Khachaturov Arthur. Les différentes formes d'électricité

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1 Khachaturov Arthur 6eB Les différentes formes d'électricité Sacré-Coeur de Jette

2 Je tiens tout d'abord à remercier mon promoteur qui m'aida à réaliser ce travail à travers ses conseils ainsi que Mme Laloux qui répondit de façon précise à mes questions sans compter mes parents et le reste de ma famille qui me soutinrent tout au long.

3 Table des matières Introduction p 2 Chapitre 1 : Les différentes sources d'électricité p 3 Chapitre 2 : Les différentes formes d'électricité p 5 1) L'électricité au sens général p 5 1.1) Histoire et découverte p 5 1.2) Utilisation p 7 2) L'électrostatique p ) Histoire et découverte p ) Utilisation p 13 3) Le magnétisme p ) Histoire et découverte p ) Utilisation p 16 4) Le nucléaire 4.1) Histoire et découverte 4.2) Fonctionnement p 18 p 18 p 19 5) L'électricité présente dans les animaux p ) Découverte p ) Fonctionnement p 22 Chapitre 3 : Evolution de l'électricité au fil du temps p 24 1) L'importance qu'elle occupe p 24 2) Un monde sans électricité p 24 Conclusion p 26 Bibliographie p 27 1

4 Introduction On ne peut parler de la physique sans aborder l'électricité. Celle-ci est présente dans l'univers entier. Nous allons nous en approcher d'un point de vue, non pas technique mais plutôt historique. Le Larousse définit l'électricité comme étant une "partie de la physique et des techniques qui traitent les phénomènes électriques et leurs applications. L'électricité est une forme d'énergie qui manifeste son action par des forces d'attraction et de répulsion ou par des phénomènes calorifiques, lumineux, etc : Electricité nucléaire, statique. Ce mot vient du latin electrum, qui signifie ambre jaune" 1 Il faut savoir que l'homme n'a pas toujours vécu avec l'électricité mais ne nions pas non plus le fait que celle-ci ne soit pas très récente. En effet, les premières observations dont l'homme soit sûr remontent au VI e siècle ACN. On a découvert qu'en frottant l'ambre jaune, celle-ci pouvait attirer des corps légers. Bien entendu, c'est aux XVIIIe et XIXe siècles que l'électricité sera à son apogée avec plusieurs scientifiques, physiciens tels que Ampère, Watt, Coulombs, Volta, et bien d'autres. Leurs noms ressortent souvent dans le domaine de la physique car ils donnèrent naissances à des formules fondamentales (qui seront reprises dans la suite du dossier). Il existe une multitude de formes d'électricité provenant de sources différentes. Seulement 5 principales seront abordées dans ce dossier : L'électricité prise d'un point de vue général, l'électrostatique, le magnétisme et l'électricité présente dans les êtres vivants, sans oublier le nucléaire, qui n'est pas une source directe mais qui se doit d'être citée. Le sujet m'intéresse personnellement. Si je n'avais pas d'autres objectifs dans la vie, j'aurais surement fait, du sujet traité, ma profession ou du moins commencé par me lancer dans les études en physique. Les mathématiques et la physique sont des domaines tellement vaste (nombres complexes physique quantique) qu'il est facile de s'y perdre mais plus c'est complexe et plus cela devient intéressant. J'ai cependant choisi de présenter l'électricité d'un point de vue historique en abordant l'une ou l'autre formule car sans fondations, le sujet devient assez vite compliqué. Concernant la réalisation du dossier, j'ai d'abord rassemblé tous les documents qu'il me fallait. Ensuite, j'ai procédé à un dépouillement "superficiel" histoire de se limiter uniquement aux grandes lignes. Je rédigeais dans les détails au fur et à mesure que je lisais les documents de manière approfondie. Ce travail est en quelques sortes une ligne du temps de l'électricité. Les questions principales sont donc : Comment s'est produite l'évolution de l'électricité depuis ses débuts jusqu'à aujourd'hui, quels sont les scientifiques et les outils qui ont permis cela? 1 (S.) DELACHERIE-HENRY, (C.) NIEF, (V.) VANDEVOORDE, Electricité in Larousse 2005, pp

5 Chapitre 1 : Les différentes sources d'électricité Il existe différentes sources d'électricité. Il est important de les classer en deux catégories : Les sources naturelles : La plus importante source d'électricité naturelle est probablement la foudre produite par Le cumulo-nimbus d'orage. C'est un nuage produisant le tonerre (effet acoustique de la foudre) et l'éclair (effet optique de la foudre). Avec la cohésion des particules se produisant au sein du cumulo-nimbus, celui-ci se charge négativement (excès d'électrons) alors que la surface terrestre est chargée positivement (déficit d'électrons). Lorsque la différence de potentiel devient trop importante, la foudre éclate. Le cumulonimbus se décharge pour alimenter la surface terrestre. Il est important de citer les phénomènes naturels que l'homme a réussi à emploiter pour produire de l'électricité, même si ce ne sont pas des sources d'électricité naturelles directes : - Le vent - L'eau - Energie solaire - Le nucléaire - Energie fossile - etc Notre corps, lui aussi, fonctionne à l'électricité mais celle-ci n'est pas exploitable étant donné que pour fonctionner, nos muscles n'ont pas besoin d'une très grande décharge (voir chapitre 2.5) Les sources artificielles : Il s'agit de la production de l'électricité via les machines créées par l'homme. Comme expliqué ci-dessus, l'homme a réussi a produire de l'électricité grâce aux phénomènes naturels : - Les éoliennes - Les barrages hydrauliques - Les panneaux solaires - Les centrales électriques (solaires, nucléaires, thermiques) - etc Il a donc du créer des machines pour produire et stocker cette énergie. Mais toute cette électricité ne provient pas seulement des phénomènes naturels. En effet, grâce à un système d'aimants et de bobines conductrices, on a créé une machine capable de produire de grandes quantités d'électricité : Le générateur électrique de courant alternatif. Ce fut le physicien belge Zénobe Gramme qui mit au point le premier générateur électrique de courant continu 1 (1869). Elle permettait de convertir l'énergie mécanique en 1 Plus connu sous le nom de dynamo-électrique ou dynamo. La découverte du principe de fonctionnement fut accidentelle suite à une erreur de branchement. 3

