un conducteur non parcouru par un courant est en équilibre électrique. Remarque : la charge totale Q est ici considérée avec son signe, le potentiel V et l'énergie potentielle E P sont donc aussi des grandeurs algébriques positives ou négatives. Pour voir leur énergie diminuer, les charges électriques positives auront naturellement tendance à se diriger vers des potentiels de plus en plus bas. l'inverse, des charges électriques négatives auront tendance à se diriger vers des potentiels de plus en plus grands. Par contre s'il n'y a pas de courant dans un conducteur, c'est qu'en tout point de ce conducteur le potentiel est le même. Exercice d'application C - 1 Un fil de cuivre a un potentiel de V à une extrémité et de,005 V à l'autre B en étant parcouru par un courant de 50 m. Une solution d'acide sulfurique H 2 SO 4 est soumise aux mêmes conditions dans un électrolyseur. Quels sont le sens de déplacement des charges, le sens du courant et le nombre de charges en déplacement par minute? 1) 50 m correspondent à 0,05 ou 0,05 C par seconde ou C par minute. 2) Chaque charge se déplace vers une extrémité où pour elle l'énergie potentielle est la plus faible. 2

3 ) Le sens du courant est donné par le sens de déplacement des charges positives et les charges négatives se déplacent en sens inverse. V,005 V V,005 V e - I B H + I SO 4 B Pour les électrons E P = - e V > E PB = - e V B 19 n = = 1, ,6.10 Pour les ions H + E P = +e V < E PB = + e V B 19 n = = 1, ,6.10 Pour les ions SO 4 E P = - 2e V > E PB = - 2e V B 19 n = = 0, ,6.10 Il y a deux fois plus d'ions H + qui se déplacent que d'ions SO Mais il y a la même charge totale de ± C qui se déplace dans un sens ou dans l'autre. C - III - L MSSE ET L TERRE Dans l'absolu nous ne savons pas mesurer l'énergie que possède une charge électrique, nous ne savons mesurer que des variations de son énergie. nalogie : De la même façon nous ne pouvons pas définir dans l'absolu l'altitude d'un point mais uniquement sa différence de hauteur par rapport à un autre point : il n'y a pas " d'exacte altitude zéro " puisque même la surface des océans n'est pas uniforme et la terre n'est pas parfaitement ronde. Cependant nous disons que l'altitude du Mont Blanc est 4807 mètres parce que nous avons pris comme référence d'altitude le niveau de la mer sur une côte française. Et par rapport à cette altitude zéro de référence, il existe aussi des altitudes négatives qui mesurent la profondeur du sol océanique. Nous ne savons donc mesurer que des différences de potentiel électrique et lorsqu'on parle du potentiel (négatif ou positif) en un point c'est qu'un autre point à été choisi comme référence au potentiel nul. Dans le cas des appareils électriques, la référence à un potentiel nul est le potentiel auquel se trouve sa carcasse. C'est ce qu'on nomme la masse de l'appareil. La prise qui alimente ces appareils en énergie électrique permet de relier directement cette carcasse à la terre, par l'intermédiaire d'un câble conducteur enfoncé dans le sol : le fil de terre. De cette façon, il n'y a pas de différence de potentiel entre cette carcasse et le sol et s'il y en avait une à cause d'un incident, le courant circulerait par ce fil de liaison et non au travers du corps de la personne qui toucherait l'appareil.

4 C - IV - DIFFERENCE DE POTENTIEL ELECTRIQUE OU TENSION On appelle tension U B entre deux points et B la différence de potentiel entre ces deux points, avec la convention d'écriture : Cette définition permet d'écrire que : U B = V - V B U B = V B - V = - U B Exemple : les bornes d'une pile plate du commerce dite de 4,5 V sont repérables par leur dimension et la notation d'un signe + et d'un signe -. Ces signes indiquent simplement que le potentiel de la borne + est plus grand que celui de sa borne - (et non que la borne + porte des charges positives). Donc, si est sa borne + et B sa borne -, V > V B, et on en déduit que : U B = 4,5 V et U B = - 4,5 V Les appareils de mesure des tensions sont des voltmètres. C - V - CONVENTION DE REPRESENTTION SUR UN SCHEM La tension U B entre les points et B d'un schéma de circuit électrique se représente par un vecteur pointant sur et parallèle au schéma (attention, c'est le contraire en mathématiques). Le vecteur U B sera donc le vecteur de sens inverse. U B B U B C - VI - GENERTEUR Dans un circuit électrique, pour introduire une différence de potentiel et créer le passage d'un courant il est nécessaire qu'il y ait un générateur. Sans lui, il ne peut pas y avoir de circuits électriques. Les générateurs sont des sources d'électricité qui possèdent naturellement entre leurs deux bornes une tension électrique. Exemple : les piles achetées dans le commerce sont des générateurs et les réseaux de distribution électrique comme EDF relient nos habitations aux générateurs des centrales. 4

5 Pour un générateur, imposer une tension entre ses bornes de sortie c'est être capable de fournir de l'énergie. En effet, comme il a été vu précédemment, les charges électriques circulent naturellement à l'extérieur du générateur pour perdre de l'énergie, mais le générateur en contrepartie libère de nouvelles charges pour alimenter la circulation du courant et fournir ainsi de l'énergie au circuit. Exemple : soit un générateur dont la borne a un potentiel plus élevé que la borne B. Générateur B V > V B I l'extérieur du générateur; les électrons se dirigent vers la borne de plus haut potentiel et le courant I circule de vers B. Mais le générateur va libérer au fur et à mesure de nouveaux électrons et le courant y circuler donc à l'intérieur de B vers. Les générateurs fournissent de l'énergie électrique aux circuits qu'ils alimentent en entretenant un courant sortant de leur borne au potentiel le plus élevé. Exercice d'application C - 2 La dynamo d'une bicyclette est un générateur qui alimente les lampes avant et arrière. Deux fils sont issus d'une même borne de sortie de la dynamo, l un est relié à une borne de la lampe avant, l'autre à une borne de la lampe arrière. La seconde sortie du générateur est reliée au cadre de la bicyclette. Quelle borne de sortie de la dynamo est reliée au cadre? Faire le schéma de ce circuit en faisant apparaître les courants et les vecteurs tension positive. 5

6 1) Dans ce circuit, le cadre représente la masse, c'est-à-dire la référence de potentiel nul. Pour la dynamo, ce sera donc la borne de plus faible potentiel qui est reliée au cadre. 2) Pour que le circuit fonctionne, il doit être fermé, donc les lampes ont elles aussi leur deuxième borne reliée au cadre de la bicyclette. Vous pouvez faire l'application directe n 4 que vous trouverez dans le document «I - Les exercices et les corrigés» à la rubrique : Ex-E-I-C 6