6 électricité. C'est à ce moment là qu'on commença à s'intéresser au principe du moteur. La dynamo de Gramme donna naissance au générateur de courant alternatif. L'idée principale est encore utilisée aujourd'hui mais les machines sont de plus en plus performantes: 4

7 Chapitre 2 : Les différentes formes d'électricité 2.1) L'électricité au sens général Il s'agit de la transmission d'électrons à travers un corps ou à travers l'air lorsque les conditions atmosphériques le permettent (la foudre). On parlera surtout des circuits électriques, des formules fondamentales et de son utilisation. Il est important de savoir, cependant, que Charles François Du Fray démontra qu'il existait deux espèces d'électricité. 1 On admettait alors l'existence d'un fluide électrique pouvant se propager à travers des conducteurs et pouvant être recueilli dans des appareils, appelés aujourd'hui condensateurs 2.1.1) Histoire et Découverte La découverte de de l'électricité remonterait au VIe siècle ACN mais c'est seulement à partir de la fin du XVIIe et du début du XVIIIe siècle que les physiciens s'y sont intéressés plus profondément, notamment Stephen Gray qui mena des études sur la conductibilité de l'électricité et affirma que le fluide électrique était de même nature que la foudre. Grâce a sa découverte et celle de Charles François Du Fray, Benjamin Franklin inventa le paratonnerre afin de pouvoir recueillir l'électricité se trouvant dans l'atmosphère grâce a un système ingénieux combinant cerf-volant, une clé métallique et une bouteille de Leyde 2, dont les deux principaux inventeurs furent von Kleist et Musschenbroek. L'invention de Franklin fut reproduite par Thomas François Dalibard en France. Courants électriques Il existe deux modes de transmission de courant électrique : Le courant continu et le courant alternatif. En simplifiant un peu, on pourrait dire que le courant électrique est le mouvement des électrons qui se déplacent dans un conducteur. Comme les électrons sont de charge négative, ils se repoussent entre eux, ce qui crée un déplacement. Courant continu C'est Alessandro Volta 3 qui mit au point la première pile à courant continu en Celle-ci était composée de plusieurs disques de zinc et de cuivre en contact direct. Chacun de ces couples était séparé de l'autre par un tissus imbibé d'acide. Ainsi, une partie du zinc se dissout (devenant positif) et le cuivre peut ainsi capter les électrons libérés (devenant négatif). Il se crée alors une différence de potentiel entre les deux disques permettant au courant de circuler continuellement, d'où le nom de courant continu. Notons que le courant continu est unidirectionnel. Il circule donc dans un seul sens. Le sens réel du 1 Charles François de Cisternai Du Fray ( ) était un physicien françains qui admettait deux espèces d'électricité : l'électrcité vitrée (obtenue par frottement de corps transparents comme le verre ou le cristal) et résineuse (provenant des corps résineux) 2 Provenant de la ville de Leyde aux Pays-Bas 3 Alessandro Volta ( ) était un physicien italien. Il inventa non seulement la première pile (appelée pile voltaïque) mais mena aussi d'autre recherches, comme par exemple la dilatation des gaz 5

8 courant va de la borne à la borne +. A l'époque, on croyait que c'était le contraire. Les physiciens se sont mis d'accord pour continuer à travailler ainsi. Lorsque l'on parle du sens conventionnel du courant, on fait référence au déplacement du courant de la borne + à la borne -. Pile voltaïque 1 Aujourd'hui, les piles ont gardé le même principe de fonctionnement mais les disques de cuivre et de zinc ont été remplacés par deux électrodes : anode (négatif) et cathode (positif) se trouvant dans une pâte acide ou un liquide conducteur d'électricité. Une fois insérée dans un circuit électrique, les pôles positif et négatif sont reliés entre-eux. La réaction se déclenche et le courant circule. Pile alcaline 1 Illustration de la pile de Volta. Son fonctionnement est expliqué sur la page précédente. 6

9 Courant alternatif La découverte du courant alternatif révolutionna le monde car elle permit de nombreuses inventions mais surtout le transport d'électricité via les câbles haute tension. Nikola Tesla fut un des pionniers de cette découverte. Contrairement au courant continu, on peut modifier la tension du courant alternatif. Par exemple, une pile alcaline de 3V fournira du courant en continu jusqu'à épuisement (si branché dans un circuit car en dehors, les pertes sont minimes). Par contre, il ne sera pas facile d'alimenter une télévision avec des piles. On utilise donc le courant alternatif et des transformateurs afin de ne pas administrer une quantité d'électricité trop importante dans les appareils électroniques. Comment fonctionne-il? Pour "fabriquer" du courant alternatif", on fait tourner un aimant dans une bobine de fils conducteurs (par exemple : du cuivre). L'aimant entraîne les électrons. Le pôle négatif de l'aimant repousse les électrons alors que le pôle positif les attire. Si on place cet aimant sur un axe et qu'on le fait tourner à l'intérieur d'une bobine, les électrons de la bobine n'arrêteront pas de changer de sens en suivant ou en se repoussant des pôles de l'aimant. Le champ magnétique varie très rapidement, il alterne. Ainsi, comme les électrons bougent très rapidement, ils produisent du courant électrique : Le courant alternatif. C'est le courant alternatif qui sort des prises des maisons. Il est envoyé à du 220V et peut être modifié grâce aux transformateurs. Cependant, ce courant ne peut être stocké (contrairement au courant continu). Comment le reçoit-on? Le courant alternatif voyage à travers des lignes haute tension à partir des centrales électriques. Les lignes haute tension peuvent être aériennes, souterraines ou sous-marines. Lorsqu'on parle des lignes haute tension, on fait généralement références aux lignes aériennes (car plus courantes). Avant d'être distribué dans les maisons, il est transformé, réduit à une tension de 220V. Notons, qu'on peut transporter sur les lignes haute-tension du courant continu. Cette technologie est utilisée pour faire passer le courant sur de longues distances et d'une intensité élevée ) Utilisation Avant d'aborder le point sur les formules fondamentales, il est important de connaître les différentes unités qui sont employées dans le domaine de l'électricité. Elles ne sont pas nombreuses mais sont tout aussi importantes les unes que les autres. Pour mesurer ces unités, il existe multiples appareils. La tension, appelée aussi différence de potentiel (ddp), est mesurable grâce à un voltmètre. Le volt donc correspond à la différence de potentiel entre deux points d'un circuit. Le voltmètre se branche en parallèle du circuit électrique. Sa résistance doit être très élevée car l'appareil ne doit en aucun cas modifier la répartition de la tension du circuit. Il va donc juste mesurer la tension entre les deux bornes de la lampe (voir exemple) 7

10 Le voltmètre affichera une tension de 3V même si le générateur a une tension inférieure ou supérieure à celle de la lampe, mais uniquement lorsque le circuit sera fermé pour permettre au courant de circuler. Dans cet exemple, l'interrupteur est ouvert. Le courant ne passe pas. Le voltmètre affiche 0V L'intensité est le débit, la quantité d'électricité qui passe dans un fil conducteur. Son unité de mesure est l'ampère (A). Plus l'intensité d'un appareil est élevée, plus sa puissance est élevée. Un courant d'un ampère correspond au transport d'une charge d'un Coulomb 1 sur une seconde. Contrairement au voltmètre, l'ampèremètre se place en série dans le circuit. Cela implique une résistance très faible, quasi nulle afin de pouvoir mesurer l'intensité dans son entièreté. La lampe brillera plus ou moins bien suivant l'intensité du circuit. Si celle-ci est inférieure à 200mA, la lampe brillera faiblement. Si celle-ci est égale à 200mA, la lampe brillera normalement et si elle est supérieure à 200mA, la lampe brillera fortement et risque de griller. La puissance est la quantité d'énergie par unité de temps dans un système. Son unité de mesure est le watt (W). Le watt, quant à lui, correspond au Joules par seconde. Autrement dit, un appareil électrique d'une puissance de 1000W consommera 1000J par seconde. Sur un circuit de 220V, plus la puissance augmente, plus l'intensité augmente : un appareil de 1000W branché sur un circuit de 220 V aura besoin d'une intensité de 4,45A pour fonctionner correctement. Un appareil d'une puissance de 2000W branché sur le même circuit aura besoin d'une intensité de 9A. Réciproquement, lorsque la tension du circuit augmente, l'appareil aura besoin d'une moins grande intensité pour fonctionner : Un appareil électrique de 1000W branché sur un circuit de 300V aura besoin seulement de 3,33A pour fonctionner correctement. 1 Correspond à 6, électrons (voir chapitre 2, pt 2,2) 8

11 La résistance permet, dans un circuit, de ralentir le courant électrique. Son unité de mesure est l'ohm (Ω). La résistance peut varier de 0 (supraconducteur -> "aucune" résistance) à infini (isolant "parfait"). Elle est mesurable grâce à l'ohmmètre. Contrairement au voltmètre et à l'ampèremètre, l'ohmmètre est un appareil qui envoie du courant pour mesurer la résistance. Le circuit électrique sur lequel se trouve cette résistance doit donc être ouvert. Cet appareil se place en dérivation dans le circuit. Lorsque le courant traverse la résistance, une chaleur se dégage. Elle peut être exploitée (pour chauffer : fer à repasser) ou perdue (lignes haute tension). L'ohmmètre va mesurer 1Ω lorsque le circuit est ouvert. Si il est fermé, le courant passera et faussera les données car elle s'ajoutera au courant qu'envoi l'ohmmètre. Différence des mesures entre un circuit en série et un circuit en dérivation Dans les circuits en série (voir plus haut), la tension, l'intensité et la résistance se calculent différemment que si on les mesure dans un circuit en dérivation : Tension - En série : La tension du générateur sera partagée entre les différents composants. Si la tension du générateur est de 6V, nos 2 lampes recevront chacune un nombre de volts selon leurs exigences. Les lampes ne doivent pas forcément être identiques. G = L1 + L2 - En dérivation : Chaque lampe dans un circuit en dérivation est branchée séparément aux bornes du générateur. Elles auront donc toutes la même tension que le générateur. Si G = 6V alors L1 = 6V et L2 = 6V Intensité - En série : L'intensité est la même partout, où qu'on la mesure. Si dans le circuit il y a 2 lampes, l'intensité de L1 sera (par exemple) de 0,3A, celle de L2 de 0,3A et celle du générateur sera de 0,3A également. Comme dit précédemment, si l'intensité est trop élevée, les lampes s'useront très vite et si elle est trop faible, la lumière que les lampes émetteront sera en dessous de son seuil de 9

12 paroxysme mais leur durée de vie sera plus longue. L1 = L2 = G - En dérivation : L'intensité des composants s'additionne pour être égale à l'intensité du générateur. Si L1 = 0,3A et L2 = 0,5A, l'intensité du générateur sera égale à 0,8A. Ici, chaque lampe reçoit un courant différent de l'autre. Plus il y aura de lampes sur différentes branches, plus il y aura de courant différents envoyés par le générateur. G = L1 + L2 => G = L1 + L Ln Résistance - En série : Les composantes sont mises l'une à la suite de l'autre. Leur résistance au total sera donc leur somme. R = R1 + R Rn - En dérivation : Le calcul des résistances est un peu plus compliqué. En effet, dans un circuit en dérivation, la formule pour calculer les résistances est : 1 R = R 1 R1 = 1 R Rn Avec toutes ces données, on peut déduire qu'il existe une formule permettant de les vérifier et qui n'est tout autre que la formule fondamentale U =R. I Expliquons cette formule d'un point de vue imagé afin de mieux comprendre de quoi il s'agit : "Prenons deux réservoirs d'eau dont l'un est plein, l'autre est vide reliés par un conduit. Le réservoir plein a une tension élevée (borne + selon le sens conventionnel) et le réservoir vide est à 0 (borne -). Lorsqu'on ouvre la vanne du conduit, l'eau circule du réservoir plein vers le réservoir vide jusqu'à ce que la tension soit identique des deux côtés. Le conduit symbolise la résistance et la pression de l'eau est caractérisée par son débit allant de la borne + à la borne -. Autrement dit, moins la largeur du tuyau est grande (R), plus le débit de l'eau (I) sera élevée. Réciproquement, plus la résistance est grande (tuyau fin), moins le débit sera élevée." 1 Avec cette seule et unique formule, on peut déjà calculer 3 données : la tension, l'intensité et la résistance. Il en existe une pour calculer la puissance : "Prenons de nouveau deux réservoirs dans lesquels on a percé un trou de taille différente. Un des deux symbolise une ampoule et l'autre un radiateur et sont tous les deux remplis d'eau. Le réservoir qui symbolise l'ampoule a un petit trou car il n'a pas besoin d'une grande quantité d'électrons pour fonctionner. Son intensité est sera petite, le débit de l'eau est faible. Le deuxième réservoir symbolise un radiateur. Celui-ci a besoin d'un courant à forte intensité pour fonctionner. Son trou sera donc plus large pour laisser passer beaucoup d'électrons (l'eau). On peut donc dire que la puissance d'un appareil dépend à la fois de son intensité (le débit) et de la tension (pression de l'eau) : P=U. I "² 1-2 L'aventure de l'électricité in C'est pas sorcier, France 3, 19 janvier

13 Nous avons vu que l'électricité était indissociable de l'énergie. En effet, une énergie, un travail quelconque peut créer de l'électricité et vice versa. C'est le physicien anglais James Prescott Joule qui, en 1841, établit une loi permettant de calculer, de mesurer cette énergie provenant de l'électricité. C'est la puissance transformée au chaleur en contact d'une résistance qui est parcourue par un courant électrique. Le watt, qui se mesure en Joule par seconde, caractérise l'énergie. On obtient la formule de l'effet de joule en combinant les deux formules précédentes trouvées U =R. I P=U. I Dans l'équation P=U. I, si on remplace la tension par R. I, on aura : P=R. I². Mais comme on parle ici de l'effet de Joule et non de la puissance, la formule finale donnera E=R. I² 2.2) L'électrostatique L'électricité statique fut une des premières découvertes de l'homme dans le domaine de l'électricité. Il l'a obtenue en frottant un corps résineux. Une fois frotté, ce corps pouvait attirer des objets de petite taille. L'électricité statique se crée donc par frottement, lorsque deux corps entrent en contact. En se touchant, des électrons d'un des deux corps sont arrachés pour aller se fixer sur l'autre corps. Pendant ce bref instant se crée un courant électrique. La force de champ séparant les deux corps dépend de plusieurs facteurs : le matériau, la vitesse de séparation des électrons, l'humidité de l'air, etc 2.1.1) Histoire et découverte Ce fut en 600 ACN qu'un certain Thalès de Milet avait découvert le pouvoir du frottement. Il avait fait son expérience avec de l'ambre et de la fourrure animale. En frottant ces deux corps, l'ambre avait la capacité d'attirer les filaments, les poussières de la fourrure. La fourrure animale, en contact avec l'ambre attire les électrons. Elle devient alors négative. Ayant perdu ses électrons, l'ambre devient positive. Ainsi, étant de signe contraire, les deux corps s'attirent. Mais ce n'est qu'à partir du XVIIIe siècle qu'on commença à fabriquer des machines pouvant produire de l'électricité. Ces machines étaient basées sur le principe du frottement. La plus connue est la machine de Wimshurst 1 car c'est la plus performante et elle est utilisée dans les laboratoires pour réaliser des expériences sur l'électrostatique. Elle est composée de deux disques qui tournent en sens inverse et sur lesquels il y a des plaquettes de métal. Lorsqu'on actionne la machine, grâce au frottement, une des deux bouteilles de Leyde (condensateur) se charge négativement alors que l'autre se charge positivement. Lorsque la différence de potentiel entre les deux bouteilles devient importante, il se crée un arc électrique pour remettre la tension à niveau. Cette machine permit d'étudier le phénomène de la foudre (cf chapitre 1). 1 Fut réalisée en 1883 par le physicien anglais James Wimshurst ( ) 11

14 Machine de Wimshurst Cependant, bien avant l'invention de ces machines, on a pu constater qu'il existait des matériaux conducteurs d'électricité et des matériaux dits, isolants. C'est le chercheur anglais Stephen Gray, qui, en 1727, fit la découverte des conducteurs. Lors d'une de ses expériences, lorsque que Gray étudiait l'électrostatique, il frotta un tube de verre au plomb et remarqua que le bouchon de liège qui le fermait attirait du duvet alors que celui-ci n'avait pas été frotté. Il comprit alors que le fluide électrique pouvait se transmettre d'un corps à l'autre. De fil en aiguille, il remarquait que beaucoup de matériaux sont conducteurs jusqu'en 1729, où il tomba sur de la soie. C'est ainsi qu'il admit qu'il existait aussi des matériaux isolants. Gray avait aussi mené cette expérience sur l'homme en prouvant que ce dernier est lui-aussi conducteur. Il faisait suspendre une personne au dessus du sol à l'aide de cordes en soie et on mettait une partie de son corps en contact avec un objet fortement électrisé. La personne en question avait la capacité d'attirer de petits bouts de papier. Conducteurs d'électricité : Le conducteur est "un corps capable de transmettre l'énergie, l'électricité" 1. En électricité, un conducteur est un corps qui contient en lui des porteurs de charge électrique. Lorsqu'un conducteur n'est soumis à aucun courant, aucun champ électrique, les charges se déplacent de manière hasardeuse. Il est alors en équilibre électrostatique mais une fois qu'on y fait passer un courant électrique, les charges se déplacent de manière ordonnée. Il existe différents matériaux conducteurs : Les métaux, les plasmas, les électrolytes (cf : la pile voltaïque) et certains solides non-métalliques dont le graphite. Supraconducteurs : "Sont des matériaux qui présentent une résistivité quasi nulle, au- 1 (S.) DELACHERIE-HENRY, (C.) NIEF, (V.) VANDEVOORDE, Conducteur in Larousse 2005, p

15 dessous d'une certaine température" 1. Elles sont tellement basses (température critique) qu'elle permettent un passage facile de l'électricité et "sans perte d'énergie". Notons cependant que les conducteurs parfaits n'existent pas. Semi-conducteurs : Sont des matériaux possédant les caractéristiques d'un isolant et où les porteurs de charges sont relativement peu nombreux. La résistivité des semi-conducteurs varie sous l'influence de certains critères tels que la température, le champ magnétique, etc. Le silicium est le semi-conducteur le plus utilisé. Isolants : Les isolants sont des matériaux limitant ou empêchant la propagation de l'énergie (qu'elle soit électrique, thermique, phonique ou mécanique). Contrairement au conducteur, l'isolant possède très peu de charges libres. Etant "piégées" dans le matériau, le courant électrique ne se fait pas. Bien entendu, il n'existe pas plus d'isolants parfaits que de conducteurs parfaits même si les valeurs des deux peuvent varier assez fortement. En réalité, tous les matériaux sont à la fois conducteurs et isolants mais à des niveaux différents car, par exemple, un matériau isolant pour 50V ne le sera peut-être pas pour V ) Utilisation Toute la base de l'électrostatique repose sur la loi de Coulomb 2. Le coulomb est une quantité d'électricité qui parcourt une section d'un conducteur en une seconde et d'intensité d'un ampère. Un coulomb (C) = 6, électrons. On peut donc dire que A= C t Aujourd'hui, l'électrostatique est surtout utilisée dans les laboratoires pour mener des expériences sur les comportements des charges, des forces qu'elles exercent entre-elles, etc. Il existe cependant des machines pouvant produire jusqu'à plusieurs millions de volts. On les appelle des accélérateurs électrostatiques (Pelletron TM ) 3. Les scientifiques ont commencé à s'y intéresser dans les années 20 (plus précisément en 1919) lorsque E. Rutherford 4 fit une découverte incroyable. Il démontra qu'il était possible de transformer des atomes d'azote en atomes d'oxygène en les bombardant de particules α (alpha). Il réalisa la première transmutation que l'histoire n'ait jamais connu. Que sont les particules α? A : 1 ampère C : 1 coulomb t : 1 seconde Ces particules, ou rayons α sont le dégagement de protons et de neutrons (nucléons) des 1 (S.) DELACHERIE-HENRY, (C.) NIEF, (V.) VANDEVOORDE, Supraconduction in Larousse 2005, p Charles Augustin de Coulomb ( ) est considéré comme un des plus grand ingénieur du XVIIIe siècle, notamment grâce à ses travaux sur l'électricité et grâce à la loi qui porte son nom. 3 Pelletron TM vient de l'anglais pellet décrivant les petits cylindres que comporte la machine. 4 Ernest Rutherford ( ) est considéré comme le père de la physique nucléaire. 13

16 noyaux très instables qui ont une grande masse atomique. Elles sont constituées de quatre nucléons : 2 protons et 2 neutrons (autrement dit, un atome identique à celui de l'hélium). Ces noyaux deviennent plus stables et plus légers. Les particules α sont très lourdes et chargées électriquement. Elles parcourent 15 à km/s sur à peine quelques centimètres car elles sont très vite arrêtés par les différents champs électromagnétiques et les atomes composant la matière environnante (une feuille en papier, par exemple, suffit pour les arrêter). Rutherford comprit,en 1919, qu'il pouvait alors changer la nature des atomes. En entrant en contact, les particules α sont distribuées aux atomes d'azote. Ces derniers gagnent alors un proton et un neutron, se transformant ainsi en atomes d'oxygène. On pouvait admettre l'existence de l'alchimie même si ces particules ne pouvaient provoquer la transmutation d'atomes plus lourds tel que le plomb. Il fallait donc trouver un moyen de bombarder ces atomes avec des particules plus énergétiques... des ions (atome électrisé) qu'il devait accélérer à de grandes vitesses. C'est alors qu'intervient Van de Graaf 1. Il fallait accumuler suffisamment de charges pour produire une telle quantité de volts mais ce n'était pas chose aisée à cause de la force de répulsion qui augmente avec la tension. Il s'était alors référé à l'expérience de la cage de Faraday 2. Il fallait attendre de nouvelles technologies pour pouvoir mettre l'électrostatique à l'usage industriel et c'est grâce à la technologie génératrice-transformateur-redresseur 3 que Frederick Gartner Cottrel 4 mit au point, en 1906, le premier précipitateur électrostatique. Cette invention permit aux usines de réduire le taux de pollution qui en émanait. Ces particules sont captées par les molécules d'air ionisées. Source : LANGLOIS (P.) : Sur la route de l électricité : Le magnétisme des aimants et l électricité statique, Canada, MultiMondes, Octobre 2005, p 90 Les particules de poussière ou de suie s'accumuleront sur les plaques du précipitateur tandis que les gouttelettes s'écouleront au fond du réservoir. Ces particules sont captées par les molécules d'air ionisées. Une fois remplies, les plaques sont raclées ou alors secouées. Les résidus tombent aussi dans le réservoir. La flèche rouge indique la direction par laquelle s'échappent les particules. 1 Robert Van de Graaf ( ) était un physicien américain inventeur de l'accélérateur électrostatique Van de Graaf 2 Expérience menée par Michael Faraday ( ) qui dit que dans un conducteur creux, la charge reste à l'extérieur et n'interfère en rien avec ce qui se situe à l'intérieur de la cage. 3 Capable de produire de l'électricité, modifier la tension du courant alternatif et de transformer ce courant alternatif en courant continu. 4 Frederich Gartner Cottrel ( ) était un électrochimiste américain. 14

17 2.3) Le magnétisme Afin de mieux comprendre ce qu'est le magnétisme, dans la suite de ce dossier, il sera abordé, majoritairement, le magnétisme des aimants et électroaimants ainsi que certaines découvertes qui se doivent d'être expliquées ) Histoire et découverte Les Grecs sont ceux qui ont découvert l'électricité statique en 600 ACN et trois siècles plus tard, les Chinois découvrirent le magnétisme. Ils inventèrent en 300 ACN la première boussole. Cette invention aida en masse les navigateurs. Désormais, voyager sur mer était nettement plus facile. Ce fut le Français Pierre de Maricourt, qui, au XIIIe siècle remarqua qu'il existe deux pôles à un aimant : le pôle Nord et le pôle Sud, tous deux magnétiques. Dans une lettre qu'il a écrit au milieu du siècle, il explique comment il l'eut découvert et en tira une conclusion suivante : Deux pôles magnétiques semblables se repoussent et de pôles magnétiques contraires s'attirent 1. De plus, il nous apprend que séparer les deux pôles est impossible. En effet, si on casse un aimant en deux, dans chaque extrémité des deux parties de l'aimant, on aura un pôle. Autrement dit, on aura deux pôles Nord et deux pôles Sud. Au fil des siècles, les découvertes vinrent s'additionner entre-elles. Notamment celle de Giambatista Della Porta qui, au XVIe siècle, observa que le fer détournait la force magnétique d'un aimant. William Gilbert l'expérimenta quelques années plus tard en plaçant une plaque sur l'un des deux pôles de la pierre d'aimant et en faisant dévier une aiguille de boussole. Il constata que l'aiguille mettait plus de temps à s'orienter. La seconde observation de Porta fut la "destruction" de l'aimantation de la pierre par la chaleur. Toute aimantation disparait lorsque la pierre devient rouge et ne revient pas lorsqu'on la refroidit. Toutefois, si on la laisse refroidir avec le temps et sans la bouger, il y aura de nouveau apparition de deux nouveau pôles orientés ver le Nord et le Sud. On se demandait parfois pourquoi la boussole avait tendance à pointer vers le bas et c'est vers la fin du XVIe siècle qu'un fabricant londonien d'instruments scientifiques, Robert Norman réalisa une expérience montrant clairement que l'aiguille pointe vers le sol et ce, à différents endroits de la terre, de plus en plus en se rapprochant du Nord magnétique. Il le démontra en ayant frotté l'aiguille sur une pierre d'aimant et l'ayant ensuite placée dans un vase rempli d'eau. Il vit que l'aiguille pointait alors dans la direction du sol. Avec toutes ces données William Gilbert dispose des boussoles tout autours d'une pierre d'aimant sphérique. Il constate que les aiguilles pointent toutes dans la même direction. De cette manière, il conclut que la Terre est un énorme aimant. Coulomb étudia beaucoup le magnétisme et fit énormément de découvertes. Il admit que chacune des parties d'un corps magnétique, molécule magnétique, possède deux fluides (fluide boréal concentré dans le pôle Nord et fluide austral concentré dans le pôle Sud ) magnétiques en quantité égale. Ainsi, lors de la séparation d'un aimant en deux, cette quantité de molécules est modifiée, ce qui expliquerait l'apparition de nouveaux pôles (Nord et Sud) dans les nouvelles extrémités des aimants. 1 LANGLOIS (P.) : Sur la route de l électricité : Le magnétisme des aimants et l électricité statique, Canada, MultiMondes, Octobre 2005, p 22 15

18 2.3.2) Utilisation Plus d'un siècle déjà, le magnétisme ne cesse de connaître divers applications. En effet, il influença très fortement la production de l'électricité et ce grâce aux générateurs de courant électrique alternatif (cf chapitre 1). En dehors de la production de l'électricité destinée à des usages quelconques, on distingue d'autres appareils comme les microphones, les haut-parleurs, les moteurs électriques ou encore les trains à sustentation, lévitation magnétique. Microphone : Lorsqu'on parle dans un microphone, notre voix va faire bouger la membrane interne, qui entrainera une bobine conductrice mobile entourant un aimant. Le champ magnétique de l'aimant sera modifié et les fils du microphone vont capter ces vibrations pour ensuite les restituer ou les enregistrer. Haut-parleur : Le fonctionnement du haut-parleur est l'inverse de celui du microphone même si le principe reste le même. Dans le haut parleur, la bobine de fils conducteurs qui entourent l'aimant est traversée par un courant électrique. Le champ magnétique de l'aimant est ainsi modifié. La membrane du haut-parleur va vibrer et produire du son. La fréquence de vibration du son se mesure en Hertz (Hz). Moteur électrique : C'est une machine qui permet de convertir l'énergie électrique en travail. Elle est composée d'un stator (partie fixe du mécanisme tournant sur lequel se trouvent des aimants permanents) et d'un rotor (partie mobile d'un mécanisme tournant sur lequel se trouvent des bobines conductrices). Les pôles Nord et Sud du stator et du rotor s'attirent dans un mouvement rotatif ce qui crée l'électricité. Train à lévitation magnétique : Le train se déplace en lévitation. Il n'est pas en contact avec les rails, ce qui lui procure une vitesse nettement supérieure aux trains classiques. La seule résistance avec laquelle il entre en contact est l'air. Tout le long du train sont disposés des aimants, ou électroaimants et la voie est équipée de bobines. Sous le train se trouvent aussi des électroaimants de guidage pour qu'il ne perde pas le contrôle. Ce train utilise l'attraction pour se soulever. On fait passer un courant électrique dans les aimants. Pour le faire avancer, on présente les pôles Nord des bobines (aimants) de la voie aux pôles Sud des aimants du train. En changeant les pôles à grande vitesse, on fait avancer le train. En Allemagne, le Transrapid est un train à lévitation magnétique allant jusqu'à 450km/h même si il a été conçu pour monter jusqu'à 500km/h. Les Allemands sont concurrencés par les Japonais qui utilisent des supraconducteurs. Mais comme il faut les refroidir en permanence, cela leur coûte plus cher même si la vitesse du train est supérieure. Aimant permanent et électroaimant On utilise les aimants un peu partout. C'est d'ailleurs grâce à eux que l'homme a pu créer le courant alternatif. Avant de comprendre vraiment ce qu'est un aimant, il faut remonter jusqu'à l'atome. Ce dernier est constitué d'un noyau autour duquel gravitent les électrons. Ces électrons, non seulement tournent autour du noyau mais aussi sur eux-mêmes. Ce sont ces mouvements qui créent un champ magnétique. Chaque atome se comporte donc comme un aimant. Ce phénomène se produit uniquement sur des matériaux magnétiques (fer, métal, cobalt). 16

19 L'électricité génère aussi un champ magnétique. Cette expérience est vérifiable en faisant passer un courant électrique dans une bobine conductrice (cuivre) qui entoure du fer doux. Ce fer deviendra alors magnétique et pourra générer, à son tour, un champ magnétique. Aimant permanent : Au départ, les seuls aimants que l'on avait se trouvaient dans la nature (magnétite). Par après, on a pu en créer grâce à certains matériaux (cobalt, néodyme, etc). On comprime ces matériaux en leurs donnant la forme qu'on veut et on y fait passer un courant électrique à très forte intensité pour leurs donner un champ magnétique. Dans le fer, par exemple, il y a différents domaines magnétiques dans lesquels les atomes sont alignés dans la même direction et qui varie d'un domaine à l'autre. A cause de ça, les champs magnétiques de chaque domaine s'influencent et le champ magnétique total du matériau s'annule. C'est pour cette raison que le fer n'est pas un aimant spontané. Lorsqu'on approche un aimant du fer, les petits aimants dans les domaines s'alignent. De ce fait, comme ils sont alignés, les domaines disparaissent. Il se crée alors un pôle. Comme, dans tout aimant, il y a deux pôles, automatiquement, le deuxième se crée (par alignement des aimants dans l'autre partie du fer). Electroaimant : Un électroaimant est un aimant artificiel qui est constitué d'un noyaux de fer doux enroulé dans une bobine de fils conducteurs. Lorsqu'on le relie aux bornes d'un générateur, il produit un champ magnétique. Les électroaimants sont très pratiques. Attachés à des grues, on peut facilement soulever une masse importante de métal et la déposer à un autre endroit et tout ça en allumant et en éteignant le courant. On peut ainsi contrôler le champ magnétique. La Terre est un aimant Comme vu au point précédent, la Terre se comporte comme un gigantesque aimant. Elle génère donc un champ magnétique. Ce champ magnétique trouve sa source dans le noyau externe de la Terre qui est constitué de métal liquide chauffé par le noyau interne. Le flux de chaleur qui se dégage du noyau met ce liquide en mouvement, qui produit des tourbillons. Ces tourbillons, en suivant l'axe des pôles produisent un courant électrique très intense. C'est ce qu'on appelle la géodynamo. 17

20 Au niveau des pôles, la magnétosphère 1 est la plus faible. On voit alors apparaître, dans ces régions, les aurores boréales (rencontre entre les particules solaires et les gaz présents dans notre atmosphère). Si la magnétosphère venait à disparaître, la Terre serait exposée aux vents solaires et par conséquent, la vie disparaîtrait à son tour, comme ce qu'il s'est produit sur Mars il y a plus de 4 milliards d'années. D'après les scientifiques, elle devrait se dissiper d'ici 1500 ans. 2.4) Le nucléaire Aujourd'hui, le nucléaire constitue une part relativement importante (Plus de 70% en France contrairement à 30% en Belgique) de la production de l'électricité dans le monde et qui est en pleine expansion. On en trouve en quantité abondante sur notre planète et l'énergie pouvant en être retirée dépasse largement les autres moyens de production (éoliennes, biomasse, barrages, etc). Cependant, les conséquences de cette méthode sont très graves car en plus de l'électricité produite, on se retrouve avec des déchets nucléaires qui s'avèrent très nocifs ) Histoire et découverte La découverte de la radioactivité naturelle revient au physicien français Henri Becquerel, en Sa découverte fut accidentelle. Alors qu'il travaillait sur la fluorescence des sels d'uranium, il découvrit que ces derniers laissent une impression sur des plaques photographiques sans être exposés à la lumière du soleil. Il se demanda si ce phénomène n'était pas de même espèce que les Rayons X et finit par en déduire qu'ils émettent leur propre rayonnement. Plus tard, Pierre et Marie Curie découvrent des éléments plus radioactifs que l'uranium : le polonium et le radium. C'est cependant l'uranium qui est utilisé dans les centrales nucléaires pour produire de l'électricité car il est très très instable. En 1934, Frédéric et Irène Joliot-Curie découvrent la radioactivité artificielle. Pour la produire, il suffit de bombarder les noyaux d'un élément stable avec des neutrons pour les rendre instables. Cela permet de créer des isotopes qui n'existent pas dans la nature et qui ont une durée de vie relativement courte. Une expositions aux rayons radioactifs peut s'avérer très dangereuse mais à faible dose, elle est inoffensive. On utilise certains isotopes pour soigner des pathologies (L'iode 131 pour la thyroïde par exemple). La radioactivité artificielle permet aussi de détecter des tumeurs, des cancers. Les éléments radioactifs dégagent plusieurs types de rayonnement : Rayonnement α : Voir point Rayonnement ß : Le rayonnement ß est le processus par lequel un neutron se transforme en proton et pour simplifier, on dit qu'il libère des électrons. Une fine feuille en aluminium de quelques millimètres à peine suffit pour les arrêter. On distingue deux types de rayonnement ß : 1 Champ magnétique terrestre 2 L'uranium 235 est un isotope. C'est-à-dire que le nombre de neutrons dans le noyau change. Contrairement à l'uranium 238, l'uranium 235 a trois neutrons en moins et est beaucoup plus instable car la force de cohésion dans le noyaux est faible (voir : centrale nucléaire) 18

21 1. Rayonnement ß - : Lors de la transformation du neutron en proton, le noyau émet un électron qui peut atteindre de très grandes vitesses (environ km/s). 2. Rayonnement ß + : Même principe que pour le précédent sauf qu'à la place de l'électron, se dégage du noyau le positron 1 Rayonnement ϒ : Nous venons de voir qu'il existe plusieurs façons, pour un noyau instable de se stabiliser : en émettant des particules. Une de ces méthodes consiste aussi à libérer des rayonnements ϒ. Ce rayonnement est différent des deux précédents car il s'agit là d'une émission d'énergie pure sous forme d'onde électromagnétique se déplaçant à la vitesse de la lumière ( km/s). Leur énergie dépend de leur fréquence. Plus celle-ci est élevée, plus la pénétration dans la matière sera élevée. Il ne peut être arrêté que par des matériaux lourds tels que le béton ou encore le fer. Il est fortement ralenti par l'eau. Le rayonnement gamma est abondant dans les centrales nucléaires et pour éviter une fission trop rapide de l'uranium 235, on plonge ce dernier dans une piscine remplie d'eau. Pour éviter toute émission en dehors de la piscine, on a délimité celle-ci par des murs en fer et en béton ) Utilisation La plus importante utilisation du nucléaire et, sans conteste, la plus rentable, réside dans les centrales nucléaires. Une grande partie de l'électricité est produite par celles-ci. Pour donner un ordre de grandeur, 1gr d'uranium produit autant d'électricité que 2T de charbon. Une autre utilisation de l'uranium est la bombe atomique. Le principe de fission des noyaux est le même mais la quantité d'énergie produite est très différente. Centrale nucléaire Les crayons d'uranium sont plongés dans de l'eau sous pression 2. Cette eau (qui contient des particules radioactives) se trouve dans le circuit primaire et ne se mélange pas au générateur 1 Antiparticule de l'électron. Libération de deux photons gamma lorsque l'électron et le positron se rencontrent. 2 L'eau sous pression dans les centrales a un degré d'ébullition situé entre 320 et 340 C. On la met sous pression pour éviter qu'elle ne s'évapore trop vite et pour obtenir un degré d'ébullition plus élevé. 19